水輪 機(jī) 轉(zhuǎn) 輪葉片數(shù)控加工是表征水輪機(jī)制造技術(shù)達(dá)到現(xiàn)代先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。國外已普遍采用數(shù)控設(shè)備加工葉片，現(xiàn)有鑄造毛坯或模壓毛坯人工鏟磨成型的工藝將逐漸被數(shù)控技術(shù)所取代。隨著國內(nèi)大型水輪機(jī)數(shù)控加工設(shè)備的引進(jìn)，葉片數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)已勢(shì)在必行。

　　數(shù)控加工葉片，一是能改善葉片表面質(zhì)量，保證葉片型線更接近理論翼型，二是可以提高工件的加工效率，三是可充分降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在轉(zhuǎn)輪葉片中，混流式葉片因其曲面非常不規(guī)則、曲率變化最大等特點(diǎn)，導(dǎo)致其加工難度也最大。本文將針對(duì)混流式水輪機(jī)葉片的數(shù)控加工工藝加以詳細(xì)闡述。

1 技術(shù)準(zhǔn)備

　　1.1 數(shù)控加工設(shè)備的準(zhǔn)備

　　在加工設(shè)備中有三軸、五軸數(shù)控銼銑床和五軸數(shù)控龍門銑床，但其加工效果及效率各有利弊。三軸數(shù)控設(shè)備因其本身的限制，僅能將葉片表面加工成溝槽狀，仍需進(jìn)一步人工鏟磨方可達(dá)到要求，它更適合于加工翼型較為平展的軸流或貫流葉片。加工精度及效率最高的當(dāng)數(shù)五軸數(shù)控設(shè)備，利用萬能銑頭，可以實(shí)現(xiàn)大面積隨型切削加工，只需進(jìn)行最終表面拋光即可。

　　1.2 夾具的準(zhǔn)備

　　因加工設(shè)備的不同，葉片分臥放、立放兩種工位，其裝夾工具也不同，在鑊床上為立放工位，在龍門銑床上可以臥放加工。立放工位的工具要配備有大型彎板，葉片支撐方式可用球頭螺桿、球座配合方式;或按葉片翼型，在周邊用翼型板焊接支撐，但該種裝夾方式，焊點(diǎn)多、焊量大，葉片易產(chǎn)生變形;另外，因工件自重的作用，在加工過程中極易竄動(dòng)，造成翼型偏差，其安全性較差。

　　臥放工位的工具為正、背面銑胎，銑胎結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較好，防止正、背面錯(cuò)位效果好，通用性較強(qiáng)?，F(xiàn)普遍采用多截面隨型支撐，或井字型截面支撐(主要用于大型葉片，如三峽葉片即為井字支撐、，數(shù)控加工截面板型線，使葉片與截面板全接觸。并可在虛弱點(diǎn)隨時(shí)加臨時(shí)支撐，銑胎結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.3 刀具及切削參數(shù)的準(zhǔn)備

　　葉片加工主要包括型面、坡口和進(jìn)出水邊的加工，其刀具也分為面銑刀、螺旋立銑刀和球頭棒銑刀。水輪機(jī)葉片的材料通常為ZGOCrl3Ni5Mo,屬馬氏體不銹鋼，該材料經(jīng)正火、回火后，具有較高硬度、強(qiáng)度和抗氧化性能。加工特性主要有切削變形大、加工硬化傾向大、切削力大和刀片易磨損等，而對(duì)于葉片來說加工效率是重要因素，硬質(zhì)合金刀片是唯一選擇。以面銑刀的選擇為例，首選平裝、上壓式夾緊刀片結(jié)構(gòu)，刀片軸向、徑向前角為正值，一般徑向前角y;取0一30，軸向前角γ取9-15°，刀齒不等齒距分布，75°主偏角，11°刀片后角。伊斯卡公司的帶PVD涂層的ZC328刀片符合上述要求，該刀片具有耐磨性能高、韌性好的特點(diǎn)，刀片槽型為波形刃，波形刃對(duì)不銹鋼的斷屑、排屑以及減小切削力有明顯作用，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

　　葉片加工的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的函數(shù)關(guān)系，必須找出其最佳組合，即優(yōu)化切削用量。經(jīng)實(shí)踐優(yōu)選出各參量值:切削速度Vc=90m/min，每齒進(jìn)給量fx=0.15-0.20 nun/z，走刀量Vf=200-250m m/min，切削深度αp=7m m。

　　1.4 數(shù)控程序的準(zhǔn)備

　　水輪機(jī)葉片數(shù)控加工程序的編制可分曲面造型、刀位計(jì)算和后置處理三步進(jìn)行。通過對(duì)多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的找正、定位，將葉片余量分布情況同時(shí)讀進(jìn)計(jì)算機(jī)中，編程人員按軟件要求計(jì)算，根據(jù)刀具、機(jī)床銑頭轉(zhuǎn)角和行程等因素，選定加工坐標(biāo)系，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)全模擬加工演示，確定走刀量，同時(shí)進(jìn)行刀具干涉檢測(cè)等，最終編制出葉片型面、頭部、尾部和焊接坡口等加工程序。

2 數(shù)控加工工藝過程

　　2.1 葉片加工工藝流程

　　葉片加工工藝流程如圖2所示。

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　　2.2 毛胚質(zhì)量與余量的控制

　　葉片毛坯質(zhì)量的控制是保證葉片最終質(zhì)量的關(guān)鍵，葉片多為不銹鋼鑄造結(jié)構(gòu)，材料為OCrl3Ni5Mo。葉片余量不均將直接影響數(shù)控加工質(zhì)量，如余量偏小，則余量分布可調(diào)整范圍小:余量偏大，則數(shù)控加工周期長，費(fèi)用高，且葉片也容易產(chǎn)生變形。為了保證葉片數(shù)控加工的高效性，將葉片正、背面加工余量控制在轉(zhuǎn)輪名義直徑的0.1%~3%之間，毛壞預(yù)先進(jìn)行粗磨、無損探傷，以及除凈缺陷，去除局部高點(diǎn)，使毛坯表面質(zhì)量得到充分改善，易于劃線。

　　2.3 葉片的劃檢

　　葉片余量劃檢方式共有3種:a.雙光電經(jīng)緯儀非接觸式測(cè)量葉片型線余量，它是最經(jīng)濟(jì)合理的測(cè)量手段，其測(cè)量精度完全滿足葉片加工精度要求;h.三維劃線機(jī)點(diǎn)接觸測(cè)量型線余量，但在測(cè)桿伸出過長時(shí)，會(huì)因測(cè)桿自身產(chǎn)生的撓度而增大測(cè)量誤差;c.利用數(shù)控機(jī)床的數(shù)控測(cè)頭直接進(jìn)行測(cè)量，它檢測(cè)精度最高，但占用數(shù)控機(jī)床，費(fèi)用也最高，通常用于葉片數(shù)控加工后的翼型檢測(cè)，通過專用檢測(cè)程序，校驗(yàn)葉片型面的準(zhǔn)確性。

　　劃檢前，先選擇測(cè)點(diǎn)，選擇原則為葉片較薄處和曲率半徑較大處;加密測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)越密，測(cè)量精度越高，測(cè)點(diǎn)在葉片表面呈網(wǎng)格狀分布。確定測(cè)量基準(zhǔn)，然后采集各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)值，將所采集數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中與葉片理論翼型比較，通過反復(fù)調(diào)整，使葉片余量分布盡可能均勻。反饋各測(cè)點(diǎn)加工余量值，標(biāo)注于葉片表面。

　　確定毛坯余量后，要在葉片上劃出銑胎支撐截面線、坡口鈍邊線及加工線、葉片周邊線。大型葉片的坡口劃檢非常關(guān)鍵，尤其上冠處坡口，厚度最大，加工余量也最多，如將坡口開成方形，勢(shì)必耗費(fèi)大量工時(shí)加工坡口，因此，必須在葉片型面上劃出坡口線及鈍邊線，按線預(yù)留出足夠余量，其余鏟磨去除。上冠坡口劃線如圖3所示。

　　2.4 葉片的裝夾、找正

　　葉片按截面線落在銑胎上，葉片與胎具接觸穩(wěn)固，虛弱點(diǎn)加支撐，通過搭焊板搭焊牢固。按照葉片上的6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，3點(diǎn)多次組合測(cè)量，按誤差最小值的組合進(jìn)行編程計(jì)算。

　　2.5 葉片的加工

　　葉片加工分為型面、坡口、頭尾部加工及數(shù)控打標(biāo)記等四部分。

　　型面加工用盤銑刀，分粗、精銑序。粗銑時(shí)，可加大排刀間距及切深，加冷卻液，提高加工效率，同時(shí)可使葉片充分釋放應(yīng)力，防止精加工后再變形，在國內(nèi)某大型機(jī)組上，曾發(fā)生葉片經(jīng)粗銑后，工件變形達(dá)4 mm左右;精銑時(shí)，加密排刀，減少切深，雖效率降低，但表面波浪度及粗糙度減小，改善過流面質(zhì)量。

　　坡口加工 ，在數(shù)控銑頭轉(zhuǎn)角允許的情況下，盤銑刀加工可加大走刀量，一次加工到位。經(jīng)數(shù)控加工的坡口，給轉(zhuǎn)輪的最終裝配帶來方便，大大提高了裝配精度，使坡口焊量均勻。

　　頭尾部加工的關(guān)鍵是其形狀的保證。曲面的形成是由加工的直線段組成而無限接近，加工中，如果無限細(xì)化直線段，勢(shì)必降低加工效率，提高成本。采用棒銑刀或球頭刀按其包絡(luò)線加工，加工成多邊形，最終按樣板修磨。

　　銑削方式對(duì)切削效果有很大影響，一般多采用順銑方式，順銑切層由厚到薄，刀齒從待加工表面順利切人，刀具磨損小，并能獲得良好的表面粗糙度。另外，在銑削中加人充分的冷卻液，不但對(duì)刀具有潤滑作用，還對(duì)因不銹鋼加工導(dǎo)熱性差而產(chǎn)生的貓結(jié)現(xiàn)象和減輕摩擦有改善。

　　數(shù)控打標(biāo)記主要包括在葉片型面上打出樣板截面測(cè)量基準(zhǔn)線，以及在另外一側(cè)加工找正基準(zhǔn)點(diǎn)。

　　2.6 葉片的修磨、拋光

　　數(shù)控加工后，修磨去除數(shù)控加工過程中形成的刀花和接刀痕(即波峰、波谷)，修磨葉片的波峰，可以在每一“刀”上修1/3的面積，將葉片修光整，滿足葉片的波浪度要求。

　　所用工具可選擇大功率、轉(zhuǎn)數(shù)可達(dá)80 00r /min的優(yōu)質(zhì)砂輪機(jī)，以及專用碗型砂輪片，葉片表面粗糙度全部達(dá)到1.6 μm。修磨葉片的頭、尾部時(shí)，采用翼型樣板予以控制。

3 工件的檢查

　　3.1 葉片型線的檢查

　　葉片翼型的檢查分為中間過程的局部自檢和最終的全面測(cè)量。在加工過程中，編程人員給出固定截面的出水力厚度，機(jī)床操作者可隨時(shí)進(jìn)行自檢，有效防止誤走刀。葉片全數(shù)控加工后，可用檢測(cè)毛坯余量的3種手段測(cè)量葉片正、背面型線，將測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較(測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)通常在波谷)。

　　3.2 葉片進(jìn)、出水邊的檢查

　　將葉片全部鏟磨合格后，葉片的出水邊在機(jī)床上用卡尺直接測(cè)量出水邊的厚度，進(jìn)水邊用樣板按已有的正、背面截面線對(duì)齊，檢查葉片型線的準(zhǔn)確性。

4 缺陷、變形處理

　　鑄件缺陷是難以避免的，必須在加工前將缺陷清理干凈，少許的缺陷可在葉片最終加工后點(diǎn)焊處理;大量缺陷的處理要在早期未加工時(shí)進(jìn)行，嚴(yán)格按補(bǔ)焊工藝執(zhí)行，焊前局部預(yù)熱，補(bǔ)焊后退火消除焊接應(yīng)力。

　　鑄造毛坯葉片雖經(jīng)退火處理，其內(nèi)部仍存在一些殘余應(yīng)力，在加工過程中，由于葉片鑄造表層被破壞，以及切削展動(dòng)、切削熱等因素的影響，破壞了原有的應(yīng)力平衡，使應(yīng)力重新釋放，導(dǎo)致工件變形，在大型葉片上表現(xiàn)尤為突出，尤其在下環(huán)與出水邊交接處，翼型偏薄，極易產(chǎn)生變形，是導(dǎo)致出水邊余量出現(xiàn)負(fù)值的直接原因。如何控制工件變形，通過實(shí)踐與理論分析，得出幾點(diǎn)體會(huì):首先，葉片必須得到好的熱處理，將鑄造產(chǎn)生的殘余應(yīng)力減到最小淇次，劃檢時(shí)，整體葉片的加工余量盡可能分布均勻，當(dāng)余量出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，要進(jìn)行補(bǔ)焊、退火處理，消除焊接應(yīng)力;最后，加工時(shí)，在易變形區(qū)留少許余量，用以補(bǔ)償變形量。

5 結(jié)束語

　　葉片數(shù)控加工技術(shù)充分體現(xiàn)了高效、精確和規(guī)范等特性，不僅給轉(zhuǎn)輪焊接帶來方便，也使轉(zhuǎn)輪整體質(zhì)量上了一個(gè)新臺(tái)階，大大增強(qiáng)了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。