水轮机转轮叶片数控加工初探

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摘 要：近些年来，随着我国科学技术的不断进步，社会经济的持续发展，我国在机械加工等方面的技术水平也有了质的飞跃。而在对水轮机加工工艺方面，通过对技术的不断研究与探索，目前也有了新的进展。文章通过对中小型水轮机转轮叶片的三维集合造型、曲面拟合以及数控加工工艺方法进行了较为详细的分析与描述，并提出了相应的加工与保障方法，希望能够为相关从业人员提供参考。

关键词：水轮机转轮叶片；几何造型；数控加工；探讨

1 概述

在水轮机中重要的一个部件就是水轮机转轮叶片，它是不可忽略的一部分，它在加工制造上相对比困难大，这是由于其翼型是比较复杂的空间曲面组合而成的。这就给其加工上带来了一定挑战。在以往的加工工作中，通常使用铸件人工对照样板来进行铲磨，虽然这样的方式较为传统，具有很多优点但其缺憾之处也是不可忽视的。比如，这种传统的加工方法耗费的劳动力较大，所需劳动强度过高，并且其工作环境无法得到保障，导致效率低下。这也给产品的质量带来了一定风险，无法得到保障。叶片的质量有着十分重要的影响，其关系到整个机组振动，空蚀，水利效率等等。其中手工铲磨是数控加工中首先要解决的问题，从这方面进行提高能够将产品质量有效提高。

2 叶片的几何造型

引进美国公司的PersonalDesigner Revision 6.0和Personai Machinist Revision5.0是一个图形自动编程系统，具有良好的用户开发界面，它能用nurbs（非均匀有理B样条）方法，提供精确单一的几何模型，以及统一的曲面与实体的数据结构。可以利用nurbs方法来表示二次曲线、曲面，并且利用这种方法进行的描述可以调节参数，运用起来非常的灵活方便，对控制曲线曲面的形状非常有用。

3 叶片的装夹与定位

3.1 叶片装夹的工装

叶片的定位与装夹是数控加工中的重要环节，在具体的加工工作中还需注意几个坐标系的位置，要保证机床坐标系、工件坐标系以及编程坐标系的重合度。当三者重合后，对于叶片的加工才能更加精准，否则想要加工出全部叶片则会有些困难。可利用成型胎具和点定位装夹方法并根据叶片与胎具的对应面，可编制出胎具上曲面的加工程序以及叶片曲面的加工程序，在同一坐标系下完成。为了能够更好地确保在装夹后叶片在坐标系的统一，可按照胎具曲面加工程序加工好胎具，并设置好机床的对刀位。毛坯在成型面上比较容易产生过定位，而对于这个情况的改进则需要先对胎具进行一定的修改，并确定方法。可利用局部型面点定位结合的措施，并粗定位叶片，调整每一个定位点，从而使得叶片与胎具能够较大贴合的更为紧密，并可作为靠模基准。这样利用点和局部姓面的胎具来装夹与定位，装夹速度迅速，并可灵活调整。这种措施可以称之为在加工中小型叶片中效率较高的措施。加工完成一面后，剩余一面的加工叶片则反转一百八十度，放于成型胎具内。这样一来，叶片、胎具可贴合精准，定位准确，装夹迅速。

3.2 叶片定位误差的检测

叶片装夹定位误差需要通过检测来进行，只有误差符合标准才能够继续下一步也就是切削。如果误差超出所规定的范围还强行进行切削的话则会导致加工余量不足，无法完成加工工作。由于在线测量系统缺乏，可利用较为简单的措施开展叶片毛坯装夹之后的定位误差检测，并进行估算。下面说到的这种方法较为简单，通常可以将误差控制在小于2.5mm内，能够满足要求。这是利用叶片木模图所得到的边界上的4个尖点距离轴心位置，确定虚拟轴线，从而得出叶片的空间位置。将这4点的数据转换到与机床坐标系相同的直角坐标数据，从而得到每个点的数据。这种利用坐标轴测四个点坐标值的办法尽管还存在一定问题，但已经能够满足要求。除此之外，还有一种方法也能控制误差在规定范围内，可满足毛坯定位要求。这种方法则是利用从出水边和进水边外的加工程序检出。这个方法在数值上一样不能够十分精准，但却能对加工过程有大概的呈现，具有一定效果。

4 加工程序的形成

强劲的前置处理能力和通用后置处理能力是PD6/PM5所能提供的数控能力。它能够在叶片几何模型完成后确定出装夹与定位的方式，如果坐标系能够统一，那么还可对程序进行编制与加工设计。利用ISO加工方法来确定走刀方式、加工步距、步长、转速等等。自动生成道具轨迹，如若想观看到动态模拟加工的情形可以通过大屏幕显示器来观看，一目了然。切削曲面的参数线分布是曲面参数线加工方法的主要特点，同时作为坐标数控加工，生产刀具的重要措施。它的优势在于能够令刀具沿参数化方向切削。这样可以使应用更为便捷。

5 加工程序的传递

将已完成的加工程序通过DNC通讯传达到机床，机床得到指令后可按照程序来工作，如果遇到叶片加工程序比容量要大的情况，则需分为多次进行传递，从而完成整个交工过程。此外，还可将加工程序分为几段来进行工作。每段都拥有独立的加工程序。按照规定的顺序来确定正确的加工顺序，按照正确顺序分时段地将程序段推送到机床程序存储器，保证加工的顺利进行。

6 加工精度及检测

通过对试加工叶片进行靠样板检查，正背面平均间歇零点五毫米，表面的粗糙度为6.3μm，而铲磨叶片所要求的靠样板平均间歇要控制在1.6毫米以内，为优等品。加工后质量有明显提高，唯一不足为表面稍微粗糙。想要改进表面的粗糙程度可通过减少加工步距来实现，加工时间较长，效率低，因此要选择合适的加工参数不但能够满足加工精度还能够满足工作效率。加工后通过铲磨消除刀纹，也可提高其表面粗糙度。

7 结束语

想要提高水轮机转轮的质量以及水轮机整体质量，则需要通过利用叶片数控加工的方式来实现。虽然，在叶片加工上已经获得了不小的进步，但在实际工作环节中还存在着一些问题有待解决，从而不断提高工作效率。首先，要提高叶片加工的装夹工装对效率的影响，叶片的装夹工作占用时间较长，在装夹定位和准备时间使整个加工时间的三分之一。对于这一点，可以通过改进采用局部型面以及点定位的方法来提高装夹速度，可对小批量生产上有一定的提高，但是此种方法是否存在局限性还有待探讨。比如，在大型叶片上这种方法能否发挥有效作用，还需拭目以待。其次，加工余量对于加工效率同样有着十分重要的影响。所以在加工余量的选择上要尽量适当。尤其是在叶片装夹定位较为精准的时候，适当选择加工余量，能够在粗铣时提高切削速度，使加工效率更高。最后，机床数控系统的优劣是影响加工精度和加工效率的重要因素之一，数控系统较好，对数据处理的速度就快，机床加工的连续性也会相对较好，加工后的表面质量也会相对提高。另外，还要保证系统程序存储器有足够的容量，以免加工程度分段过多浪费时间。

综上所述，数控设备加工水轮机叶片是可行的，其水轮机转轮的质量也有了显著提高。但在其实际操作中还存在一些问题与不足，以待解决与完善，这也是工作人员需要不断研究与分析的。

参考文献

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