基于UG的大型水輪機葉片多軸數控加工研究

楊林建

（四川工程職業技術學院，四川德陽 618000）

1 概述

水輪機轉輪是水輪發電機組的心臟，其葉片的制造技術和制造質量直接影響機組運行的水力性能和可靠性。其葉片為非常復雜的雕塑曲面體零件，在大中型機組制造工藝上，長期以來采用“砂型鑄造—砂輪鏟磨—立體樣板檢測”的制造工藝，不僅生產效率低，葉片型面精度難以保證，且手工砂輪鏟磨的勞動強度大，工作環境非常惡劣，已不能滿足技術進步的要求，也不能有效地保證葉片型面準確性和制造精度。大型水輪機葉片的數控加工工藝設計技術是當今世界發電設備制造業中的關鍵技術之一，也是當今機械加工技術中的尖端技術。它涉及到計算機輔助產品的三維造型，計算機仿真模擬加工，五軸聯動CNC技術，復雜的金屬切削技術，三維曲面型面測量及定位技術，以及毛坯制造等。本次研究的葉片進水邊長約3.7 m，出水邊約6.8 m，上冠、下環約7 m，整個葉片背面約36 m2，毛坯重25～28 t，成品重18 t。結構示意如圖1所示，由于葉片與上冠和下環的交線較普通葉型長，扭曲程度也較普通葉型大，葉片出口邊不在同一軸面內，因此給加工機床選擇以及加工工藝和仿真編程造成了很大的困難。

2 加工工藝分析

水輪機葉片的主要工作面是復雜的三維雕塑曲面，對其測量的主要目的是要獲取曲面上測點的實際位置到理論曲面的法向距離。要完成這種測量，一般的測量儀器是無法承擔的。目前，國內外通常采用兩種方法進行，一種是直接測量法，另一種是間接測量法。

2．1 數據計算

在測量中其實只是做了數據的采集工作，因為葉片毛坯是不規則的實體，所以采集的數據未經處理前是雜亂的數據，必須計算整理才能得到理想數據。數據計算的過程其實就是與葉片實體模型比較的過程。

數據逆向是將從三維測量中獲取的數據轉換為點云數據，再進一步轉換為曲面的過程。這一過程通常在逆向工程軟件上實現。目前，比較流行的逆向工程軟 件 有 UG/IMAGEWARE，GEOMAGICSTUDIO，COPYCAD等。本例使用的軟件是與四川大學聯合二次開發的AutoCAD。

為了將同一物理模型上分次掃描的點重新組合起來，一些掃描儀在同一時間僅能掃描模型的一側，這樣就需要將模型不同的側面對齊變成1個點云。

對于又大又重的葉片毛坯，在進行三維測量時每次只能測量其1個面的數據，這樣正背兩面的數據為不同坐標系下的點位，在沒有處理前為不相關的點，如圖2所示。

2．2 機床選擇

目前，國內外通常用于水輪機葉片數控加工的機床多為龍門式三軸或五軸聯動數控銑床和立式三軸或五軸聯動數控鏜銑床，對于不同形式的葉片和不同的加工精度和效率要求，可根據具體情況選擇不同的機床進行加工。針對該葉片體積大、加工要求高、加工難度大等特點，選用5FZG龍門移動式數控天橋銑，機床結構如圖3所示。該機床為NC頭雙搖擺結構，B軸、C軸轉動范圍為 －105°≤B≤105°，0°≤C≤360°，工作臺面尺寸為14 000 mm×6 000 mm，加工極限為14 500 mm×6 800 mm×4 500 mm，西門子840D控制系統，主軸加工功率35 kW，BT60～50結構。主軸轉速0～2 000 r/min。

2．3 加工部位與加工區域的劃分

葉片正背面各分為2個區域進行加工，其原則是在機床與工件、夾具不碰撞和干涉情況下，盡量加大A區域以提高加工效率，如圖4所示。

2．4 刀具選擇

在選用刀具時，不僅要根據機床的功率、銑頭的轉速、葉片材質及刀具和刀片的有關切削參數作計算，而且更進一步要根據后述的仿真加工將其刀盤、刀片及刀桿和銑頭進行仿真和干涉檢查。如刀具干涉，必須修改刀具方案及加工方法，最后確定的刀具必須在仿真和干涉檢查驗證方面沒有問題。在機床功率、銑頭轉速范圍和機床剛性足夠的條件下，仿真加工采用不同直徑刀具進行計算，盡量采用直徑大小適中的刀具，以提高加工效率的同時保護機床。對于該加工葉片，經過計算和仿真加工驗證，對于A區域，采用直徑為160 mm、刀尖圓弧為R10 mm、具有8個切削刃的重型切削曲面面銑刀;B區域采用直徑為100 mm、刀尖圓弧為R8 mm、具有6個切削刃的面銑刀;焊接坡口采用直徑為100 mm、刀尖圓弧為R10 mm的面銑刀，如圖5所示;進出水邊采用可大進刀量的φ80 mm螺旋玉米立銑刀，如圖6所示。

2．5 工件找正

加工水輪機葉片的廠家大都采用胎具找正的方法，即把葉片放到胎具的固定位置，胎具放到機床的固定位。該方法的好處是一套程序加工一臺機組的葉片，但由于混流式水輪機葉片形狀的特殊性，找正非常困難，占用大量的機床時間，以及易造成葉片翻面加工時的正、背面錯位;且找正基準的胎具造價極高。這種找正方法的第一面的找正只是一個粗找正，為保證整個葉片都能被加工到，要求毛坯余量相對大很多，這就造成葉片加工成本太高?，F設計一種新的找正方法，即三點找正法（圖7）。裝夾時除了用三點定位外，還需要在葉片上焊上拉耳、頂塊以便葉片固定于機床平臺上（圖8）。

3 數控加工

在加工葉片型面時，選擇沿葉片造型的參數線方向為FLOWLINE銑削加工方向，此方向葉片型面的曲率變化較小，有利于切削工藝性能改善。在不同區域采用不同的刀具和刀軸控制方式，以盡量提高加工效率。加工關鍵在于利用計算機仿真加工技術，同時，大型葉片五軸聯動數控加工的自動編程考慮的問題較多，必須通過計算機仿真驗證，通過仿真加工反復修改完善，尋求合理加工方案。該葉片采用UG軟件進行二次開發來實現仿真加工。葉片的加工編程模擬如圖9所示。

在UG/CAM中生成的工件加工軌跡中，刀軌文件中包含切削點刀心數據的GOTO語句，及控制機床的其他指令信息。這些刀軌文件不能直接驅動機床，所以刀軌文件必須經過后處理。

加工仿真通常用VERICUT軟件進行。利用UG構造出加工葉片所用NC銑頭，調入VERICUT軟件中，根據銑頭結構和運動關系，按VERICUT軟件要求定義出銑頭上的主動軸（Primary Geometry）和從動軸（Secondary Geometry），并規定第4軸和第5軸的關系，如圖10所示。

在Simulation中采用連續或單步控制模擬加工過程中銑頭和刀桿的空間運動，檢查銑頭和刀桿與工件和夾具是否有碰撞和干涉，如圖11所示。

葉片加工分為型面、坡口、頭尾部加工及數控打標記等4部分，加工示意如圖12。

型面加工用盤銑刀，分粗、精銑工序。粗銑時，可加大排刀間距及切深，加冷卻液，提高加工效率，同時可使葉片充分釋放應力，防止精加工后再變形;在國內某大型機組上，曾發生葉片經粗銑后，工件變形達4 mm左右。精銑時，加密排刀、減小切深，雖效率降低，但表面波浪度及粗糙度值減小，改善過流面質量。

坡口加工，在數控銑頭轉角允許的情況下，盤銑刀加工可加大走刀量，一次加工到位。經數控加工的坡口，可大大提高裝配精度，使坡口焊量均勻。

頭尾部加工的關鍵是其形狀保證。加工中，如果無限細化直線段，勢必降低加工效率，提高成本。采用棒銑刀或球頭刀按其包絡線加工，加工成多邊形，最終按樣板修磨。

銑削方式對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入，刀具磨損小，并能獲得良好的表面粗糙度。

4 結語

水輪機轉輪葉片五軸聯動數控加工技術是當今世界發電設備制造業中的尖端技術之一，大型水輪機葉片五軸聯動數控加工涉及到計算機輔助產品三維造型技術，計算機模擬及仿真加工技術，五軸聯動加工機床仿真及后置處理，針對葉片的合理加工工藝方案，裝夾定位技術與夾具設計與制造，加工方案配以合理的刀具和切削參數，以及毛坯制造等多個環節和多方面的技術?？梢哉f，每個環節和涉及到的技術都是新技術問題。有關技術人員經過不懈的艱苦努力，作了大量的基礎開發工作，從加工后的葉片測量數據分析，加工精度已達到國際先進水平，從加工過程來看，加工效率已接近國際先進水平。該技術的開發成功，具有很好的社會和經濟效益，對整個水輪機制造行業的技術進步，提高我國水電設備制造業的市場競爭力都有著重要的意義。

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