水輪機轉輪葉片數控加工初探

摘 要：近些年來，隨著我國科學技術的不斷進步，社會經濟的持續發展，我國在機械加工等方面的技術水平也有了質的飛躍。而在對水輪機加工工藝方面，通過對技術的不斷研究與探索，目前也有了新的進展。文章通過對中小型水輪機轉輪葉片的三維集合造型、曲面擬合以及數控加工工藝方法進行了較為詳細的分析與描述，并提出了相應的加工與保障方法，希望能夠為相關從業人員提供參考。

關鍵詞：水輪機轉輪葉片；幾何造型；數控加工；探討

1 概述

在水輪機中重要的一個部件就是水輪機轉輪葉片，它是不可忽略的一部分，它在加工制造上相對比困難大，這是由于其翼型是比較復雜的空間曲面組合而成的。這就給其加工上帶來了一定挑戰。在以往的加工工作中，通常使用鑄件人工對照樣板來進行鏟磨，雖然這樣的方式較為傳統，具有很多優點但其缺憾之處也是不可忽視的。比如，這種傳統的加工方法耗費的勞動力較大，所需勞動強度過高，并且其工作環境無法得到保障，導致效率低下。這也給產品的質量帶來了一定風險，無法得到保障。葉片的質量有著十分重要的影響，其關系到整個機組振動，空蝕，水利效率等等。其中手工鏟磨是數控加工中首先要解決的問題，從這方面進行提高能夠將產品質量有效提高。

2 葉片的幾何造型

引進美國公司的PersonalDesigner Revision 6.0和Personai Machinist Revision5.0是一個圖形自動編程系統，具有良好的用戶開發界面，它能用nurbs（非均勻有理B樣條）方法，提供精確單一的幾何模型，以及統一的曲面與實體的數據結構。可以利用nurbs方法來表示二次曲線、曲面，并且利用這種方法進行的描述可以調節參數，運用起來非常的靈活方便，對控制曲線曲面的形狀非常有用。

3 葉片的裝夾與定位

3.1 葉片裝夾的工裝

葉片的定位與裝夾是數控加工中的重要環節，在具體的加工工作中還需注意幾個坐標系的位置，要保證機床坐標系、工件坐標系以及編程坐標系的重合度。當三者重合后，對于葉片的加工才能更加精準，否則想要加工出全部葉片則會有些困難。可利用成型胎具和點定位裝夾方法并根據葉片與胎具的對應面，可編制出胎具上曲面的加工程序以及葉片曲面的加工程序，在同一坐標系下完成。為了能夠更好地確保在裝夾后葉片在坐標系的統一，可按照胎具曲面加工程序加工好胎具，并設置好機床的對刀位。毛坯在成型面上比較容易產生過定位，而對于這個情況的改進則需要先對胎具進行一定的修改，并確定方法。可利用局部型面點定位結合的措施，并粗定位葉片，調整每一個定位點，從而使得葉片與胎具能夠較大貼合的更為緊密，并可作為靠模基準。這樣利用點和局部姓面的胎具來裝夾與定位，裝夾速度迅速，并可靈活調整。這種措施可以稱之為在加工中小型葉片中效率較高的措施。加工完成一面后，剩余一面的加工葉片則反轉一百八十度，放于成型胎具內。這樣一來，葉片、胎具可貼合精準，定位準確，裝夾迅速。

3.2 葉片定位誤差的檢測

葉片裝夾定位誤差需要通過檢測來進行，只有誤差符合標準才能夠繼續下一步也就是切削。如果誤差超出所規定的范圍還強行進行切削的話則會導致加工余量不足，無法完成加工工作。由于在線測量系統缺乏，可利用較為簡單的措施開展葉片毛坯裝夾之后的定位誤差檢測，并進行估算。下面說到的這種方法較為簡單，通常可以將誤差控制在小于2.5mm內，能夠滿足要求。這是利用葉片木模圖所得到的邊界上的4個尖點距離軸心位置，確定虛擬軸線，從而得出葉片的空間位置。將這4點的數據轉換到與機床坐標系相同的直角坐標數據，從而得到每個點的數據。這種利用坐標軸測四個點坐標值的辦法盡管還存在一定問題，但已經能夠滿足要求。除此之外，還有一種方法也能控制誤差在規定范圍內，可滿足毛坯定位要求。這種方法則是利用從出水邊和進水邊外的加工程序檢出。這個方法在數值上一樣不能夠十分精準，但卻能對加工過程有大概的呈現，具有一定效果。

4 加工程序的形成

強勁的前置處理能力和通用后置處理能力是PD6/PM5所能提供的數控能力。它能夠在葉片幾何模型完成后確定出裝夾與定位的方式，如果坐標系能夠統一，那么還可對程序進行編制與加工設計。利用ISO加工方法來確定走刀方式、加工步距、步長、轉速等等。自動生成道具軌跡，如若想觀看到動態模擬加工的情形可以通過大屏幕顯示器來觀看，一目了然。切削曲面的參數線分布是曲面參數線加工方法的主要特點，同時作為坐標數控加工，生產刀具的重要措施。它的優勢在于能夠令刀具沿參數化方向切削。這樣可以使應用更為便捷。

5 加工程序的傳遞

將已完成的加工程序通過DNC通訊傳達到機床，機床得到指令后可按照程序來工作，如果遇到葉片加工程序比容量要大的情況，則需分為多次進行傳遞，從而完成整個交工過程。此外，還可將加工程序分為幾段來進行工作。每段都擁有獨立的加工程序。按照規定的順序來確定正確的加工順序，按照正確順序分時段地將程序段推送到機床程序存儲器，保證加工的順利進行。

6 加工精度及檢測

通過對試加工葉片進行靠樣板檢查，正背面平均間歇零點五毫米，表面的粗糙度為6.3μm，而鏟磨葉片所要求的靠樣板平均間歇要控制在1.6毫米以內，為優等品。加工后質量有明顯提高，唯一不足為表面稍微粗糙。想要改進表面的粗糙程度可通過減少加工步距來實現，加工時間較長，效率低，因此要選擇合適的加工參數不但能夠滿足加工精度還能夠滿足工作效率。加工后通過鏟磨消除刀紋，也可提高其表面粗糙度。

7 結束語

想要提高水輪機轉輪的質量以及水輪機整體質量，則需要通過利用葉片數控加工的方式來實現。雖然，在葉片加工上已經獲得了不小的進步，但在實際工作環節中還存在著一些問題有待解決，從而不斷提高工作效率。首先，要提高葉片加工的裝夾工裝對效率的影響，葉片的裝夾工作占用時間較長，在裝夾定位和準備時間使整個加工時間的三分之一。對于這一點，可以通過改進采用局部型面以及點定位的方法來提高裝夾速度，可對小批量生產上有一定的提高，但是此種方法是否存在局限性還有待探討。比如，在大型葉片上這種方法能否發揮有效作用，還需拭目以待。其次，加工余量對于加工效率同樣有著十分重要的影響。所以在加工余量的選擇上要盡量適當。尤其是在葉片裝夾定位較為精準的時候，適當選擇加工余量，能夠在粗銑時提高切削速度，使加工效率更高。最后，機床數控系統的優劣是影響加工精度和加工效率的重要因素之一，數控系統較好，對數據處理的速度就快，機床加工的連續性也會相對較好，加工后的表面質量也會相對提高。另外，還要保證系統程序存儲器有足夠的容量，以免加工程度分段過多浪費時間。

綜上所述，數控設備加工水輪機葉片是可行的，其水輪機轉輪的質量也有了顯著提高。但在其實際操作中還存在一些問題與不足，以待解決與完善，這也是工作人員需要不斷研究與分析的。

參考文獻

[1]機電一體化技術手冊編委會.機電一體化技術手冊（下冊）[S].北京：機械工業出版社，1994，2.

[2]計算機輔助設計與制造.基于NURBS的雕塑實體造型系統[Z].1996，4.

[3]宋文騏，張彥才.機械制造工藝過程自動化[M].云南人民出版社.

[4]劉雄偉，等.數控加工理論與編程技術[M].北京：機械工業出版社， 1994.