基于CAD/CAM的水輪機活動導葉數控加工

韓麗娜，王兆峰

（國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，都江堰 611830）

加工與制造

基于CAD/CAM的水輪機活動導葉數控加工

韓麗娜，王兆峰

（國網四川省電力公司映秀灣水力發電總廠，都江堰 611830）

介紹了水輪機活動導葉的數控加工方法，基于CAD/CAM從三維建模、編制程序、仿真和驗證程序等方面進行了研究，最終從理論和實踐上進行了精確的驗證，保證了水輪機導葉的加工質量和精度。

水輪機活動導葉；CAD/CAM；數控加工

0 引言

水輪機活動導葉是水輪發電機組導水機構中最重要的鑄鍛件之一，由于其曲面復雜、加工精度要求高，在數控加工時若采用手工數控編程設計工作量大、加工周期長，且不容易發現程序漏洞。

本文基于CAD/CAM技術（計算機輔助設計和計算機輔助制造技術）來設計漁子溪電站水輪機活動導葉的數控銑削程序，可有效保證導葉的尺寸加工要求。

1 三維造型

活動導葉的正背面都是直紋曲面，正背面的端面則是由球面片體構成。本文按圖紙要求的尺寸，用三維坐標點來描述來模型，造型方式是將三維坐點用局部逼近的方法生成導葉截面的樣條曲線，再通過拉伸掃掠曲線的方法生成曲面。

1.1 零件草圖

活動導葉的截面線是樣條曲線，首先根據活動導葉圖紙要求的形狀和尺寸，繪制活動導葉的零件草圖，如圖1所示。 樣條曲線的構造質量直接決定了活動導葉的曲面質量，所以在繪制草圖時要保證樣條曲面的位置連續，切線連續和曲率連續。

1.2 曲面造型

圖1 導葉零件草圖

通過拉伸方式形成活動導葉正背面的直紋曲面，再通過掃掠和樣式圓角等三維特征創建導葉的過渡曲面，將過渡面和直紋曲面進行布爾運算，最終形成導葉的三維實體模型。

圖2 導葉三維實體模型

2 數控編程及仿真

根據建立的活動導葉三維實體模型，在計算機中制定工藝路線。在加工活動導葉型面時，選擇合理的加工走刀方向，直接關系到加工效率的高低。從活動導葉型面特點來看，沿參數線加工是加工效率較高的走刀方式。根據不同加工區域的曲面特點，選擇合理的加工走刀控制方法來計算出各區域的加工刀位，最終生成加工時的刀具運動軌跡，再編輯出適應數控銑床的后處理文件，做出相應的數控程序。

本文根據導葉的工藝路線和工序內容，最終生成粗銑、半精銑、精銑三個工序的刀具軌跡和仿真路線，這些刀具軌跡可根據計算機上對參數的修訂來優化，任意修改一個參數都可以馬上生成新的數控加工程序，可實現制造的柔性化。

圖3 數控編程

經過碰撞干涉檢查后，再檢查數控加工區域劃分是否合理。為了機床和工件的安全，進行計算機加工仿真以防止銑頭碰撞和刀具干涉，如圖4所示。

圖4 計算機仿真

3 驗證程序

每套導葉的數量較多，為保證后續自動加工批量導葉時安全可靠，本文選擇采用石蠟材料進行試驗，石蠟硬度相對較軟，對刀具幾乎沒有磨損，并具有可回收性和反復使用性，可以降低成本，并確保人身和設備安全。還可以在石蠟材料上采用不同的走刀方向和切削用量反復試驗，對比不同參數對導葉加工質量的影響，最終尋找出最優的刀具軌跡，不但可以提升導葉的加工精度，加工效率也會大大提高。

圖5 石蠟上驗證程序

4 實際加工

在四軸XK2420B數控定梁龍門式銑床的固定工作臺上，吊裝導葉裝夾在C軸上并找正，測量工件零點并置于G54零偏寄存器，用樣板檢查程序檢查并標記余量，若總體上有余量，裝夾拉緊，然后按要求進行檢查，達到加工要求方可進加工。再將驗證后準確無誤的數控程序即NC代碼，傳輸至四軸XK2420B數控定梁龍門式銑床上。經過對刀、設定零點偏置等操作后，就可以實現導葉的自動加工。

加工時按照工藝確定的加工工藝方案進行有序加工，如圖6所示。正面加工完后，將C軸翻轉180°，再進行背面的加工。

圖6 實際加工導葉

5 結論

本技術作為水輪機導葉數控加工的通用技術，為導葉加工提供了標準工藝和精準的數控程序，能夠批量加工出高精度的導葉，效率高，安全可靠 ，將其廣泛應用于各種水輪機導葉的制造，不僅能有效地保證導葉型面的質量，而且還能大大縮短導葉生產周期，減少傳統工藝中的大量工裝，在技術和經濟上都有著明顯的效益。

[1] 李樹偉.三峽水輪機模型活動導葉數控加工特點[J].大電機技術,2004(3):52-56.

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[3] 陳先鋒.SIEMENS數控技術應用工程師[M].2011.

water turbine guide vane NC machining based on CAD/CAM

HAN Li-na, WANG Zhao-feng

TH162

B

1009-0134(2017)04-0038-02

2016-10-31

韓麗娜（1985 -），女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論。