水輪機整鑄座環加工工藝方法*

徐建平，柏長友，楊 浩

(共享智能裝備有限公司，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

座環作為水輪機的關鍵部件，一般由上環板、下環板和若干固定導葉焊接而成。用于承受水輪機的軸向水推力，轉動及固定部分重量，以最小的水力損失將水流引入導水機構，機組安裝時以它為為基準[1]。隨著電站對水輪機安裝精度要求提高，為消除座環組焊引起的變形，越來越多的水輪機組件采用整體鑄造方式然后再使用數控機床加工來提高精度和縮短制造周期。座環整體鑄造，采用傳統模具制作周期長，成本高，無法滿足這種結構復雜，精度要求較高的鑄件質量要求。隨著集團公司3D打印技術的成熟，采用3D打印出砂型和砂芯，然后進行整體澆鑄為一整體，使用3D打印砂型技術費用低，制造周期短，鑄件外觀質量精度較高，完全能滿足鑄件質量要求。筆者通過介紹水輪機整鑄座環的結構特點和加工難點分析，得出了整鑄座環固定導葉加工工藝方法和加工編程方法，提高了整鑄座環固定導葉的型線加工精度，縮短了加工周期。對同類產品加工有一定的參考意義。

1 整鑄座環結構特點

如圖1所示的整鑄座環固定導葉與固定導葉繞圓周均勻排布相互疊加，外徑6 000 mm，內徑3 850 mm，總高度855 mm，固定導葉之間間距最小距離200 mm，共有20個固定導葉，鑄件凈重為20 t。

圖1 座環三維圖 圖2 座環固定導局部圖

水輪機固定導葉是座環的水流通道，是座環傳遞軸向載荷的支柱，又是過流面，所以必須要有足夠的強度、剛度和良好的水力性能，型線精度要求較高[2]。整鑄座環是上環板、下環板和固定導葉整體澆鑄為一體，固定導葉和固定導葉繞圓周均勻分布相互疊遮擋，整體澆鑄后由于工件凝固順序及工件從液態到固態的收縮會導致上環板和下環板中間的固定導葉間尺寸偏差較大，固定導葉型線精度靠鑄造無法滿足設計和使用要求，基于以上考慮上環板、下環板和固定導葉都需要加工。固定導葉相鄰間等距尺寸繞圓周均勻排布互疊加遮擋空間尺寸較小，加工時會出現刀軸干涉加工不到部位，無法滿足相鄰固定導葉間距尺寸幾何公差準確性的要求及型線精度要求，影響水輪機效率及穩定性[3]。

2 整鑄座環加工工藝難點分析

(1) 考慮到整鑄座環結構特殊性，固定導葉和固定導葉繞圓周均勻分布相互疊，常規劃線方法無法確定固定導葉的起始角度，機床加工找正困難，無法確定基準加工。

(2) 固定導葉與固定導葉沿圓周均勻排布相互疊加遮擋，加工時要保證進水邊和出水邊的基準統一才能保證固定導葉整體加工型線和相鄰間距，編程時難度大，一個程序無法滿足固定導葉完整曲面的加工，主要難度在于加工固定導葉相互遮擋部位，稍不注意就會發生刀具和固定導葉干涉現象，使加工無法進行[4]。如圖2座環固定導葉局部圖。

3 加工工藝優化方案

整鑄座環結構特殊性，固定導葉數量多，空間小。加工固定導葉使用計算機仿真模擬加工，是整鑄座環數控加工工藝中最關鍵和技術性最強的工作，是制定加工工藝方案和編制加工程序的基礎。利用UGNX編程軟件進行刀具軌跡仿真，通過仿真加工反復修改完善合理加工方案和具體的加工方法，進行刀具干涉檢查和機床運動仿真進行碰撞干涉檢查。結合本廠現有設備情況，制定加工工藝流程如圖3所示。

圖3 加工工藝流程

(1) 劃線，確定基準點，由于座環上環板、下環板，固定導葉整體鑄造為一體，首先對整鑄座環毛坯上環板、下環板和固定導葉的表面周圍放置圓形標志點和帶有環形編碼的標志點和全局標尺，采用專業數碼相機，全方位對整鑄座環進行拍照，獲取包含編碼標志點，非編碼點，全局標尺信息的照片。然后在計算機中導入所拍照片組進行圖像處理，測量出照片組中標點的二維坐標，然后根據二維坐標計算出所有標志點在空間中的三維坐標點，對所有點進行分析和理論三維模型擬合對比，計算出工件表面的加工余量，最后在整鑄座環每個固定導葉表面取加工葉型基準測量點。這樣大大節約了機床的找正裝卡時間，解決了確定起始角度定位和找正困難的問題。

(2) 車床粗加工上環板，下環板內孔端面，要求單邊留量2 m。

(3) 數控龍門銑加工固定導葉出水邊型線，按照劃線提供固定導葉表面測量基準點坐標，對工件進行找平，找正后按照車床加工內孔確定工件圓心。由于固定導葉繞圓周均勻分布20個，通過利用UGNX編程軟件進行刀具軌跡仿真模擬，調整葉型面與刀軸間夾角來確定刀軸旋轉角度。編程方式選用固定軸曲面輪廓銑(Fixed Contour)的深度輪廓加工方式，如圖3編程方式及刀具軌跡模擬。安裝角度頭附件旋轉刀軸至特定角度對固定導葉出水邊型線進行粗加工，單邊留量1 mm，每加工一個固定導葉旋轉一次角度頭附件，粗加工完后重新驗證工件找平，找正及坐標系后進行精加工，如圖4龍門銑加工。精銑程序加工方式和粗銑相同，導葉表面加工留量0.3 mm，用于打磨拋光，加工完后在上，下環板表面刻基準十字線。這樣有效的解決了固定導葉出水邊型線疊加遮擋部位的加工和加工編程中出現的刀具干涉碰撞問題。

圖4 加工編程方式及刀具軌跡模擬

(4) 鏜銑床加工固定導葉進水邊型線，使用帶回轉工作臺數控鏜銑床，放在機床回轉工作臺上以回轉中心為零點，按照龍門銑刻的基準十字線，作為起始角度，通過調整固定導葉與刀軸間夾角來加工表面。以其中一個固定導葉筋線為Z軸建立工件坐標系；由外及內，層層切削葉型表面加工至和內側加工區域相重合，加工完一個葉型刀具返回到安全平面，轉動工作臺，根據葉片數量，每轉一個角度對固定導葉表面由外至內層層切削加工，所有葉片在一次裝卡下完成加工，如圖5、6加工固定導葉進水邊。這樣有效的解決了固定導葉進水邊型線疊加遮擋部位的加工和加工編程中出現的刀具干涉碰撞問題。

圖5 龍門銑加工固定導葉出水邊 圖6 鏜銑床加工固定導葉進水邊

(5) 車床精加工按照龍門銑加工的基準面找平，找正，裝卡上環板車下環板其余面，裝卡下環板加工上環板其余面。

4 檢驗及效果

加工后的固定導葉型面檢測方法采用與測量鑄件毛坯類似的測量方法，即使用照相機拍照對加工完后的固定導葉和上環板，下環板的測量值和三維數模進行比較分析，測量結果完全符合圖紙技術要求，采用這種既準確又簡單的測量方法通過實踐驗證是切實可行的。

5 結 語

通過對整鑄座環的實踐加工驗證，這種加工方法能夠保證整鑄座環固定導葉葉型線尺寸準確，并且保證多個相鄰固定導葉間距尺寸公差要求，加工出表面波浪度比較小，表面粗糙度容易得到保證，加工完后流道面由鉗工手工打磨拋光以達到圖紙表面光潔度和波浪度要求，在加工過程中對刀具消耗較小，生產效率高，對同類產品的加工有重要的參考意義。