沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水斗整體數(shù)控加工工藝及編程技術(shù)的研究

王 波 , 劉獻(xiàn)禮, 杜金成, 徐 雷, 岳彩旭

( 1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040; 2. 哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150080 )

1 概述

沖擊式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率平緩、使用水頭高、抗泥沙磨蝕性能好等優(yōu)點，因此，國內(nèi)外在100-1770m水頭范圍內(nèi)，廣泛選擇沖擊式機(jī)組。沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪也稱水斗（如圖1所示），目前國內(nèi)外水斗有三種制造工藝：整鑄打磨、整鑄數(shù)控加工、整鍛數(shù)控加工。以往，國內(nèi)生產(chǎn)廠家大都采用整鑄打磨成型，其水斗型線誤差大，性能難以保證。由于制造缺陷，斷斗現(xiàn)象時有發(fā)生，給水電站造成巨大損失。轉(zhuǎn)輪整體鍛造后數(shù)控加工，不僅可以保證水斗的型線和尺寸公差，保證其水力性能，還能有效防止斷斗現(xiàn)象，延長轉(zhuǎn)輪的使用壽命。

2 沖擊式轉(zhuǎn)輪制造的發(fā)展歷程

2.1 非數(shù)控加工

在上世紀(jì)70年代前，受鑄造技術(shù)的限制，水斗式轉(zhuǎn)輪常見的形式為裝配組合方式，如圖2a所示。其優(yōu)點是容易鑄造、個別水斗損壞時換修方便。但把合螺栓承受巨大的脈沖載荷，容易斷裂。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了鑄焊轉(zhuǎn)輪，如圖2b所示。但是焊接質(zhì)量直接關(guān)系到轉(zhuǎn)輪的壽命，在使用過程中易出現(xiàn)裂焊或者應(yīng)力集中等現(xiàn)象。鑄造技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了整鑄轉(zhuǎn)輪的出現(xiàn)，如圖2c所示。其加工過程為先鑄造轉(zhuǎn)輪毛坯，然后利用樣板手工打磨轉(zhuǎn)輪的水斗。鑄件的強度和質(zhì)量決定水斗的使用水頭，在運行過程中，往往會出現(xiàn)斷斗現(xiàn)象。

圖1 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水斗

隨著CAD/CAM技術(shù)、刀具技術(shù)、金屬切削技術(shù)和數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，數(shù)控加工的水斗結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。

圖2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪非數(shù)控加工結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)控加工

在數(shù)控加工轉(zhuǎn)輪技術(shù)出現(xiàn)初期，由于尺寸限制，水斗不能一次成型，經(jīng)歷了分鑄和微焊兩個過程，即數(shù)控加工和焊接組合，如圖3a所示。這種結(jié)構(gòu)雖然降低了數(shù)控加工的難度，但必須留有較大的微焊余量二次數(shù)控加工，且焊接部分的應(yīng)力控制很困難。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪實現(xiàn)了整體數(shù)控加工，如圖3b所示。這種方法不但提高了水斗型線的準(zhǔn)確性，而且能夠解決斷斗問題。目前，鍛造毛坯或鑄造毛坯整體數(shù)控加工已代表沖擊式轉(zhuǎn)輪制造發(fā)展的主流方向。

圖3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

3 沖擊式轉(zhuǎn)輪整體數(shù)控加工方案

國外鍛造后整體機(jī)械加工轉(zhuǎn)輪多采用專用水斗轉(zhuǎn)輪加工機(jī)床---數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)合五軸數(shù)控加工。限于國內(nèi)沒有專用機(jī)床以及國內(nèi)三軸設(shè)備較多的現(xiàn)狀，研究直接使用普通轉(zhuǎn)臺的三軸機(jī)床來加工水斗轉(zhuǎn)輪具有很重要的意義。一般情況下,自由曲面都采用五軸加工，對于含有諸多自由曲面且形狀極其復(fù)雜的水斗轉(zhuǎn)輪的整體數(shù)控加工用三軸機(jī)床來實現(xiàn)，要完全達(dá)到五軸機(jī)床相同的加工結(jié)果，是實現(xiàn)整體數(shù)控加工水斗需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)輪整體加工制造技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 整體數(shù)控加工水斗轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)方案

以某電站節(jié)圓直徑 1.74m，最大外徑 2.048m的21個水斗的原型機(jī)轉(zhuǎn)輪為依托，其材質(zhì)為0Cr13Ni4Mo的實際轉(zhuǎn)輪進(jìn)行示范驗證。該轉(zhuǎn)輪的理輪重量2.43t，毛坯重約9t，加工量為整個毛坯重量的73%，這樣大的加工余量必須提高數(shù)控加工的效率，因為過長的加工周期對企業(yè)來說是難以承受的，因此，合理的加工工藝對整體數(shù)控加工轉(zhuǎn)輪至關(guān)重要。

3.1 夾具設(shè)計

圖5 夾具設(shè)計原則

圖5及圖6顯示了本項目夾具實際的原則和優(yōu)勢。

圖6 夾具設(shè)計優(yōu)勢

圖7 插銑現(xiàn)場加工

3.2 切削方式的選擇

3.2.1 插銑加工法

插銑法(plunge milling)又稱為Z軸銑削法，是實現(xiàn)高切除率金屬切削最有效的加工方法之一。對于難加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具懸伸長度較大的加工，插銑法的加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的端面銑削法。事實上，在需要快速切除大量金屬材料時，采用插銑法可使加工時間縮短一半以上[1]。

插銑法由于其在技術(shù)上的不斷成熟和其優(yōu)點，近年來在機(jī)械加工中應(yīng)用越來越廣泛。因此，在加工整體轉(zhuǎn)輪大余量的去除和粗、半精加工過程中非插銑刀不可。

但插銑刀只有刀具外徑具有刀片的部分參與切削，必須有進(jìn)刀的空間，進(jìn)刀和走刀方式都極其嚴(yán)格，因此編程相當(dāng)困難。

3.2.2 高速切削加工法

小切深大進(jìn)給是現(xiàn)代快速去除大余量的發(fā)展方向，得到工業(yè)界越來越廣泛的應(yīng)用，它相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體來說有以下特點：

（1）可提高生產(chǎn)效率：高速切削加工允許使用較大的進(jìn)給率，比常規(guī)切削加工提高5～10倍，單位時間材料切除率可提高3～6倍。

（2）加工能耗低，節(jié)省制造資源：由于單位功率的金屬切除率高、能耗低、工件的在制時間短，從而提高了能源和設(shè)備的利用率，降低了切削加工在制造系統(tǒng)資源總量中的比例[2]。這些特點正符合整體水斗加工的需要，因此，高速加工切削法也是水斗加工的一種選擇。

上述兩種方法的合理結(jié)合是提高整體水斗加工效率必不可少的工藝方案。

3.3 刀柄設(shè)計及優(yōu)化

本項目所研究的水斗的尖部到根部的距離465mm，而最底部只能容納φ20 mm的刀具，加工過程中所需刀具的長度和直徑比已達(dá)到了1：14.9，為此，本項目通過不銹鋼插銑實驗，對比了不同加工條件下刀柄震動和插銑加工表面質(zhì)量，為減小刀具撓曲變形和防止發(fā)生振顫提供了原始數(shù)據(jù)；通過建立切削條件和切削力的數(shù)學(xué)模型，建立了切削條件與刀具和刀柄強度之間的關(guān)系，為加工條件的優(yōu)化和刀柄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)；應(yīng)用振動學(xué)及金屬切削理論和CAD/CAM/CAE技術(shù)，優(yōu)化刀具的選擇和切削參數(shù)的配匹。通過理論計算并依據(jù)刀具在切削過程中切觸點的位置和受力方向進(jìn)行了有限元分析，定制了特殊材質(zhì)的錐度刀柄。圖8所示出了由于刀柄過長所產(chǎn)生的振動造成了刀具的損壞。

圖9和圖10顯示了刀柄受力有限元分析情況，從圖中可以看出刀柄根部受到的應(yīng)力最大，但始終是在加工過程中受到的最大應(yīng)力范圍之內(nèi),說明自主設(shè)計的刀柄符合加工要求。

圖8 振動造成的刀具損壞

圖9 有限元網(wǎng)格剖分

圖10 整體與局部放大應(yīng)力分布

4 數(shù)控加工程序編制

沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有著緊湊的斗式結(jié)構(gòu)和單個水斗狹長的特點(如圖11所示)，在整體數(shù)控加工過程中，出現(xiàn)很多工藝難點和數(shù)控編程難點，因此需要對傳統(tǒng)的三軸銑削加工方式做出改進(jìn)和優(yōu)化，以能更好地和更安全地整體加工出沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

圖11 緊湊的斗式結(jié)構(gòu)和單個水斗的狹長結(jié)構(gòu)

加工轉(zhuǎn)輪水斗曲面時，除了刀具與被加工水斗之間發(fā)生干涉外，刀具極易與相鄰水斗發(fā)生干涉，怎樣處理多約束面的干涉問題，是數(shù)控加工的第一步，優(yōu)化加工程序和刀具路徑以改變刀具切削過程的受力狀態(tài)，抑制刀具切削過程的振動是提高加工效率和加工質(zhì)量必不可少的手段，大于73%的材料去除量也使得必須優(yōu)化編程工藝。

4.1 多約束面的干涉處理

沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開放性差，勺型水斗緊密分布在轉(zhuǎn)輪周邊上，水斗與水斗之間在根部緊密相連，理論模型顯示它們成一種互相咬合的形態(tài)。編程處理時采用多區(qū)域干涉檢查，同時加入刀柄和機(jī)床主軸防撞干涉檢查，解決了這種復(fù)雜區(qū)域處狹窄通道的數(shù)控加工編程的第一步。

如圖 12所示分析了各種不當(dāng)?shù)亩嗉s束面干涉處理方式，圖13則為正確的多約束面干涉處理方式。

圖12 多約束條件下不當(dāng)?shù)母缮嫣幚矸绞?/p>

4.2 曲面與刀具切觸點匹配加工法抑制加工過程的振動

利用曲面與刀具切觸點匹配加工法，通過控制刀具切觸點的位置從而控制刀具加工過程的受力狀態(tài)，有針對性地減少引起刀具加工過程中的徑向力，提高加工效率和加工質(zhì)量。

圖13 多約束條件下正確的干涉檢查方式和實際加工效果

圖14 曲面與刀具切觸點示意圖

圖15 曲面與刀具切觸點匹配實際加工效果

4.3 數(shù)控編程過程不規(guī)則毛坯的頻繁順序繼承調(diào)用

針對整體轉(zhuǎn)輪毛坯加工余量大，形狀不規(guī)則等加工難點，實現(xiàn)三軸加工中的毛坯頻繁順序繼承調(diào)用，大大減少了數(shù)控加工過程的空走刀現(xiàn)象，提高了加工效率。毛坯的繼承調(diào)用可以多層次的調(diào)用，每一次加工完成三維模擬后形成新的毛坯都可以作為下一序列加工的理論毛坯。

圖16 不規(guī)則毛坯頻繁順序繼承調(diào)用編程及實際模擬加工效果

4.4 螺旋線曲面精加工法

建立近似螺旋線的走刀軌跡三軸精銑加工復(fù)雜曲面，使刀具軸向受力從而減少刀具加工過程的振動，提高加工效率和加工質(zhì)量。

螺旋線曲面法向加工，是一種數(shù)控精銑的新工藝。在對所加工區(qū)域進(jìn)行數(shù)控編程處理優(yōu)化時，保證刀具的中心在與每一處加工區(qū)域的接觸點始終位于加工區(qū)域型面的法向上；同時刀具在每一段刀位軌跡上都要體現(xiàn)在刀軸方向上的進(jìn)給，同時把正常的進(jìn)刀軌跡融入加工的刀軌之中。經(jīng)過優(yōu)化處理后的刀位軌跡，在實際加工過程中，加工的穩(wěn)定性顯著增強，型面的粗糙度明顯改善。

圖17 優(yōu)化計算出的螺旋線刀軌

利用本項目的研究成果對轉(zhuǎn)輪模型進(jìn)行實際加工，得出了優(yōu)化的各種加工參數(shù)。

5 結(jié)論

試加工的水斗轉(zhuǎn)輪直徑φ1740mm，水斗內(nèi)表面最大寬度為440mm，水斗轉(zhuǎn)輪按GB/T10969-1996《水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》給定的允許偏差范圍進(jìn)行檢測，主要參數(shù)見表1所示。由表1可以看出，整個水斗的加工質(zhì)量比設(shè)計要求提高了一個精度等級。

整鍛轉(zhuǎn)輪斗數(shù)越多，斗與斗之間的空間越狹窄，制造難度越大。本項目的整鍛轉(zhuǎn)輪的斗數(shù)是21個，難度等級高于20個，在加工精度相同的情況下效率對比如表2所示。從表2可以看出，單個斗的加工效率提高20%。

表1 水斗加工精度數(shù)據(jù)

表2 水斗加工效率數(shù)據(jù)

哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司采用三軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床加工沖擊式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪，填補了國內(nèi)空白。在市場競標(biāo)中占據(jù)了主動地位。解決的主要問題有：

（1）采用三軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)了沖擊式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪多干涉、復(fù)雜曲面（密排水斗）的加工，達(dá)到了與五軸聯(lián)動同樣的加工功能。

（2）提出了一整套沖擊式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪加工工藝方案，開發(fā)了專用工裝，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)。

（3）實現(xiàn)了數(shù)控編程過程不規(guī)則毛坯的頻繁順序繼承調(diào)用，從而大大減少了數(shù)控加工過程的空走刀現(xiàn)象，提高了加工效率。

（4）利用曲面與刀具切觸點匹配加工法，通過控制刀具切觸點的位置從而控制刀具加工過程的受力狀態(tài)，有針對性地減少引起刀具加工過程中的徑向力，提高加工效率和加工質(zhì)量。

（5）通過建立近似螺旋線的走刀軌跡三軸精加工復(fù)雜曲面，使刀具軸向受力從而減少刀具加工過程的振動，提高加工效率和加工質(zhì)量。

（6）應(yīng)用振動學(xué)及金屬切削原理結(jié)合CAD/CAM/CAE技術(shù)，解決了超長刀柄切削的振動抑制，刀位規(guī)劃時的約束及軌跡干涉問題。

[1]齊文國, 孫建軍, 等. 鋁合金插銑銑削力建模與分析[J]. 設(shè)計與研究, 2007, (1)：32-34.

[2]唐立山. 高速切削工藝[J]. CAD/CAM 與制造業(yè)信息化, 2005,(9)：64-65.