水輪機轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工初探

朱洪濱

摘 要：近些年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國在機械加工等方面的技術(shù)水平也有了質(zhì)的飛躍。而在對水輪機加工工藝方面，通過對技術(shù)的不斷研究與探索，目前也有了新的進(jìn)展。文章通過對中小型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的三維集合造型、曲面擬合以及數(shù)控加工工藝方法進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析與描述，并提出了相應(yīng)的加工與保障方法，希望能夠為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：水輪機轉(zhuǎn)輪葉片；幾何造型；數(shù)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(zhuǎn)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(fù)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(zhàn)。在以往的加工工作中，通常使用鑄件人工對照樣板來進(jìn)行鏟磨，雖然這樣的方式較為傳統(tǒng)，具有很多優(yōu)點但其缺憾之處也是不可忽視的。比如，這種傳統(tǒng)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(huán)境無法得到保障，導(dǎo)致效率低下。這也給產(chǎn)品的質(zhì)量帶來了一定風(fēng)險，無法得到保障。葉片的質(zhì)量有著十分重要的影響，其關(guān)系到整個機組振動，空蝕，水利效率等等。其中手工鏟磨是數(shù)控加工中首先要解決的問題，從這方面進(jìn)行提高能夠?qū)a(chǎn)品質(zhì)量有效提高。

2 葉片的幾何造型

引進(jìn)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(tǒng)，具有良好的用戶開發(fā)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(tǒng)一的曲面與實體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?？梢岳胣urbs方法來表示二次曲線、曲面，并且利用這種方法進(jìn)行的描述可以調(diào)節(jié)參數(shù)，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(shù)控加工中的重要環(huán)節(jié)，在具體的加工工作中還需注意幾個坐標(biāo)系的位置，要保證機床坐標(biāo)系、工件坐標(biāo)系以及編程坐標(biāo)系的重合度。當(dāng)三者重合后，對于葉片的加工才能更加精準(zhǔn)，否則想要加工出全部葉片則會有些困難?？衫贸尚吞ゾ吆忘c定位裝夾方法并根據(jù)葉片與胎具的對應(yīng)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(biāo)系下完成。為了能夠更好地確保在裝夾后葉片在坐標(biāo)系的統(tǒng)一，可按照胎具曲面加工程序加工好胎具，并設(shè)置好機床的對刀位。毛坯在成型面上比較容易產(chǎn)生過定位，而對于這個情況的改進(jìn)則需要先對胎具進(jìn)行一定的修改，并確定方法?？衫镁植啃兔纥c定位結(jié)合的措施，并粗定位葉片，調(diào)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?；鶞?zhǔn)。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(diào)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(zhuǎn)一百八十度，放于成型胎具內(nèi)。這樣一來，葉片、胎具可貼合精準(zhǔn)，定位準(zhǔn)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(jìn)行，只有誤差符合標(biāo)準(zhǔn)才能夠繼續(xù)下一步也就是切削。如果誤差超出所規(guī)定的范圍還強行進(jìn)行切削的話則會導(dǎo)致加工余量不足，無法完成加工工作。由于在線測量系統(tǒng)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(jìn)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(nèi)，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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到與機床坐標(biāo)系相同的直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到每個點的數(shù)據(jù)。這種利用坐標(biāo)軸測四個點坐標(biāo)值的辦法盡管還存在一定問題，但已經(jīng)能夠滿足要求。除此之外，還有一種方法也能控制誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，可滿足毛坯定位要求。這種方法則是利用從出水邊和進(jìn)水邊外的加工程序檢出。這個方法在數(shù)值上一樣不能夠十分精準(zhǔn)，但卻能對加工過程有大概的呈現(xiàn)，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(shù)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(biāo)系能夠統(tǒng)一，那么還可對程序進(jìn)行編制與加工設(shè)計。利用ISO加工方法來確定走刀方式、加工步距、步長、轉(zhuǎn)速等等。自動生成道具軌跡，如若想觀看到動態(tài)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(shù)線分布是曲面參數(shù)線加工方法的主要特點，同時作為坐標(biāo)數(shù)控加工，生產(chǎn)刀具的重要措施。它的優(yōu)勢在于能夠令刀具沿參數(shù)化方向切削。這樣可以使應(yīng)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(dá)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(jìn)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(jìn)行工作。每段都擁有獨立的加工程序。按照規(guī)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(jìn)行。

6 加工精度及檢測

通過對試加工葉片進(jìn)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(nèi)，為優(yōu)等品。加工后質(zhì)量有明顯提高，唯一不足為表面稍微粗糙。想要改進(jìn)表面的粗糙程度可通過減少加工步距來實現(xiàn)，加工時間較長，效率低，因此要選擇合適的加工參數(shù)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(jié)束語

想要提高水輪機轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量以及水輪機整體質(zhì)量，則需要通過利用葉片數(shù)控加工的方式來實現(xiàn)。雖然，在葉片加工上已經(jīng)獲得了不小的進(jìn)步，但在實際工作環(huán)節(jié)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(zhǔn)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(jìn)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(chǎn)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(fā)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(dāng)。尤其是在葉片裝夾定位較為精準(zhǔn)的時候，適當(dāng)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(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)劣是影響加工精度和加工效率的重要因素之一，數(shù)控系統(tǒng)較好，對數(shù)據(jù)處理的速度就快，機床加工的連續(xù)性也會相對較好，加工后的表面質(zhì)量也會相對提高。另外，還要保證系統(tǒng)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(shù)控設(shè)備加工水輪機葉片是可行的，其水輪機轉(zhuǎn)輪的質(zhì)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。

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