基于CAD/CAM的水輪機(jī)活動導(dǎo)葉數(shù)控加工

韓麗娜，王兆峰

（國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，都江堰 611830）

加工與制造

基于CAD/CAM的水輪機(jī)活動導(dǎo)葉數(shù)控加工

韓麗娜，王兆峰

（國網(wǎng)四川省電力公司映秀灣水力發(fā)電總廠，都江堰 611830）

介紹了水輪機(jī)活動導(dǎo)葉的數(shù)控加工方法，基于CAD/CAM從三維建模、編制程序、仿真和驗(yàn)證程序等方面進(jìn)行了研究，最終從理論和實(shí)踐上進(jìn)行了精確的驗(yàn)證，保證了水輪機(jī)導(dǎo)葉的加工質(zhì)量和精度。

水輪機(jī)活動導(dǎo)葉；CAD/CAM；數(shù)控加工

0 引言

水輪機(jī)活動導(dǎo)葉是水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中最重要的鑄鍛件之一，由于其曲面復(fù)雜、加工精度要求高，在數(shù)控加工時若采用手工數(shù)控編程設(shè)計(jì)工作量大、加工周期長，且不容易發(fā)現(xiàn)程序漏洞。

本文基于CAD/CAM技術(shù)（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)）來設(shè)計(jì)漁子溪電站水輪機(jī)活動導(dǎo)葉的數(shù)控銑削程序，可有效保證導(dǎo)葉的尺寸加工要求。

1 三維造型

活動導(dǎo)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(gòu)成。本文按圖紙要求的尺寸，用三維坐標(biāo)點(diǎn)來描述來模型，造型方式是將三維坐點(diǎn)用局部逼近的方法生成導(dǎo)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(dǎo)葉的截面線是樣條曲線，首先根據(jù)活動導(dǎo)葉圖紙要求的形狀和尺寸，繪制活動導(dǎo)葉的零件草圖，如圖1所示。 樣條曲線的構(gòu)造質(zhì)量直接決定了活動導(dǎo)葉的曲面質(zhì)量，所以在繪制草圖時要保證樣條曲面的位置連續(xù)，切線連續(xù)和曲率連續(xù)。

1.2 曲面造型

圖1 導(dǎo)葉零件草圖

通過拉伸方式形成活動導(dǎo)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(chuàng)建導(dǎo)葉的過渡曲面，將過渡面和直紋曲面進(jìn)行布爾運(yùn)算，最終形成導(dǎo)葉的三維實(shí)體模型。

圖2 導(dǎo)葉三維實(shí)體模型

2 數(shù)控編程及仿真

根據(jù)建立的活動導(dǎo)葉三維實(shí)體模型，在計(jì)算機(jī)中制定工藝路線。在加工活動導(dǎo)葉型面時，選擇合理的加工走刀方向，直接關(guān)系到加工效率的高低。從活動導(dǎo)葉型面特點(diǎn)來看，沿參數(shù)線加工是加工效率較高的走刀方式。根據(jù)不同加工區(qū)域的曲面特點(diǎn)，選擇合理的加工走刀控制方法來計(jì)算出各區(qū)域的加工刀位，最終生成加工時的刀具運(yùn)動軌跡，再編輯出適應(yīng)數(shù)控銑床的后處理文件，做出相應(yīng)的數(shù)控程序。

本文根據(jù)導(dǎo)葉的工藝路線和工序內(nèi)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(jù)計(jì)算機(jī)上對參數(shù)的修訂來優(yōu)化，任意修改一個參數(shù)都可以馬上生成新的數(shù)控加工程序，可實(shí)現(xiàn)制造的柔性化。

圖3 數(shù)控編程

經(jīng)過碰撞干涉檢查后，再檢查數(shù)控加工區(qū)域劃分是否合理。為了機(jī)床和工件的安全，進(jìn)行計(jì)算機(jī)加工仿真以防止銑頭碰撞和刀具干涉，如圖4所示。

圖4 計(jì)算機(jī)仿真

3 驗(yàn)證程序

每套導(dǎo)葉的數(shù)量較多，為保證后續(xù)自動加工批量導(dǎo)葉時安全可靠，本文選擇采用石蠟材料進(jìn)行試驗(yàn)，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(fù)使用性，可以降低成本，并確保人身和設(shè)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(fù)試驗(yàn)，對比不同參數(shù)對導(dǎo)葉加工質(zhì)量的影響，最終尋找出最優(yōu)的刀具軌跡，不但可以提升導(dǎo)葉的加工精度，加工效率也會大大提高。

圖5 石蠟上驗(yàn)證程序

4 實(shí)際加工

在四軸XK2420B數(shù)控定梁龍門式銑床的固定工作臺上，吊裝導(dǎo)葉裝夾在C軸上并找正，測量工件零點(diǎn)并置于G54零偏寄存器，用樣板檢查程序檢查并標(biāo)記余量，若總體上有余量，裝夾拉緊，然后按要求進(jìn)行檢查，達(dá)到加工要求方可進(jìn)加工。再將驗(yàn)證后準(zhǔn)確無誤的數(shù)控程序即NC代碼，傳輸至四軸XK2420B數(shù)控定梁龍門式銑床上。經(jīng)過對刀、設(shè)定零點(diǎn)偏置等操作后，就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的自動加工。

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

圖6 實(shí)際加工導(dǎo)葉

5 結(jié)論

本技術(shù)作為水輪機(jī)導(dǎo)葉數(shù)控加工的通用技術(shù)，為導(dǎo)葉加工提供了標(biāo)準(zhǔn)工藝和精準(zhǔn)的數(shù)控程序，能夠批量加工出高精度的導(dǎo)葉，效率高，安全可靠 ，將其廣泛應(yīng)用于各種水輪機(jī)導(dǎo)葉的制造，不僅能有效地保證導(dǎo)葉型面的質(zhì)量，而且還能大大縮短導(dǎo)葉生產(chǎn)周期，減少傳統(tǒng)工藝中的大量工裝，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都有著明顯的效益。

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

[2] 徐雷.特型導(dǎo)葉的造型和數(shù)控加工技術(shù)[J].制造業(yè)信息化,2013(6):147-148.

[3] 陳先鋒.SIEMENS數(shù)控技術(shù)應(yīng)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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。