水輪機(jī)整鑄座環(huán)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(huán)作為水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，一般由上環(huán)板、下環(huán)板和若干固定導(dǎo)葉焊接而成。用于承受水輪機(jī)的軸向水推力，轉(zhuǎn)動(dòng)及固定部分重量，以最小的水力損失將水流引入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，機(jī)組安裝時(shí)以它為為基準(zhǔn)[1]。隨著電站對水輪機(jī)安裝精度要求提高，為消除座環(huán)組焊引起的變形，越來越多的水輪機(jī)組件采用整體鑄造方式然后再使用數(shù)控機(jī)床加工來提高精度和縮短制造周期。座環(huán)整體鑄造，采用傳統(tǒng)模具制作周期長，成本高，無法滿足這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求較高的鑄件質(zhì)量要求。隨著集團(tuán)公司3D打印技術(shù)的成熟，采用3D打印出砂型和砂芯，然后進(jìn)行整體澆鑄為一整體，使用3D打印砂型技術(shù)費(fèi)用低，制造周期短，鑄件外觀質(zhì)量精度較高，完全能滿足鑄件質(zhì)量要求。筆者通過介紹水輪機(jī)整鑄座環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)分析，得出了整鑄座環(huán)固定導(dǎo)葉加工工藝方法和加工編程方法，提高了整鑄座環(huán)固定導(dǎo)葉的型線加工精度，縮短了加工周期。對同類產(chǎn)品加工有一定的參考意義。

1 整鑄座環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖1所示的整鑄座環(huán)固定導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉繞圓周均勻排布相互疊加，外徑6 000 mm，內(nèi)徑3 850 mm，總高度855 mm，固定導(dǎo)葉之間間距最小距離200 mm，共有20個(gè)固定導(dǎo)葉，鑄件凈重為20 t。

圖1 座環(huán)三維圖 圖2 座環(huán)固定導(dǎo)局部圖

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉是座環(huán)的水流通道，是座環(huán)傳遞軸向載荷的支柱，又是過流面，所以必須要有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的水力性能，型線精度要求較高[2]。整鑄座環(huán)是上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉整體澆鑄為一體，固定導(dǎo)葉和固定導(dǎo)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(tài)到固態(tài)的收縮會導(dǎo)致上環(huán)板和下環(huán)板中間的固定導(dǎo)葉間尺寸偏差較大，固定導(dǎo)葉型線精度靠鑄造無法滿足設(shè)計(jì)和使用要求，基于以上考慮上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉都需要加工。固定導(dǎo)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(shí)會出現(xiàn)刀軸干涉加工不到部位，無法滿足相鄰固定導(dǎo)葉間距尺寸幾何公差準(zhǔn)確性的要求及型線精度要求，影響水輪機(jī)效率及穩(wěn)定性[3]。

2 整鑄座環(huán)加工工藝難點(diǎn)分析

(1) 考慮到整鑄座環(huán)結(jié)構(gòu)特殊性，固定導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉繞圓周均勻分布相互疊，常規(guī)劃線方法無法確定固定導(dǎo)葉的起始角度，機(jī)床加工找正困難，無法確定基準(zhǔn)加工。

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

3 加工工藝優(yōu)化方案

整鑄座環(huán)結(jié)構(gòu)特殊性，固定導(dǎo)葉數(shù)量多，空間小。加工固定導(dǎo)葉使用計(jì)算機(jī)仿真模擬加工，是整鑄座環(huán)數(shù)控加工工藝中最關(guān)鍵和技術(shù)性最強(qiáng)的工作，是制定加工工藝方案和編制加工程序的基礎(chǔ)。利用UGNX編程軟件進(jìn)行刀具軌跡仿真，通過仿真加工反復(fù)修改完善合理加工方案和具體的加工方法，進(jìn)行刀具干涉檢查和機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行碰撞干涉檢查。結(jié)合本廠現(xiàn)有設(shè)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(zhǔn)點(diǎn)，由于座環(huán)上環(huán)板、下環(huán)板，固定導(dǎo)葉整體鑄造為一體，首先對整鑄座環(huán)毛坯上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉的表面周圍放置圓形標(biāo)志點(diǎn)和帶有環(huán)形編碼的標(biāo)志點(diǎn)和全局標(biāo)尺，采用專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，全方位對整鑄座環(huán)進(jìn)行拍照，獲取包含編碼標(biāo)志點(diǎn)，非編碼點(diǎn)，全局標(biāo)尺信息的照片。然后在計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入所拍照片組進(jìn)行圖像處理，測量出照片組中標(biāo)點(diǎn)的二維坐標(biāo)，然后根據(jù)二維坐標(biāo)計(jì)算出所有標(biāo)志點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)點(diǎn)，對所有點(diǎn)進(jìn)行分析和理論三維模型擬合對比，計(jì)算出工件表面的加工余量，最后在整鑄座環(huán)每個(gè)固定導(dǎo)葉表面取加工葉型基準(zhǔn)測量點(diǎn)。這樣大大節(jié)約了機(jī)床的找正裝卡時(shí)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(huán)板，下環(huán)板內(nèi)孔端面，要求單邊留量2 m。

(3) 數(shù)控龍門銑加工固定導(dǎo)葉出水邊型線，按照劃線提供固定導(dǎo)葉表面測量基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，對工件進(jìn)行找平，找正后按照車床加工內(nèi)孔確定工件圓心。由于固定導(dǎo)葉繞圓周均勻分布20個(gè)，通過利用UGNX編程軟件進(jìn)行刀具軌跡仿真模擬，調(diào)整葉型面與刀軸間夾角來確定刀軸旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)刀軸至特定角度對固定導(dǎo)葉出水邊型線進(jìn)行粗加工，單邊留量1 mm，每加工一個(gè)固定導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)一次角度頭附件，粗加工完后重新驗(yàn)證工件找平，找正及坐標(biāo)系后進(jìn)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(dǎo)葉表面加工留量0.3 mm，用于打磨拋光，加工完后在上，下環(huán)板表面刻基準(zhǔn)十字線。這樣有效的解決了固定導(dǎo)葉出水邊型線疊加遮擋部位的加工和加工編程中出現(xiàn)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(dǎo)葉進(jìn)水邊型線，使用帶回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控鏜銑床，放在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺上以回轉(zhuǎn)中心為零點(diǎn)，按照龍門銑刻的基準(zhǔn)十字線，作為起始角度，通過調(diào)整固定導(dǎo)葉與刀軸間夾角來加工表面。以其中一個(gè)固定導(dǎo)葉筋線為Z軸建立工件坐標(biāo)系；由外及內(nèi)，層層切削葉型表面加工至和內(nèi)側(cè)加工區(qū)域相重合，加工完一個(gè)葉型刀具返回到安全平面，轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺，根據(jù)葉片數(shù)量，每轉(zhuǎn)一個(gè)角度對固定導(dǎo)葉表面由外至內(nèi)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(dǎo)葉進(jìn)水邊。這樣有效的解決了固定導(dǎo)葉進(jìn)水邊型線疊加遮擋部位的加工和加工編程中出現(xiàn)的刀具干涉碰撞問題。

圖5 龍門銑加工固定導(dǎo)葉出水邊 圖6 鏜銑床加工固定導(dǎo)葉進(jìn)水邊

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

4 檢驗(yàn)及效果

加工后的固定導(dǎo)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(jī)拍照對加工完后的固定導(dǎo)葉和上環(huán)板，下環(huán)板的測量值和三維數(shù)模進(jìn)行比較分析，測量結(jié)果完全符合圖紙技術(shù)要求，采用這種既準(zhǔn)確又簡單的測量方法通過實(shí)踐驗(yàn)證是切實(shí)可行的。

5 結(jié) 語

通過對整鑄座環(huán)的實(shí)踐加工驗(yàn)證，這種加工方法能夠保證整鑄座環(huán)固定導(dǎo)葉葉型線尺寸準(zhǔn)確，并且保證多個(gè)相鄰固定導(dǎo)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(dá)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(chǎn)效率高，對同類產(chǎn)品的加工有重要的參考意義。