水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是復(fù)雜的雕塑曲面體零件，在大中型機(jī)組制造工藝上，長(zhǎng)期以來(lái)采用“砂型鑄造一砂輪鏟磨一立體樣板檢測(cè)”的制造工藝已不能滿足技術(shù)進(jìn)步的要求，已不能有效地保證葉片型面準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量，更不能滿足當(dāng)今發(fā)電設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的要求。“大型水輪機(jī)葉片的5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工工藝技術(shù)”是當(dāng)今世界發(fā)電設(shè)備制造此中的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是當(dāng)今機(jī)械加工技術(shù)中的尖端高技術(shù)。它涉及計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的三維造型，計(jì)算機(jī)仿真模擬加工，五軸聯(lián)動(dòng)CNC技術(shù)，復(fù)雜的金屬切削技術(shù)，三維曲面測(cè)量及定位技術(shù)，以及毛坯制造等。

　　三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片為新型、高效的x型混流式葉片，其轉(zhuǎn)輪直徑近10米，單個(gè)葉片加工后重量近20噸，是目前世界上*大的混流式葉片見(jiàn)圄1、圄2. X型葉片造型混流式轉(zhuǎn)輪造型X型混流式葉片是90年代后期，國(guó)外采用全三元流理論設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的新型混流式葉片，具有高水力效率等諸多優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的混流式葉片在形狀上有很大的差別，其葉片曲率變化相當(dāng)大，空間扭曲程度大，如果將葉片盡量平放，*高點(diǎn)與*低點(diǎn)的高差很大，兩對(duì)角的高度相當(dāng)，其水平投影呈X形狀，所以稱為X型葉片。這種葉片的厚度變化非常大，*大厚度比*小厚度約20倍左石。針對(duì)這些特點(diǎn)，在加工方案上必須特殊考慮，如葉片加工的定位、防變形、五軸聯(lián)動(dòng)加工中的刀具適應(yīng)性等工藝問(wèn)題，及在五軸聯(lián)動(dòng)刀位計(jì)算中的刀軸控制方法、刀具干涉計(jì)算等問(wèn)題。對(duì)于大型葉片，通過(guò)仿真加工，合理劃分加工區(qū)域，各區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方法，以提高加工效率。

　　X型混流式葉片數(shù)控加工工藝方案X型混流式葉片制造主要工藝過(guò)程如圄3所2.1葉片毛坯的三維型面測(cè)量數(shù)控加工葉片毛坯，要求型面（正面和背面）的余量盡可能分布均勻，一般單面余量*好在7mm15mm.對(duì)于鰨導(dǎo)噬廈科撓量分布是不一樣的，為了下一步采用計(jì)算機(jī)分析找到“毛坯余量分布*為均勻”的*佳裝夾位置，必須對(duì)每一個(gè)毛坯的三維型面進(jìn)行測(cè)量，尋求經(jīng)濟(jì)、高效、準(zhǔn)確、便于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理和測(cè)量基準(zhǔn)易于變換等特點(diǎn)的測(cè)量方法。為此開(kāi)發(fā)了機(jī)械接觸式的三坐標(biāo)劃線儀和非接觸式的高精度光電三維經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量葉片毛坯，第二種方法適應(yīng)更好。通過(guò)三維測(cè)量采集到葉片毛坯三維型值點(diǎn)數(shù)據(jù)供計(jì)算分析。

　　2.2計(jì)算機(jī)自動(dòng)余量分布計(jì)算由于每一片葉片毛坯的余量實(shí)際分布是不一樣的，為了在加工時(shí)能保證所有加工面都有一定的余量，*有效的辦法是通過(guò)每一片毛坯測(cè)量的三維型面數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)模擬出毛坯的實(shí)體，并同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維實(shí)體造型。將設(shè)計(jì)的三維葉片實(shí)體由軟件自動(dòng)對(duì)各個(gè)方向自由度進(jìn)行搜索嵌套在毛坯實(shí)體中，進(jìn)行多目標(biāo)多變量?jī)?yōu)化計(jì)算，尋求到“*佳”位置，并按余量分布“*佳”的條件進(jìn)行安裝。根據(jù)這些要求，研究了數(shù)值算法，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件。且由編程軟件按“*佳”位置通過(guò)定位支撐關(guān)系變換刀位軌跡。這樣可大大節(jié)約機(jī)床上的安裝找正時(shí)間，對(duì)大型混流式葉片從根本上解決定位和找正困難的問(wèn)題。

　　2.3葉片加工中的定位基準(zhǔn)與夾具大型葉片是形狀復(fù)雜的雕塑曲面體，與一般規(guī)則幾何體零件相比，其定位基準(zhǔn)復(fù)雜。不僅要考慮“基準(zhǔn)”，還要考慮“各加工曲面上的余量分布”均勻。如何巧妙地利用簡(jiǎn)單可行的夾具，與葉片毛坯測(cè)量輔助自動(dòng)余量計(jì)算技術(shù)配合，方便快速地對(duì)每一個(gè)葉片毛坯調(diào)整定位和裝夾，這不僅為了提高裝夾找正效率，也為了保證每一個(gè)葉片毛坯（余量分布不一樣）能正確加工出葉片型面。通過(guò)研究分析，在計(jì)算機(jī)上模擬，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一較為通用的混流式葉片加工夾具，如圄4所示。

　　加工混流式葉片夾具2.4加工區(qū)域劃分及加工刀具大型X型混流式葉片加工部位有11張曲面，考慮到機(jī)床擺角的限制（由后述的仿真加工可確定），葉片頭部曲面還要?jiǎng)澐殖?張曲面來(lái)加工。這樣將葉片劃分成13張曲面區(qū)域，不同的區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方式進(jìn)行仿真加工。根據(jù)后述的仿真加工的刀具干涉計(jì)算、切削仿真、機(jī)床仿真等來(lái)*后確定刀具及其聯(lián)接系統(tǒng)的參數(shù)。其原則是在機(jī)床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下，盡量采用大直徑曲面銑刀，以提高加工效率。葉片正、背面大面采用中200曲面面銑刀五軸聯(lián)動(dòng)粗銑，160曲面面銑刀精銑加工；葉片的坡口曲面采用1204>160的大切削深度面銑刀五軸聯(lián)動(dòng)或三軸側(cè)銑加工；葉片頭部曲面采用100螺旋玉米粗銑，再用80左石的曲面面銑刀加工；出水邊采用100螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)銑。

　　2.5葉片精加工后的型面檢測(cè)傳統(tǒng)的手工鏟磨方式制造葉片，采用立體樣板檢查。對(duì)于數(shù)控加工，精度不能滿足要求，且立體樣板造價(jià)高，很不經(jīng)濟(jì)。加工芫型面后，在型面上鉆出定位孔作為精基準(zhǔn)。加工后的型面檢測(cè)方法可采用與葉片毛坯類似的測(cè)量方法，即用高精度光電經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)對(duì)加工后的葉片進(jìn)行三維比較測(cè)量，同時(shí)開(kāi)發(fā)出測(cè)量三維葉片與設(shè)計(jì)三維葉片實(shí)體比較的精度分析檢測(cè)軟件。

　　X型葉片的計(jì)算機(jī)仿真加工3.1葉片仿真加工過(guò)程葉片的計(jì)算機(jī)仿真加工是葉片多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工工藝中*關(guān)鍵和技術(shù)性*強(qiáng)的工作，是輔助制定工藝方案和編制加工程序的基礎(chǔ)。通過(guò)輔助加工反復(fù)修改芫善尋求合理加工方案和具體加工方法，然后將刀位CCL）用于機(jī)床有關(guān)的專用后處理程序，生成能控制機(jī)床加工的代碼程序。主要工作是SDRC公司CAMAND軟件上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真加工。葉片的仿真加工及編程如圄5所示。

　　3.2五軸刀位計(jì)算及刀具干涉檢查計(jì)算根據(jù)前述初定加工方案和劃分加工區(qū)域，定義所用刀具的幾何參數(shù)，包括刀片的幾何形狀、刀盤(pán)的幾何形狀、切削刃長(zhǎng)、刀桿及連接系統(tǒng)幾何形狀等，再定義與機(jī)床有關(guān)的參數(shù)，包括一些機(jī)床特征和限制、可加工的空間范圍、銑頭轉(zhuǎn)角和擺角限制及方向等，芫成構(gòu)造機(jī)床配置文件。再按初定的加工走刀方式和刀軸控制方法計(jì)算出各區(qū)域五軸聯(lián)動(dòng)刀位，結(jié)合后述的碰撞干涉檢查，檢查區(qū)域劃分是否合理。在不碰撞的條件下，盡量采用大直徑的面銑刀，以提高加工效率。尋找到較為合理的區(qū)域劃分后，進(jìn)一步調(diào)整加工方法中的刀軸控制方式、進(jìn)出刀控制等主要有可能導(dǎo)致碰撞的因素，再進(jìn)行刀位計(jì)算和后述的仿真檢查，修調(diào)各參數(shù)。值得注意的是，為了改善刀具切削條件，在計(jì)算五軸刀位時(shí)，應(yīng)給定leadangle和tiltangle.在不碰撞的條件下，對(duì)刀具C刀盤(pán)和切削刃）及刀桿進(jìn)行干涉檢查計(jì)算。刀具干涉可進(jìn)一步采用Vericut進(jìn)行切削仿真進(jìn)行圄形檢查，如有干涉，則反復(fù)前述各步修改可能影響的多個(gè)因素，直至生成仿真時(shí)沒(méi)有干涉和碰撞的刀位，并將其作為可用刀位。視其葉片毛坯的具體情況，在此刀位和有關(guān)加工參數(shù)基礎(chǔ)上加上刀具的切削參數(shù)等，再分別計(jì)算多個(gè)粗加工刀位和精加工刀位，此刀位為*終加工用刀位，供后處理生成加工代碼。

　　3.3切削圄形仿真及干涉效驗(yàn)檢查由于葉片型面復(fù)雜，分為多個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域采用不同的刀具、不同的刀軸控制方式進(jìn)加工。為了進(jìn)一步對(duì)刀具干涉和各區(qū)域的接刀進(jìn)行檢查，采用Vericut軟件進(jìn)行切削圄形仿真。由于毛坯狀況每片都不一樣，對(duì)設(shè)計(jì)葉片模型各面作offset并縫合成實(shí)體來(lái)定義毛坯。圄6為一混流式葉片切削圄形仿真。如果發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題，則重新計(jì)算刀位。

　　3.4機(jī)床仿真及碰撞檢查大型葉片加工，為了機(jī)床和工件的安全，進(jìn)行機(jī)床仿真以防銑頭碰撞和刀具干涉等是必須的。仿真中如發(fā)現(xiàn)碰撞和干涉，必須修改加工方案和加工方法。利用CAMAND構(gòu)造出加工葉片所用NC銑頭（如圄7），根據(jù)銑頭結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，按CAMAND軟件Simulation功能要求定義出錢(qián)頭主動(dòng)軸幾何（PrimaryGeometry）和從動(dòng)軸幾何（SecondaryGeometry），并規(guī)定第4軸和第5軸的關(guān)系。在Simulation中可采用連續(xù)或單步控制模擬加工過(guò)程中銑頭和刀桿的空間運(yùn)動(dòng)，檢查銑頭和刀桿與工件和夾具是否碰撞和干涉。5FZG機(jī)床NC銑頭的B軸在機(jī)械上有限制（360），故機(jī)床配置文件中設(shè)置（358較為安全。在連續(xù)加工時(shí)，B角積累到358時(shí)，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反轉(zhuǎn)并后退一步再進(jìn)刀，以免損壞刀具和劃傷已加工表面。在Simulation的仿真過(guò)程中，可觀察到和真實(shí)加工時(shí)一致的銑頭的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于可能碰撞的部位，可單步向前和向后控制便于仔細(xì)觀察，并可查詢各坐標(biāo)軸的值，便于分析，以修改工藝方案和加工方法。機(jī)床仿真和前面已述的刀位計(jì)算及刀具干涉檢查須互相配合，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改，才可計(jì)算出合理而又“放心”的刀位。

　　3.5后置處理及加工程序發(fā)出專用于5FZG機(jī)床的后處理器，再協(xié)同針對(duì)5FZG機(jī)床編寫(xiě)的機(jī)床配置文件（MachineToolConfigurationFile），將前述已得合理的中間刀位（ITP）進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成可控機(jī)床的加工代碼。

　　由于5FZG機(jī)床CNC內(nèi)存限制，兼顧各加工工步，將3300葉片分成20多個(gè)加工程序，約3MB，通過(guò)PC和加工機(jī)床的Sinumerik880M的RS232串口用PCIN通信軟件進(jìn)行程序傳送。

　　X型葉片的數(shù)控加工利用前述開(kāi)發(fā)的大型X型混流式水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)，在德國(guó)SCHIESS公司的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控天橋銑C5FZG）上，東方電機(jī)股份有限公司成功地加工出了F3.3m轉(zhuǎn)輪的X型混流式葉片。圄8為加工時(shí)的照片。加工大致過(guò)程是按編程設(shè)定的機(jī)床毛坯加工方向安裝好夾具，吊裝葉片并找正，測(cè)量夾具上的對(duì)刀點(diǎn)，按毛坯測(cè)量處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到工件零點(diǎn)并置于NC零偏寄存器，先用檢查程序檢查校孩余量。加工中先按程序加工進(jìn)、出水邊及上冠和下環(huán)，然后根據(jù)余量分布情況，按程序?qū)Ω骷庸^(qū)域粗銑或精銑。背面加工芫后，再在正面胎具上加工正面。加工出的葉片經(jīng)各項(xiàng)檢查，芫全滿足設(shè)計(jì)要求，葉片型面準(zhǔn)確度大大高于IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　5結(jié)束語(yǔ)X型混流式葉片是一種新型、高效的混流式葉片，如何采用5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)將其準(zhǔn)確、高效率加工出來(lái)，涉及到大量研究開(kāi)發(fā)工作。

　　針對(duì)這一工程的需求，作了相應(yīng)的研究開(kāi)發(fā)，并首次并成功地用于三峽電站的F3.3m轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工，取得了明顯的效益，并為三峽機(jī)組制造中間試驗(yàn)機(jī)組和三峽水輪機(jī)葉片數(shù)控加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。為盡快跟上世界先進(jìn)水平和制造三峽機(jī)組，必須盡快進(jìn)行芫善和優(yōu)化。