混流式水輪機葉片數控加工工藝研究

陳 偉, 瞿 濤

（杭州中水水力發電設備有限公司 杭州, 311504）

1 前言

混流式水輪機葉片翼型由復雜的空間曲面組成，曲率變化大、重量大、加工制造比較困難。傳統的加工方法是對鑄件人工對照樣板進行鏟磨，不僅勞動強度大、工作環境差，而且效率低下，產品質量也難以保證。數控技術的發展，對水輪機葉片的加工產生了深遠影響。上世紀70年代末80年代初GE、VOITH、ATSTON等公司陸續開始采用三坐標或五坐標數控機床加工葉片。90年代東方電機有限公司引進德國的五軸數控天橋鏜銑床，率先在國內加工出直徑5.8 m的軸流式水輪機的全臺葉片。杭州發電機設備廠曾用三軸數控鏜銑床加工出小型水輪機葉片。之后，隨著轉輪直徑達10m的三峽轉輪葉片由東方電機有限公司、哈爾濱電機廠有限責任公司及國外廠商相繼制造完工，葉片的數控技術已日趨完善。

水輪機葉片數控加工的關鍵技術是葉片定位與夾緊。德國VOITH公司對混流式葉片采用可調轉向頭千斤頂定位、真空吸盤夾緊方式。真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預處理，其系統部件占據面積大，葉片反復裝夾都需對吸附部位磨光預處理，效率低。挪威GE公司采用正、背面胎具定位、焊塊搭焊和螺釘把合的夾緊方式，這是目前世界各地使用最多的一種定位夾緊方式，如三峽葉片即為井字型胎具定位。該技術對確定工件參考點、實施找正，對解決葉片正、背型面的錯位這一技術難點效果良好[1]。但是該方法需要加工昂貴的正、背面胎具，且適用性差，效率低，對于曲率變化大的葉片在定位完之后需要五軸數控機床加工易產生干涉的部位。針對以上葉片定位、夾緊技術中所存在的問題，本文討論一種基于計算機控制的液壓千斤頂混流式水輪機葉片快速定位、裝夾技術。

2 定位原理

大型混流式水輪機葉片型面大，型面為沒有任何基準的空間自由曲面，使得找正定位的問題格外突出。通常，葉片毛坯按設計等距離放大鑄造。葉片雙面加工，加工余量的均勻性至關重要。如果定位位置不當，可能造成有的地方過切，而有的地方走空刀。因此葉片的定位必定有一個“最佳”位置，此位置即葉片加工余量均勻性最好的位置。

杭州中水水力發電設備有限公司使用三坐標關節臂測量機對葉片進行測量。首先在葉片大致位置上標出三個定位點（定位點的選擇原則可參考文獻[2]），然后對葉片進行三維測量。測量軟件PowerInspect將葉片理論坐標系與毛坯坐標系對齊，測得的數據（包括三個定位點坐標值）不需后續處理。接著對測量數據建模，構造葉片的毛坯CAD模型（工程上稱為逆向工程）。圖1為由測量點構造的混流式水輪機葉片。

圖1 由測量點構造的混流式水輪機葉片

在上述步驟得到三個定位點坐標，在葉片的三個定位點處各點焊一特制的萬向球座。機床操作者調整三個液壓千斤頂至上述得到的三個坐標位置并鎖住，然后把葉片焊有萬向球座的面朝下吊裝到液壓千斤頂上。這樣把原來調整葉片的位置，改為調整液壓千斤頂的高度，調整時間很短。整個過程將很快完成，實現了葉片的快速裝夾找正。圖2為液壓千斤頂定位的示意圖。

圖2 液壓千斤頂定位示意圖

3 加工工藝

在混流式轉輪葉片數控加工工藝中，最為關鍵的技術是葉片定位技術，在混流式葉片定位技術中最為關鍵的技術是葉片測量和數據處理技術。傳統加工工藝采用胎模、焊接、螺旋升降等方式調整葉片位置，裝夾技術存在變位慢，工效低，葉型位置不易改變等缺點，使加工過程中刀具位置與葉片型線位置不理想，嚴重時產生刀具干涉。葉片加工工藝包括葉片測量、工藝裝夾、刀位計算、刀位干涉檢查、加工方式和刀具系統配置等。

3.1 葉片的測量

混流式水輪機葉片型面巨大，為空間自由曲面，精度要求較高，且要適應不同產品測試要求。傳統的辦法是根據圖紙制造立體樣板，檢查型線，精度低，水輪機制造業發展要求葉片加工數字化，精度越來越高，要求檢測手段能夠精確給出葉片表面各點與理論葉片誤差。

本公司使用三坐標關節臂測量機對照理論CAD數據對葉片進行實時測量，首先必須將實際葉片的坐標系和理論CAD模型坐標系對齊定位?；炝魇饺~片為沒有任何基準的自由曲面，需采用自由形狀擬合對齊方式對齊[3]。首先在CAD數模上定義6或7個點，Z方向3個，X方向2個，Y方向2個，這些點盡量定義在葉片幾何特征的附近、邊界線的附近或關鍵曲面點，然后使用三坐標關節臂測量機對這些點進行盡可能精確地測取。最后軟件通過尋找名義點和探測點之間最佳的關系來產生對齊定位。在葉片型面上標記出截面點，然后使用關節臂對這些數據點進行測量，即可得到葉片的點云數據。圖4為本公司使用三坐標關節臂測量機對混流式葉片進行測量。葉片測量好以后，利用所得的數據建立葉片毛坯的CAD模型。

圖3 三坐標關節臂測量機

圖4 關節臂測量葉片

3.2 葉片加工工藝路線

用數控銑床銑軸找到三個定位點在工作臺上的位置，在找到的位置上分別安裝一個液壓千斤頂并連接好液壓控制系統，將三個液壓千斤頂調整至葉片“最佳”定位位置并鎖住液壓千斤頂，將焊有三個特制的萬向球座的葉片背面吊裝于液壓千斤頂上，同時對葉片進行輔助裝夾，這樣便實現了葉片的三點定位。接下來用編好的程序粗、精銑葉片正面、進水邊和坡口。正面加工完以后將銑刀取下，換上鉆頭，將鉆頭移動到三個液壓千斤頂的(x,y)坐標處，然后調整Z軸在已加工好的正面做標記并記下三個標記的坐標值，在三個標記處點焊三個特制的萬向球座。接下來將葉片吊起并翻轉，將液壓千斤頂調整至三個標記坐標處，再將焊有萬向球座的葉片正面裝于液壓千斤頂上并夾緊，用編好的程序粗、精銑葉片背面、進水邊和坡口。葉片加工工藝路線如圖5所示。

圖5 葉片數控加工工藝路線

3.3 分區域編程加工

水輪機葉片型面曲率變化大，使用傳統的胎具定位方法，在數控加工時容易產生刀具干涉，嚴重時會損壞機床。通過計算機控制的液壓千斤頂的應用，葉片位置的調整很靈活。對容易產生刀具干涉的型面位置，葉片型面采用分區域編程，利用液壓千斤頂快速地改變葉片的位置。這樣避免了刀具的干涉，使難加工的葉片型面變成容易加工的葉片型面，使復雜變成簡單，如圖6所示。該技術在一定條件下可以使用三軸數控機床代替五軸聯動數控機床，降低了對機床的要求。

3.4 加工刀具的選擇和刀位的計算

水輪機葉片通常采用不銹鋼材料制造，加工比較困難，為了保證加工的效率和質量必須選擇適合的刀具進行加工。從刀具的類型上，我們選擇硬質合金機夾刀，這種刀具耐磨、抗沖擊性能好，尺寸準確，刀具可以更換，刀具的形狀將根據加工部位的不同來選擇。其中，形狀比較平緩、曲率小的曲面，可采用直徑較大的刀具，以提高加工效率。形狀起伏變化大、曲率較大的曲面，可采用直徑較小的刀具，以免刀具產生干涉和過切。

刀位計算的主要任務是：首先選定加工坐標系，然后用三點找正法對葉片的理論造型進行找正定位。保證加工精度和型面質量為原則，選定刀具、確定走刀方式和刀軸控制方式，設定走刀方向和排刀方向的精度，進行刀位軌跡的計算和刀具干涉檢查，最終生成后置處理用的刀位軌跡數據文件。

圖6 調整葉片位置，分區域編程加工，可以避免刀具干涉

4 液壓千斤頂控制系統

液壓千斤頂控制系統由液壓系統、電氣系統和計算機系統構成。計算機發出控制信號經過電氣系統放大，驅動液壓系統執行動作，完成既定的功能，如圖7所示。

液壓系統由液壓千斤頂、液壓控制閥、液壓傳感器和液壓泵等組成。液壓千斤頂活塞桿和球頭聯接，特制的萬向球座與球的配合精度具有一定的要求，球頭在球座內在一定范圍內可以自由活動。液壓系統采用電液伺服技術和同步控制回路，它不斷接收由計算機系統發出并經電氣系統放大傳輸的電信號，電信號驅動電磁閥操縱千斤頂的動作，實現千斤頂集群作業；電信號控制電液比例閥調節千斤頂的液壓流量，通過精確調節流量，達到千斤頂位置的精確控制。

液壓系統的設計上采用負載均衡技術，使三個并列的千斤頂之間負載保持相等，并通過自動調節使負載保持動態均衡。

電氣系統由總控室(箱)、作業點控制箱（稱為單控箱）、泵站控制箱、傳感器，以及控制線路（系統啟停控制電路、液壓驅動電路、傳感檢測電路等）和電源線路等組成。

計算機系統負責輸出位移等控制信號，并實現液壓千斤頂的順序控制、速度控制和安全控制等功能。

圖7 液壓千斤頂控制系統框圖

圖8 液壓系統原理

5 結語

使用三坐標關節臂測量機對葉片毛坯進行測量，測量精度高，葉片毛坯余量分布均勻，避免了過切和走空刀的產生?；谟嬎銠C控制的液壓千斤頂定位技術能很好地解決混流式葉片定位中存在的問題，具有定位速度快、使用靈活、通用性好等優點。避免了使用昂貴的胎具定位的方法，減少了葉片在機床上的定位調整時間。液壓千斤頂調整靈活，葉片位置調整方便，避免加工過程中刀具干涉的產生，在一定條件下還可以使用三軸數控機床代替五軸聯動數控機床加工曲率變化大的葉片，降低了對機床設備的要求。該技術同樣適合軸流式葉片的定位。

[1]嚴思杰, 周云飛, 賴喜德, 陳學東. 基于曲面重構方法的大型葉片加工定位問題研究[J]. 機床與液壓, 2006(3): 9-12.

[2]唐東, 李全勝, 成曄, 蔡復之. 表面形狀為自由曲面零件的裝夾設計研究[J]. 計算機集成制造系統,1999, 5(4): 61-65.

[3]孫中升. 關節臂測量機在大尺寸測量中的應用[J].江蘇現代計量, 2008, (5), 38-39.