沖擊式轉輪整體加工

徐雷　李樹偉

摘 要：介紹沖擊式轉輪結構特點和數控加工方法，同時進行了加工工藝的分析，使用合理的加工策略實現高速、安全的加工，克服了加工中的碰撞和刀具干涉的現象。通過合理的加工工序和加工方式，實現沖擊式轉輪整體鍛造數控加工，保證了轉輪型線的準確性和光順性，提升了轉輪的性能。

關鍵詞：沖擊式轉輪；整體鍛造；數控加工

常見的沖擊式水輪機轉輪結構有四種：裝配組合式轉輪、整鑄轉輪、鑄焊轉輪、整體鍛造數控加工轉輪。同為不銹鋼材質采用整體鍛造數控加工的轉輪其抗沖擊力是鑄造轉輪的一倍甚至更高。并且整體鍛造毛坯不僅提高了沖擊式轉輪根部的強度而且提高了轉輪水斗型線準確性及光順性，從而使轉輪的性能得到大大的提高。

從數控加工技術角度來說沖擊式轉輪造型極其復雜、整體加工受限于相鄰轉輪水斗之間空間太小，同時刀具的選用、長刀柄加工切削的防振減顫、加工的干涉檢查和轉輪的剛性變型、數控加工工藝的確定、數控程序的編制以及加工中刀具切削參數的確定難度都是非常大的。文章論述了一種高水頭、大直徑的沖擊式轉輪整體鍛造數控加工技術。

1 加工機床選擇

根據轉輪實際選擇數控車床進行轉輪的粗精車加工；選擇龍門銑進行轉輪外側斗型的三軸粗精加工；選擇帶轉臺的立式鏜銑床進行轉輪工作面粗精鏜序的加工，此設備具有4軸數控轉胎，XYZ三軸可聯動加工；選用5軸龍門銑進行轉輪根部的清跟加工。

2 刀具和切削方式的選擇

由于此類型沖擊水輪機結構的特點，決定普通的刀具和常規的切削方式這種情況下已不具備加工性，必須使用一種在超長刀柄條件下仍具備較高加工效率和加工性能的刀具。通過實際加工試驗的驗證結合數控仿真計算，插銑加工方式在刀具刀柄懸伸比超過1：16時幾乎已無法進行切削，切削時刀具和刀片損毀嚴重，同時加工效率非常低下；因此決定主要采用等高銑和區域銑削兩種為加工方式，同時選用適用于加工方式并能去除大余量的刀具和進行精加工的刀具。

3 數控加工工藝的確定

整鍛數控加工，根據生產條件和工藝技術要求，以提高生產效率和保證產品質量為原則，制定了：粗車→粗銑→粗鏜→精車→精銑→精鏜→五軸精銑轉輪根部的數控加工工藝流程。

4 數控加工程序的編制

（1）轉輪車序數控程序分為粗精兩部分，粗車是將轉輪毛坯車削至留有余量的轉輪理論型線旋轉體。精車主要是車削轉輪出水口處，同時根據實際工況在出水口尾部車削出精加工找正段，如圖1所示。

（2）龍門立式粗加工。龍門立式粗加工的目的是加工出水斗的正面部分和相鄰水斗的背面凸起部分。以輪轂底部凸臺端面為裝夾定位面，加工出轉輪的上半部分輪廓，然后再以輪轂上部凸臺端面為裝夾定位面，加工出轉輪的下半部分。龍門粗加工主要采用型腔銑的加工方式，針對零件、毛坯、切削區域等設置刀具相關參數，產生刀具軌跡路線，并且進行動態切削仿真過程。

（3）鏜床臥式粗加工。立式粗加工后相鄰水斗之間的背面區域和水斗的工作面區域之間還有很大一部分材料需要切除，需通過鏜床臥式粗加工來完成。同時轉輪的工作面加工是整個數控加工過程中的關鍵環節，其加工質量和加工精度的優劣直接關系到轉輪的發電效率、使用壽命以及經濟效益。利用4軸鏜床的轉臺來旋轉轉輪，同時使刀軸與轉輪水斗對稱平面平行，既可以加工水斗背面、水斗根部的半封閉部分，又可以加工水斗正面，可有效避免產生加工干涉、過切以及欠切。通過數控轉臺來調整水斗正面與刀軸之間的水平夾角來切削水斗工作面。每調整一次角度，刀具在避免產生加工干涉的前提下，由外及內、由表及里的層層切削水斗內表面可以加工到的區域，加工完畢后刀具退回到安全平面，然后轉輪轉過一定角度，刀具再次進行內表面的層層切削加工。隨著夾角減小，即可逐漸加工出水斗工作面區域。采用這種方法，可以充分利用四坐標機床的性能特點實現空間復雜的水斗曲面加工，另外可以有效避免加工干涉，防止出現過切、欠切，還可改善刀具受力狀況，減小刀具切削過程中的顫振現象，提高表面的加工質量和加工精度。

（4）龍門立式精加工。龍門立式精加工分為半精加工和精加工兩部分，兩部分加工在同一工位下完成，半精加工主要是去除粗加工殘留的切削余量，精加工主要是光順型面。半精加工采用等高輪廓銑的加工方式；精加工采用等高輪廓銑混合區域銑的加工方式。

（5）鏜床臥式精加工。鏜床臥式精加工加工原理同鏜床粗加工完全一樣，同時鏜床臥式精加工也分為半精加工和精加工，其加工類型和方式同龍門立式精加工。

（6）五軸精加工。轉輪根部區域鏜序加工完成后有盲區存在，因此使用五軸加工以光順此殘留區域。加工的關鍵確定五軸固定銑的角度，要多次數控模擬驗證得出最合適的加工角度。

完成以上所述數控加工工序后，沖擊式轉輪整體鍛造加工已完成機械加工部分，可轉入拋光、轉輪平衡和噴涂等工序。

5 結束語

針對沖擊式水輪機轉輪結構和加工工藝特點，主要采用三軸數控機床實現了沖擊式水輪機轉輪整體復雜型線的加工，提出了沖擊式水輪機整體轉輪加工工藝方案，優化了數控加工工藝參數，闡述了主要數控編程方式方法，并且大幅提高了沖擊式轉輪型線的加工精度，提高了加工的效率，節省了加工成本，保護了數控機床，保證了轉輪的生產進度。

參考文獻

[1]王波，劉獻禮，杜金成，等.沖擊式水輪機轉輪水斗整體數控加工工藝及編程技術的研究[J].大電機技術，2012（3）：40-44.

[2]羅靜，龔文均，才迎慶，等.沖擊式水輪機轉輪整體設計制造技術研究[J].現代制造工程，2010（10）：127-130.

作者簡介：徐雷（1981-），男，畢業于安徽大學，工程師，從事數控編程及數控加工工藝工作。