數(shù)控加工與CAD/CAM技術(shù)在水輪機(jī)制造中的應(yīng)用

周立瑤 葉國華 房強(qiáng)

1. 營口理工學(xué)院 遼寧 營口 115014；2. 遼寧泰吉電站設(shè)備有限公司 遼寧 沈陽 110020；3. 遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 遼寧 沈陽 110000

引言

1 水輪機(jī)數(shù)控加工技術(shù)

數(shù)控加工技術(shù)是指在某一固定機(jī)床上，利用數(shù)字化系統(tǒng)作為控制媒介，經(jīng)過現(xiàn)代化的加工手段，實(shí)現(xiàn)零件的加工和制造。與傳統(tǒng)機(jī)械加工相比，數(shù)控加工可以提高零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)零件制造 的自動化。

1.1 軸流式水輪機(jī)葉片的數(shù)控加工

軸流式水輪機(jī)葉片是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的核心部件，屬于自由曲面體，具有大扭曲、變曲率、加工面積大等特點(diǎn)，所以加工時(shí)容易變形、加工周期長。利用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，可以提高其加工精度和質(zhì)量。關(guān)鍵技術(shù)如下[2-3]：

劃分加工區(qū)域。軸流式水輪機(jī)葉片是一個(gè)封閉的曲面體，主要加工部位是正、反兩面、法蘭球面及過渡面。受機(jī)床結(jié)構(gòu)和裝夾方式的影響，數(shù)控加工時(shí)，必須將正、反面劃分為3個(gè)區(qū)域，進(jìn)行分區(qū)域加工。

加工前全面測量。水輪機(jī)葉片為鑄造件，且所有表面均為曲面，所以各個(gè)位置的加工余量分布不均。因此，在加工前，必須對毛坯進(jìn)行全方位的測量，確保各個(gè)位置均滿足加工要求。

走刀路線的確定。為了提高葉片的加工效率，避免加工過程的刀具干涉，選擇葉片的流線方向作為數(shù)控加工的走刀路線。

1.2 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水斗的數(shù)控加工

沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪水斗是一種大型的復(fù)雜曲面零件，其直徑一般為1～4m，中心為圓形實(shí)體結(jié)構(gòu)，外圈有多個(gè)均布的勺形水斗。目前有4種針對該零件的加工制造方法：鉚接加工、焊接加工、整鑄鏟磨與數(shù)控加工。其中，前兩種方法都是將中心實(shí)體和小水斗分開制作，成型后再進(jìn)行連接，這樣雖然降低了加工難度，但總體制造精度和質(zhì)量很難保證。整鑄鏟磨和數(shù)控加工均屬于整體加工方法，相對于整體鏟磨，數(shù)控加工在加工質(zhì)量、效率以及穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢更加明顯，其關(guān)鍵技術(shù)如下：

1.2.1 采用等殘留高度螺旋交叉法規(guī)劃刀具軌跡。首先采用螺旋走刀模式，結(jié)合等殘留高度法，從初始刀軌加工至末尾刀軌，然后保持行距、步長等加工參數(shù)不變，沿著走刀步長行進(jìn)方向的相同方向、走刀行距行進(jìn)方向的反向，從上一步的末尾刀軌加工至初始刀軌。這樣，水斗表面便呈現(xiàn)細(xì)微的交叉網(wǎng)格狀，確保軌跡連續(xù)性和表面粗糙度要求。

噢，媽的。等我知道身子疼痛的時(shí)候，那已經(jīng)是三天以后了。但，我依然清晰地記著，小六子手中的那根榆木鎬柄在即將砸向我頭頂?shù)臅r(shí)候，他的面龐仍然是笑容可掬。

1.2.2 通過刀具離散化進(jìn)行干涉檢測。基于K-D樹檢索模型，首先檢索水斗加工刀軌網(wǎng)格中的所有坐標(biāo)，找出刀位點(diǎn)三個(gè)方向坐標(biāo)值的最大值與最小值，并計(jì)算兩者之間的坐標(biāo)平均值，劃分集合樹。然后按照同樣的方法重復(fù)操作，關(guān)注另一維度劃分結(jié)果的同時(shí)，對上一步的集合樹再次劃分，直到集合樹種的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于設(shè)定值。接著，用沿著刀軸方向的坐標(biāo)點(diǎn)近似表示整個(gè)刀具，并在各個(gè)點(diǎn)的檢索范圍搜索目標(biāo)點(diǎn)。最后，通過比較目標(biāo)點(diǎn)與刀軸的距離，初步判定是否發(fā)生了干涉，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行二次確認(rèn)。

1.3 混流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉的數(shù)控加工

固定導(dǎo)葉是混流式水輪機(jī)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，與座環(huán)的上、下環(huán)板共同組成水流通道，實(shí)現(xiàn)對水的導(dǎo)流。因此，在工作過程中，不僅要求其具有良好的水力性能，還需要擁有良好的剛度和強(qiáng)度，確保支撐穩(wěn)固[4]。目前，為了提高固定導(dǎo)葉的加工質(zhì)量和效率，一般采用梯形下料，型線和坡口均使用數(shù)控加工。關(guān)鍵工步與技術(shù)如下：

型面開粗加工。這一階段的主要任務(wù)是快速去除加工余量，采用等高區(qū)域清除加工方法，每一層高之間，都使用螺旋封閉的走刀方式，從外部向內(nèi)部對層高之間的區(qū)域進(jìn)行清除。并基于高速切削理論，通過進(jìn)給優(yōu)化，提高加工效率。

型面精加工。由于導(dǎo)葉形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以需要分區(qū)域進(jìn)行精加工。陡峭的區(qū)域使用等高精加工，平緩的區(qū)域使用平行精加工，確保滿足加工精度的前提下，最大限度提高加工效率。

1.4 大型水輪機(jī)頂蓋的數(shù)控加工

頂蓋是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，工作中不僅要承受水導(dǎo)密封、控制環(huán)、主軸密封等部件重量，還要承受活動導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)力、水流壓力等動力作用，所以必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。白鶴灘水輪機(jī)頂蓋最大直徑為11010mm，高度2645mm。整體形狀為圓形，由過圓心的兩條直線將其分為四瓣，每90°有一個(gè)合縫面，總共8個(gè)合縫面，該面的精度要求高，需要使用塞尺檢測接合情況。基于頂蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且尺寸較大，加工精度要求高，所以一般使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

1.4.1 采用22m數(shù)控立車進(jìn)行頂蓋表面及軸孔的加工。該機(jī)床俄羅斯制造，采用EIEMENS840C數(shù)控系統(tǒng)，卡盤直徑10m，最大加工直徑22m，最大加工重量700噸，具有數(shù)控分度和銑鏜功能。加工時(shí)，首先采用正放、反放兩種工位狀態(tài)進(jìn)行裝夾，完成圓形表面的車削加工。然后直接利用銑鏜功能完成導(dǎo)葉軸孔的粗鏜、半精鏜。

1.4.2 采用數(shù)控鏜床進(jìn)行合縫面的加工。頂蓋由4瓣組成，由于把合孔和銷套孔的畫線在毛坯面上，所以首先需要將把合孔、銷套孔加工成形，然后銑合縫面。兩個(gè)1/4瓣加工完成后，把合為一個(gè)1/2頂蓋，與數(shù)控鏜床上繼續(xù)加工把合孔、銷孔和合縫面。兩個(gè)1/2頂蓋加工完成后，將二者把合為一個(gè)完整的圓形，利用塞尺對合縫面進(jìn)行檢查，并進(jìn)行必要的修正。

2 CAD/CAM技術(shù)在水輪機(jī)加工中的應(yīng)用

CAD/CAM技術(shù)誕生于50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空、軍事產(chǎn)業(yè)中，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和軟硬件的發(fā)展而迅速成長起來。近20年來，CAD/CAM技術(shù)成為發(fā)展最快速的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)之一，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、能源設(shè)備等行業(yè)。同時(shí)，CAD/CAM技術(shù)也是推動制造業(yè)發(fā)展的最實(shí)用性技術(shù)之一，代表著制造業(yè)未來的發(fā)展方向。

2.1 基于OPTIMUS的銑削參數(shù)優(yōu)化

OPTIMUS是Noesis Solutions公司開發(fā)的過程集成與多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，作為一款強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、船舶等復(fù)雜產(chǎn)品的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。用戶可基于OPTIMUS進(jìn)行集成和管理復(fù)雜的仿真流程，并利用多種優(yōu)化算法自動探索以得到優(yōu)化方案，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低機(jī)械零部件的研發(fā)和加工成本。

某大型軸流式水輪機(jī)葉片以提高表面質(zhì)量和加工效率為目標(biāo)，通過OPTIMUS平臺進(jìn)行了銑削性能分析與優(yōu)化。其優(yōu)化流程如下：

依據(jù)加工要求，創(chuàng)建葉片的三維模型，初步確定其進(jìn)給量、切削速度等加工參數(shù)。

利用集成的加工仿真軟件，對葉片進(jìn)行加工仿真分析。

通過二次開發(fā)程序，提取葉片加工過程的切削參數(shù)，并基于集成的數(shù)控銑削切削力的預(yù)測模型，對葉片加工過程的切削力進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測，觀察不同切削參數(shù)下的切削力情況。

以加工效率和成本為目標(biāo)函數(shù)，利用前述約束條件，不斷重復(fù)前述步驟，直至切削參數(shù)滿足加工要求，完成銑削加工參數(shù)的選擇與優(yōu)化。

式中，V表示切削速度，fz表示每齒進(jìn)給量，F(xiàn)表示切削力，P表示機(jī)床的有效功率，Ra表示零件表面粗糙度。

2.2 基于UG的三維造型與數(shù)控加工編程

UG是SIEMENS公司開發(fā)的一套集CAD、CAM、CAE 功能于一體的三維參數(shù)化軟件，是當(dāng)今最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造的高端軟件，用于航空、航天、汽車、輪船、通用機(jī)械和電子等工業(yè)領(lǐng)域[5]。它能夠提供可靠、精確的刀具路徑，可以直接在曲面及實(shí)體上加工；具有良好的使用者界面，且客戶可自行化設(shè)計(jì)界面；提供多種加工方式，便于設(shè)計(jì)出高效率的刀具路徑；具有加工參數(shù)庫和大型刀具庫管理功能；可以進(jìn)行二軸到五軸銑削、車床銑削等多種數(shù)控加工編程。

某水輪機(jī)葉片進(jìn)水邊長3.7m，出水邊長6.8m，上冠、下環(huán)約7m，正面、背面的表面積約36m2。由于葉片與下環(huán)和上冠的交線較長，且扭曲度較高，給數(shù)控加工過程的機(jī)床選擇、仿真編程帶來了很大的困難。因此，采用UG軟件對該葉片進(jìn)行數(shù)控加工。

2.2.1 葉片曲面造型過程如下：首先構(gòu)建平面曲線，然后構(gòu)造空間截面線、構(gòu)造曲面，最后創(chuàng)建葉片與柄部、前緣與后緣過渡區(qū)域。

2.2.2 利用UG固定軸加工模塊加工葉片型面。使用面驅(qū)動的方法進(jìn)行加工，通過控制驅(qū)動面的大小，控制零件的加工區(qū)域，并通過調(diào)整刀具的進(jìn)刀點(diǎn)、走刀方向和方式等，提高加工效果。

2.2.3 采用線驅(qū)動的方式加工過渡面。首先根據(jù)加工表面的粗糙度要求，創(chuàng)建驅(qū)動線。然后將該線投影到待加工表面，生成加工軌跡。

2.3 基于VERICUT的數(shù)控加工仿真

VERICUT是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由機(jī)床運(yùn)動仿真模塊塊、NC程序驗(yàn)證模、實(shí)體比較模塊、優(yōu)化路徑模塊、高級機(jī)床特征模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真數(shù)控車床、銑床、加工中心和多軸機(jī)床等多種加工設(shè)備的數(shù)控加工過程，也可以通過其進(jìn)行NC程序優(yōu)化，延長刀具壽命、縮短加工時(shí)間、改進(jìn)表面質(zhì)量，檢查過切、欠切，防止發(fā)生機(jī)床超行程、刀具碰撞等錯(cuò)誤。

某型號混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片最大外形尺寸5.6m×4.2m×2.3m，預(yù)使用德國5FZG龍門五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，該機(jī)床有4個(gè)直線軸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和一個(gè)擺動軸，最多可達(dá)到五軸聯(lián)動加工。利用VERICUT對其進(jìn)行數(shù)控加工仿真流程如下：①搭建5FZG機(jī)床模型，配置運(yùn)動關(guān)系；②調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)；③導(dǎo)入葉片毛坯模型；④建立坐標(biāo)系系統(tǒng)；⑤建立編程原點(diǎn)，設(shè)定坐標(biāo)系偏置；⑥創(chuàng)建刀具；⑦設(shè)置碰撞檢查、行程極限并檢查機(jī)床運(yùn)動情況；⑧導(dǎo)入程序并進(jìn)行仿真加工。

3 結(jié)束語

數(shù)控加工與CAD/CAM技術(shù)在水輪機(jī)制造過程中得到了廣泛而有效的運(yùn)用。利用數(shù)控加工，結(jié)合CAD/CAM技術(shù)，不僅解決了水輪機(jī)葉片、水斗等復(fù)雜零件的制造困難，而且提高了零件的表面精度和加工效率，為水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造提供了有力的保障。