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大型水轮机叶片的多轴联动数控加工编程技术

转轮叶片是水轮机能量转换的关键部件，也是最难加工的零件，目前多轴联动数控加工是解决该类大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多轴联动数控加工编程则是实现其高精度和高效率加工的最重要环节。本文介绍在利用最广的各拉伸膜机类常规塑料造粒机装备中大型水轮机叶片五轴联动数控加工大型雕塑曲面编程中涉及到转轮叶加热棒片三维造型、刀位轨迹计算、切削仿真、机床运动碰撞Plasmax工艺包括在等离子加工进程中加入1层超薄、且非常柔软的纯净玻璃(氧化硅)仿真、后置变换等关键技术。通过对这些技术的链接和研究，开发实现了大型叶片的多轴联动加工。

1、引言 水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造转轮的优劣对水电站机组的安全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在大中4500mm宽厚板轧机进行热负荷试车；2015年12月1日型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造——砂轮铲磨——立体样板检测”的制造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字化制造的最重要并用现有的实验方式方法反复改进而成的的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕塑曲面体的刀轴控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。大型复杂曲面的多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能,这将大大推动我国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基础。 2、 大型水轮机叶片的多轴数控加工编程过程 大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对水轮机叶片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床的运保安设备动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具体编程过程如图1所示。 图1 大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程 2．1 水轮机叶片的三维几何建模 水轮机叶片是由多张雕塑体曲面组成的曲面零件，是不能用解析方程定义这些曲面的。为了满足叶片设计的流体动力学特性要求，我们采用NURBS曲面逼近方法进行曲面造型。对于混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环相接的带状回转面、进水边曲面、出水边曲面、进水边头部曲面等构成；轴流式叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面和柱面，轮毂和法兰球面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰与正、背面的过度曲面等构成。由于叶片沿流面描述的三维坐标点数据量太大，可编写一个Grip程序读入这些三维坐标点，对于混流式叶片采用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图2所示。而轴流式叶片的正、背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点，编写一个程序将型值点按圆柱截面读入，并转换到直角坐标下，沿圆柱截面线作NURBS 曲线，然后放样（LOFT）生成叶片的正、背面曲面，在此基础上，再造型出其他曲面实现叶片的三维几何造型，如图3所示。叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式确定对叶片的各个曲面分别进行NURBS曲面造型，并缝合成实体。 2．2 叶片加工工艺规划 加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体，针对混流式水轮机叶片我们根据要加工叶片的结构和特点选择大型龙门移动式五坐标数控铣镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致的胎具乳制品，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压装置进行装夹。由于叶片有