大型混流式葉片的多軸聯(lián)動數(shù)控加工編程技術

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1、大型混流式葉片的多軸聯(lián)動數(shù)控加工編程技術一、引言水輪機是水力發(fā)電的原動機，水輪機轉輪葉片的制造轉輪的優(yōu)劣對水電站機組的安全、可靠性、經濟性運行有著巨大的影響。水輪機轉輪葉片是非常復雜的雕塑面體。在大中型機組制造工藝上，長期以來采用的“砂型鑄造→砂輪鏟磨→立體樣板檢測”的制造工藝，不能有效地保證葉片型面的準確性和制造質量。目前采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術是當今機械加工中的尖端高技術。大型復雜曲面零件的數(shù)控加工編程則是實現(xiàn)其數(shù)字化制造的最重要的技術基礎，其數(shù)控編程技術是一個數(shù)字化仿真評價及優(yōu)化過程。其關鍵技術包括：復雜形狀零件的三維造型及定位，五軸聯(lián)動刀位軌跡規(guī)劃和計算，加工雕塑曲面體的刀軸

2、控制技術，切削仿真及干涉檢驗，以及后處理技術等。大型復雜曲面的多軸聯(lián)動數(shù)控編程技術使雕塑曲面體轉輪葉片的多軸數(shù)控加工成為可能,這將大大推動我國水輪機行業(yè)的發(fā)展和進步，為我國水電設備制造業(yè)向著先進制造技術發(fā)展奠定基礎。二、大型混流式水輪機葉片的多軸數(shù)控加工編程過程大型復雜曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控編程比普通零件編程要復雜得多，針對混流式葉片體積大并且型面曲率變化大的特點，通過分析加工要求進行工藝設計，確定加工方案，選擇合適的機床、刀具、夾具，確定合理的走刀路線及切削用量等；建立葉片的幾何模型、計算加工過程中的刀具相對于葉片的運動軌跡，然后進行葉片的切削仿真以及機床的運動仿真，反復修改加工參

3、數(shù)、刀具參數(shù)和刀軸控制方案，直到仿真結果確無干涉碰撞發(fā)生，則按照機床數(shù)控系統(tǒng)可接受的程序格式進行后處理，生成葉片加工程序。其具體編程過程如圖1所示。圖1大型混流式葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工編程流程1.混流式水輪機葉片的三維幾何建模混流式葉片這一復雜雕塑曲面體由正面、背面、與上冠相接的帶狀回轉面、與下環(huán)相接的帶狀回轉面、進水邊曲面、出水邊曲面、進水邊頭部曲面等構成。由于葉片沿流面描述的三維坐標點數(shù)據(jù)量太大，可編寫一個Grip程序讀入這些三維坐標點，然后采用雙三次多補片曲面片通過自由形式特征的通過曲線的方法進行曲面造型，如圖2所示。葉片的毛坯形狀可從設計數(shù)據(jù)點進行偏置計算處理，或者從三維測量

4、得到的點云集方式確定對葉片的各個曲面分別進行NURBS曲面造型，并縫合成實體。圖2混流式葉片三維造型2.葉片加工工藝規(guī)劃加工方案和加工參數(shù)的選擇決定著數(shù)控加工的效率和質量。水輪機葉片是非常復雜的雕塑曲面體，我們根據(jù)要加工葉片的結構和特點可選擇大型龍門移動式五坐標數(shù)控銑鏜床，根據(jù)三點定位原理經大量的研究分析，決定在加工背面是采用通用的帶球形的可調支撐，配以葉片焊接的定位銷對葉片定位，在葉片上焊接必要的工藝塊，采用一些通用的拉緊裝置來裝夾。加工正面時，采用在加工背面時配合銑出的和背面型面完全一致的胎具，將葉片背面放入胎具，利用焊接的工藝塊進行調整找正，仍然采用通用的拉壓裝置進行裝夾。由于

5、葉片有多張曲面組合而成,為了解決加工過程中的碰撞問題，我們可采用沿流線走刀，對于葉片的正背面進行分區(qū)域加工，根據(jù)曲面各處曲率的不同采用不同直徑的刀具、不同的刀軸控制方式來加工。對每個面一般分多次粗銑和一次精銑。在機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。葉片正背面我們選用刀具直徑φ150曲面面銑刀粗銑、φ120曲面面銑刀精銑，葉片頭部曲面采用φ80的曲面面銑刀加工，出水邊采用φ80螺旋玉米立銑刀五軸聯(lián)動側銑。根據(jù)后續(xù)仿真情況反復做刀位編輯，以尋求合理的加工方案。在滿足加工要求、機床正常運行和一定的刀具壽命的前提下盡可能的提高加工效率。3.葉片五軸聯(lián)動

6、加工刀位軌跡的生成針對大型混流式葉片各曲面的特點，進行合理的刀位軌跡規(guī)劃和計算，是使所生成的刀位軌跡無干涉、無碰撞、穩(wěn)定性好、編程效率高的關鍵。由于五軸加工的刀具位置和刀具軸線方向是變化的，因此五軸加工的是由工件坐標系中的刀位點位置矢量和刀具軸線方向矢量組成,刀軸可通過前傾角和傾斜角來控制，于是我們可根據(jù)曲面在切削點處的局部坐標計算出刀位矢量和刀軸矢量。從加工效率、表面質量和切削工藝性能來看，選擇沿葉片造型的參數(shù)線作為銑削加工的方向分多次粗銑和一次精銑，然后劃分加工區(qū)域，定義與機床有關的參數(shù)，根據(jù)以上所選葉片的加工部位、裝夾定位方式、機床、刀具及切削參數(shù)和余量分布情況將葉片分為多個組

7、合面分別進行加工。通過對曲面曲率的分布情況的分析對于不同的區(qū)域采用不同的面銑刀。粗加工給出每次加工的余量，精加工采用同一直徑的銑刀，根據(jù)粗糙度要求給定殘余高度，根據(jù)具體情況選擇切削類型、切削參數(shù)、刀軸方向、進退刀方式等參數(shù)，生成的刀位軌跡如圖3所示。但是對于像葉片這樣的曲率變化很大而又不均勻的雕塑曲面零件我們還要根據(jù)情況作大量的刀位編輯，并且必須進一步通過切削仿真做干涉和碰撞檢查修改和編輯刀軌。圖3混流式葉片的刀軌生成4.葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工仿真數(shù)控加工仿