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控加工編程則是實現(xiàn)其數字化制造的最重要的技術基礎，其數控編程技術是一個數字化仿真評價及優(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)動數控編程技術使雕塑曲面體轉輪葉片的多軸數控加工成為可能，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u設備/u制造業(yè)向著先進制造技術發(fā)展奠定基礎。
1大型混流式水輪機葉片的多軸數控加工編程過程大型復雜曲面零件的五軸聯(lián)動數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、u刀具/u、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u刀具/u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，反復修改加工參數、刀具參數和刀軸控制方案，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。
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圖1大型混流式葉片的五軸聯(lián)動數控加工編程流程
1.1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、圖2混流式葉片三維造型進水邊曲面、出邊頭部曲面等構成。由于葉片沿流面描述的三維坐標點數據量太大，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據點進行偏置計算處理，或者從三維測量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。
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圖2混流式葉片三維造型
1.2葉片加工工藝規(guī)劃
加工方案和加工參數的選擇決定著數控加工的效率和質量。我們根據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控銑鏜床，根據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。由于葉片由多張曲面組合而成，為了解決加工過程中的碰撞問題，我們采用沿流線走刀，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不干涉情況下，盡量采用大直徑曲面面銑刀，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Φ800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。
1.3葉片五軸聯(lián)動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，根據以上所選葉片的加工部位、裝夾定位方式、機床、圖3混流式葉片的刀軌生成刀具及切削參數和余量分布情況將葉片分為多個組合面分別進行加工。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，根據粗糙度要求給定殘余高度，根據具體情況選擇切削類型、切削參數、刀軸方向、進退刀方式等參數，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。
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圖3混流式葉片的刀軌生成
1.4葉片五軸聯(lián)動數控加工仿真
數控加工仿真通過軟件模擬加工環(huán)境、刀具路徑與材料切除過程來檢驗并優(yōu)化加工程序。在計算機上仿真驗證多軸聯(lián)動加工的刀具軌跡，輔助進行加工刀具干涉檢查和機床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工過程，可大大地降低制造成本，并縮短研制周期，避免加工設備與葉片和夾具等的碰撞，保證加工過程的安全。加工零件的NC代碼在投入實際的加工之前通常需要進行試切，水輪機葉片是非常復雜的雕塑曲面體，開發(fā)利用數控加工仿真技術是其成功采用五軸聯(lián)動數控加工的關鍵。在此，我們首先進行工藝系統(tǒng)分析，明確機床CNC系統(tǒng)型號、機床結構形式和尺寸、機床運動原理和機床坐標系統(tǒng)。用三維CAD軟件建立機床運動部件和固定部件的實體幾何模型，并轉換成仿真軟件可用的格式，然后建立刀具庫，在仿真軟件中新建用戶文件，設置所用CNC系統(tǒng)，并建立機床運動模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，并準確定位，最后設置機床參數。接下來將葉片模型變換到加工位置計算出刀具軌跡，再以此軌跡進行葉片切削過程、刀位軌跡和機床運動的三維動態(tài)仿真。這樣就可以清楚的監(jiān)控到葉片加工過程中的過切與欠切、刀桿和聯(lián)接系統(tǒng)與葉片、機床各運動部件與葉片和夾具間的干涉碰撞，從而保證了數控編程的質量，減少了試切的工作量和勞動強度，提高了編程的一次成功率，縮短了產品設計和加工周期，大大提高生產效率。如在數控加工行業(yè)進行推廣，可產生巨大的經濟和社會效益。葉片的切削仿真如圖4所示，葉片的機床加工仿真如圖5所示。
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圖4混流式葉片的切削仿真圖5混流式葉片的機床加工仿真
1.5葉片刀位軌跡的后置處理
后置處理是數控編程的一個重要內容，它將我們前面生成的刀位數據轉換成適合具體機床的數據。后處理最基本的兩個要素就是刀軌數據和后處理器。我們應首先了解龍門移動式五坐標數控銑鏜床的結構、機床配備的附屬設備、機床具備的功能及功能實現(xiàn)的方式和機床配備的數控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)的NC編程包括功能代碼的組成、含義。然后應用通用后置處理器導向模板，根據以上掌握的知識，開發(fā)定制專用后置處理器。然后將我們已得刀位源文件進行輸入轉換成可控制機床加工的NC代碼。
2結束語復雜曲面的多軸聯(lián)動數控編程是一涉及到眾多領域知識的復雜流程，是數字化仿真及優(yōu)化的過程。本文介紹的大型水輪機葉片的多軸聯(lián)動編程技術，已用于工程實際大型葉片的數控編程中，實現(xiàn)了大型轉輪葉片的五軸聯(lián)動數控加工的刀位軌跡計算和加工仿真，保證了后續(xù)數控加工的質量和效率，已作為大型水輪機葉片五軸聯(lián)動數控加工的編程工具用于實際生產中。
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