1. 引言
水輪機轉輪是水輪發電機組的心臟，其轉輪葉片的制造技術和制造質量直接影響機組運行的水力性能和機組的可靠性。水輪機轉輪葉片是非常復雜的雕塑曲面體零件，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,，其生產效率非常低下，葉片型面精度難以保證，而且手工砂輪鏟磨的勞動強度大，工作環境非常惡劣，已不能滿足技術進步的要求，也不能有效地保證葉片型面準確性和制造質量，更不能滿足當今發電設備市場競爭的要求。"大型水輪機葉片的五軸聯動數控加工工藝技術"是當今世界發電設備制造業中的關鍵技術之一，也是當今機械加工技術中的尖端高技術。它涉及到計算機輔助產品的三維造型，計算機仿真模擬加工，五軸聯動CNC技術，復雜的金屬切削技術，三維曲面型面測量及定位技術，以及毛坯制造等。國外世界一流的發電設備制造公司，在80年代就開始投入了大量的人力和財力進行了大量的研究與開發，因有相當大的技術難度，現也只有個別幾家公司掌握了該技術，并極為保密，作為市場競爭的有力技術手段，也是保證水輪機水力性能的有效技術手段之一。隨著三峽工程的建設，大型水輪機葉片數控加工技術的研究與開發，也作為三峽機組制造技術中非常關鍵的項目之一，經過嚴格的評審，被納入國家自然科學基金會，機械工業發展基金會聯合資助的重大項目中的內容之一，受到兩基金會的資助，同時也是國務院三峽建設委員會委派的三峽機組攻關項目。研究開發"大型水輪機葉片五軸聯動數控加工工藝技術"，不僅對三峽機組制造，而且對整個水輪機制造行業的技術進步，提高我國水電設備制造業的市場競爭力都有著重要的意義。我公司組織了一定的人力針對大型葉片數控加工中的相關技術進行了研究與開發，并成功地用于某大型軸流式水輪機葉片(高壩洲電站)制造，為國內首次整機全采用數控加工葉片，關鍵在于成功地應用計算機仿真加工技術。
2. 大型軸流式水輪機葉片的結構特點
高壩洲機組是一個高水頭軸流式機組，其水輪機轉輪直徑為f5.8m。葉片從進水邊到出水邊扭曲度大，在葉片背面輪緣帶有外裙邊，在葉片輪轂側帶有很大的內裙邊。內裙邊在法蘭球面區為恒R(正面R265.2mm，背面R232.0mm)過渡曲面，從法蘭球面區至進、出水邊的曲面R沿空間曲線變化過渡到零。葉片法蘭至外緣直徑為f1180mm。由于該葉片與一般軸流式葉片在結構上相比有一些特殊性，正因如此，這給加工工藝和仿真加工編程造成了更大的難度。高壩洲水輪機葉片如圖1所示。
圖1 葉片設計示意圖
3. 數控加工工藝方案
根據要加工葉片的結構特點及采用的5FZG龍門移動式數控機床的結構，以及葉片毛坯具體狀況仔細研究分析對比，決定采用以葉片旋轉軸線和法蘭端面作為定位基準。葉片有多張曲面需要加工，大過流面采用五軸聯動銑削加工，沿FLOWLINE(流線)"RASTER"走刀。為了解決加工過程中防機床碰撞問題，對于葉片正背面大面分區域、采用不同直徑的刀具、不同的刀軸控制方式來加工。區域的劃分原則是在不碰撞的條件下盡量采用大直徑的曲面面銑刀加工。由于機床的NC銑頭法蘭直徑為f1.23m，區域的劃分必須借助于后述的仿真加工多次模擬來決定。由于毛坯余量分布很不均勻，采用多次粗銑和一次精銑。整個加工方案必須采用仿真加工技術在計算機上仿真驗證修改完善的基礎上來制定，否則在加工中可能會出現很多預想不到的問題。
裝夾定位與夾具
以葉片旋轉軸心線為基準，在葉片輪緣上焊工藝軸，粗車法蘭端面，然后在工藝軸和法蘭端面打兩頂尖孔。相應的夾具采用兩頂尖座，一為固定頂尖座，置于法蘭端，另一為軸向可調頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端。在法蘭端面標記有葉片加工位置(相對設計位置－10°，由后述仿真加工確定)。利用夾具和標記，借助機床的功能，找正到加工位置，確定工件零點，并在加工面的反面上焊拉耳，采用通用的千斤頂和拉桿拉壓夾緊。該套夾具簡單易行，可通用于軸流式葉片加工。
圖2 加工區域示意
加工部位與加工區域的劃分
軸流式葉片加工部位有葉片正背面型面，進出水邊，內外裙邊過渡面，輪緣等。為了避免碰撞及刀具干涉等，經過后述的仿真加工多次修改并驗證，如圖2所示，葉片正背面各分為三個區域進行加工，其原則是在機床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下，盡量加大Ap1、As1區域以提高加工效率。Ap1和As1采用φ200曲面面銑刀五軸聯動加工，Ap2和As2采用φ125曲面面銑刀五軸聯動加工，Ap3和As3采用φ100球頭刀3.5軸聯動加工。進出水邊采用φ100螺旋玉米立銑刀五軸聯動側銑。
圖3 葉片五軸聯動數控加工用刀具
加工刀具
加工葉片的刀具比一般機械加工選用刀具要考慮更多的因素。首先，采用的銑刀刀盤幾何形狀要適應曲面加工，要具有良好的切削性能及排屑和斷屑性能，并不僅要適應于凸曲面，而且還要適用凹曲面，這對于刀具干涉是很重要的因素。在選用刀具時，不僅要根據機床的功率，銑頭的轉速，葉片材質及刀具和刀片的有關切削參數作計算，而且更進一步要根據后述的仿真加工將其刀盤、刀片及刀桿和銑頭進行仿真和干涉檢查計算，以進行綜合考慮。如果刀具干涉，必須修改刀具方案及加工方法等，也就是最后確定的刀具必須在仿真和干涉檢查驗證沒有問題后才能得知。在機床功率、銑頭轉速范圍和機床剛性足夠的條件下，在仿真加工采用不同直徑刀具進行計算，盡量采用大直徑刀具以提高加工效率。對于高壩洲葉片，經過計算和仿真加工驗證，對于Ap1和As1區域采用具有60°主偏角的4面刃的重型切削φ200曲面面銑刀，Ap3和As3采用特制的長切削刃φ100球頭刀，Ap2和As2采用可大進給切削帶8面刃圓弧刀片的φ125曲面面銑刀。進出水邊采用可大進刀量的φ100螺旋玉米立銑刀。
葉片測量
葉片測量包括加工前毛坯測量和加工后型面檢測。國外采用光電經緯儀測量系統進行毛坯測量和加工后的抽檢[1]。目前，我公司尚未具備這方面的條件。對于毛坯測量，我們根據毛坯鑄造技術水平，將葉片型面法向偏置一給定值，按類似于加工方法編制檢查程序，確定加工部位的余量分布情況，再根據分布情況決定從哪個程序開始加工。加工完型面后，采用三維測量技術對葉片加工后的型面進行檢測，加工出的型面的準確度很好，大大高于IEC193標準要求。
4. 仿真加工與編程
水輪機葉片是非常復雜的雕塑曲面體，若要成功采用五軸聯動數控加工，其關鍵在于開發利用計算機仿真加工技術，這對大型葉片數控加工尤為重要，再之，這也是五軸聯動加工編程的先進技術手段。大型葉片五軸聯動數控加工的自動編程要同時考慮的問題較多，比一般的自動編程要復雜得多，必須通過計算機仿真驗證。葉片的計算機仿真加工是葉片多軸聯動數控加工工藝中最關鍵和技術性最強的工作，是輔助制定工藝方案和編制加工程序的基礎。通過仿真加工反復修改完善尋求合理加工方案和具體加工方法。主要工作是在二次開發的基礎上，用SDRC公司CAMANDCAD/CAM軟件來實現仿真加工。葉片的仿真加工及編程如圖4所示。
圖4 葉片的仿真加工及編程
葉片的三維造型
水輪機葉片的型線和型面必須嚴格按設計的要求模擬，因為這是要影響其流體動力性能以致于整個機組的性能，在造型時要考慮如下工程要求。
將葉片曲面體合理分成多張曲面的組合，以便準確模擬葉片曲面體；各張曲面的造型方法選擇，要能準確定義和反映實際工程的要求；曲面造型的誤差控制，曲面的裁剪與延拓等曲面運算；根據仿真加工時的工藝方案，按各張曲面的加工方法，來劃分葉片各張曲面。
軸流式水輪機葉片是由帶球面的法蘭和多張雕塑曲面組成的曲面零件，不能用解析方程來定義這些曲面。如何準確地采用數值方法來模擬葉片每張曲面，尤其對大型葉片，這是極為重要的。采用NURBS曲面逼近方法能準確地數值模擬出葉片上的每張曲面，也便于多軸聯動數控加工刀位軌跡計算軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、背面的過渡曲面等構成。葉片正背面是按在圓柱坐標系下給出的型值點，編寫一個程序將型值點按圓柱截面讀入，并轉換到直角坐標下，轉換成CAMAND的REVPOST格式，沿圓柱截面線作LOFTED的SPLINE曲線，再按過曲線方法作出LOFT曲面，這樣作出正、背面，并向輪緣和輪轂延拓曲面。按圖紙作輪緣和輪轂的球面，再用圓柱面作出法蘭軸，用輪轂球面去TRIM法蘭軸。按圖紙要求作法蘭與正背面的等半徑FILLET面，法蘭向進、出水邊的變半徑FILLET面，并TRIM輪轂球面，延拓葉片輪緣的正背面按圖紙作出輪緣處背面的裙邊，用裙邊和葉片正、背面TRIM輪緣球面，再用輪緣球面TRIM正背面多余延拓的部分，按圖紙上的進水邊放大圖作出頭部曲面，出水邊曲面因厚度很薄，般近似作一直紋面即可，這樣就在CAMAND上完成了軸流式葉片造型，應注意的是，造型的目的是為了加工，在造型時必須考慮加工方法，軸流式葉片的三維造型如圖5所示。
圖5 軸流式葉片及轉輪的三維造型圖
刀位計算和刀具干涉檢查計算及切削仿真
首先，根據葉片的結構特點，初定加工方案(MACHININGSTRATEGY)，劃分加工區域，按CAMAND軟件定義所用刀具的幾何參數，包括刀片的幾何形狀，刀盤的幾何形狀，切削刃長，刀桿及連接系統幾何形狀等，再定義與機床有關的參數，包括一些機床特征和限制，可加工的空間范圍，銑頭轉角和擺角限制及方向等，完成構造機床配置文件。接下來各加工區域曲面特點，選擇不同的加工走刀控制方法計算出各區域刀位，結合后述的碰撞干涉檢查，檢查區域劃分是否合理。在加工葉片型面時，選擇合理的加工走刀方向，直接關系到加工效率的高低。經過分析后，決定選擇沿葉片造型的參數線作為FLOWLINE銑削加工的方向，此方向葉片型面的曲率變化較小，有利于切削工藝性能改善。
對于軸流式葉片，應根據葉片法蘭和裙邊等結構特點，對葉片進行分區加工。在不同的區域采用不同的刀具和刀軸控制方式，以盡量提高加工效率。CAMAND軟件的曲面加工有多種靈活的刀軸控制算法，在大過流面可采用TILT方式，在葉片進出水邊采用TANTO方式，在輪轂的過渡曲面采用ADVANCEDPROJECTION方式，在輪緣處采用CURVE/VECTORPOINTSET方式加工。尋找到較為合理的區域劃分后，進一步調整加工方法中的刀軸控制方式的參數，進出刀控制等主要有可能導致碰撞的因素再進行刀位計算和后述的仿真檢查，修調各參數。
在進行葉片刀位計算過程中值得注意的是，為了改善刀具切削條件，視其加工面的曲率變化情況及刀具長度，在TILT方式計算五軸聯動刀位時，給定一個2～4°左右的LEADANGLE和1～5°左右的TILTANGLE。在不碰撞的條件下，對刀具(刀盤和切削刃)及刀桿進行干涉檢查。刀具干涉用VERICUT進行圖形仿真檢查，如有任何干涉，則反復前述各步修改可能影響的多個因素，直至生成仿真時沒有干涉和碰撞的刀位，并將其作為可用刀位，在此刀位和有關加工參數基礎上加上刀具的切削參數等再計算刀位，其刀位為最終加工用刀位，供后處理生成加工代碼。
圖6 葉片數控加工仿真流程
圖7 機床的五軸銑頭
機床仿真及碰撞檢查
對于大型葉片加工，為了機床和工件的安全，進行機床仿真以防銑頭碰撞和刀具干涉等是非常必須的，加工仿真流程如圖6所示。在前已述，如仿真中發現碰撞和干涉，必須修改加工方案和加工方法。利用SDRC/CAMAND構造出加工葉片所用NC銑頭〔如圖7〕，根據銑頭結構和運動關系，按CAMAND軟件的Simulation功能的要求定義出銑頭上的主動軸幾何(PrimaryGeometry)和從動軸幾何(SecondaryGeometry)，并規定第4軸和第5軸的關系。在Simulation中可采用連續或單步控制模擬加工過程中銑頭和刀桿的空間運動，檢查銑頭和刀桿與工件和夾具是否有碰撞和干涉(如圖8所示)。值得注意的是，5FZG機床的NC銑頭的B軸在機械上是有限制(±360°)，在機床的配置文件中設置(±358°)較為安全。在連續加工時，B角積累到358°時，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反轉并后退一步再進刀，以免損壞刀具和劃傷已加工表面。在Simulation的仿真過程中可觀察到和真實加工時一致的銑頭的運動，對于可能碰撞的部位，可單步向前和向后控制便于仔細觀察，并可查詢各坐標軸的值，便于分析，以修改工藝方案和加工方法。機床仿真和前面已述的刀位計算及刀具干涉檢查須互相配合，經過反復修改，才可計算出合理而又"放心"的刀位。
圖8 軸流式葉片五軸刀位及仿真
后置處理及加工程序
后置處理是將前述計算出的合理刀位轉換成特定機床數控系統格式代碼，后處理流程如圖9所示。后處理軟件必須針對特定機床開發，包括機床配置模塊(CFG)和將刀位軌跡翻譯成特定機床代碼的模塊(PPR)。對于五軸聯動后處理要特別注意各坐標之間的運動關系。
圖9 后置處理流程
利用CAMAND/UPP5模塊，用其定義的命令語言開發出專用于5FZG機床的后處理器，再協同針對5FZG機床編寫的機床配置文件(MachineToolConfigurationFile)，將前述已得合理的中間刀位(ITP)進行轉換生成可控制機床的加工代碼。由于5FZG機床CNC裝置零件內存(PartMemory)容量的限制，再兼顧加工的各工步，將葉片加工程序分成多個程序，如高壩洲葉片分成40多個加工程序，約5MB，通過PC的RS232和Sinumerik880M的RS232串口用PCIN通信軟件進行程序傳送。
5. 大型軸流式葉片的數控加工
在5FZG的固定工作臺上，按編程設定的機床毛坯加工方向安裝好夾具，吊裝葉片并找正，測量工件零點并置于NC零偏寄存器，先用檢查程序檢查并標記背面余量，翻轉180°再找正，用正面余量檢查程序檢查并標記余量，如總體上有余量，裝夾拉緊，然后按要求進行檢查，達到加工要求方可開始進行加工。加工之前應該確認刀具及連接系統的尺寸是否與編程一致，因5FZG機床尚無五軸刀具長度補償功能。加工中先按程序加工進出水邊，然后根據余量分布情況，按程序對各加工區域粗銑或精銑。正面加工完后，在靠輪緣的進出水邊處銑兩小平面供加工背面輔助找正用。在正面按程序鉆檢查定位用標記孔。然后翻轉180°找正，按類似正面加工過程加工背面。加工葉片的每一個環節都必須仔細，加工出的葉片經各項檢查，完全滿足設計要求，葉片型面準確度大大高于IEC193標準要求。
6. 結束語
水輪機轉輪葉片五軸聯動數控加工技術是當今世界發電設備制造業中的最先進高技術之一，大型水輪機葉片五軸聯動數控加工涉及到計算機輔助產品三維造型技術，計算機模擬及仿真加工技術，五軸聯動加工機床仿真及后置處理，針對葉片的合理加工工藝方案，裝夾定位技術與夾具設計與制造，加工方案配以合理的刀具和切削參數，以及毛坯制造等多個環節和多方面的技術。可以說，每個環節和涉及到的技術都是新技術問題。我公司有關技術人員經過不懈的艱苦努力，作了大量的基礎和開發工作，首次并成功地將開發的大型水輪機葉片五軸聯動數控加工技術用于高壩洲電站水輪機葉片加工，為國內制造廠首次整個電站和整機葉片全套采用數控加工。從加工后的葉片測量數據分析，加工精度已達到國際先進水平，從加工過程來看，加工效率已接近國際先進水平，為國內技術領先水平。該技術的開發成功，具有很好的社會和經濟效益，不僅對三峽機組制造，而且對整個水輪機制造行業的技術進步，提高我國水電設備制造業的市場競爭力都有著重要的意義。
7. 鳴謝
在項目的研究和開發過程中，使用SDRC/CAMAXCAMAND軟件進行仿真加工模擬，得到精品機械公司北京辦事處楊柳先生在技術上的大力支持，在此表示感謝！