数控加工与CAD/CAM技术在水轮机制造中的应用

2023-02-22周立瑶叶国华房强

科学与信息化 2023年3期

关键词：走刀顶盖导叶

周立瑶叶国华房强

1. 营口理工学院辽宁营口 115014；2. 辽宁泰吉电站设备有限公司辽宁沈阳 110020；3. 辽宁省农业机械化研究所辽宁沈阳 110000

引言

1 水轮机数控加工技术

数控加工技术是指在某一固定机床上，利用数字化系统作为控制媒介，经过现代化的加工手段，实现零件的加工和制造。与传统机械加工相比，数控加工可以提高零件的加工质量和生产效率，实现零件制造的自动化。

1.1 轴流式水轮机叶片的数控加工

轴流式水轮机叶片是水轮机转轮的核心部件，属于自由曲面体，具有大扭曲、变曲率、加工面积大等特点，所以加工时容易变形、加工周期长。利用五坐标数控机床进行加工，可以提高其加工精度和质量。关键技术如下[2-3]：

划分加工区域。轴流式水轮机叶片是一个封闭的曲面体，主要加工部位是正、反两面、法兰球面及过渡面。受机床结构和装夹方式的影响，数控加工时，必须将正、反面划分为3个区域，进行分区域加工。

加工前全面测量。水轮机叶片为铸造件，且所有表面均为曲面，所以各个位置的加工余量分布不均。因此，在加工前，必须对毛坯进行全方位的测量，确保各个位置均满足加工要求。

走刀路线的确定。为了提高叶片的加工效率，避免加工过程的刀具干涉，选择叶片的流线方向作为数控加工的走刀路线。

1.2 冲击式水轮机转轮水斗的数控加工

冲击式水轮机的转轮水斗是一种大型的复杂曲面零件，其直径一般为1～4m，中心为圆形实体结构，外圈有多个均布的勺形水斗。目前有4种针对该零件的加工制造方法：铆接加工、焊接加工、整铸铲磨与数控加工。其中，前两种方法都是将中心实体和小水斗分开制作，成型后再进行连接，这样虽然降低了加工难度，但总体制造精度和质量很难保证。整铸铲磨和数控加工均属于整体加工方法，相对于整体铲磨，数控加工在加工质量、效率以及稳定性方面的优势更加明显，其关键技术如下：

1.2.1 采用等残留高度螺旋交叉法规划刀具轨迹。首先采用螺旋走刀模式，结合等残留高度法，从初始刀轨加工至末尾刀轨，然后保持行距、步长等加工参数不变，沿着走刀步长行进方向的相同方向、走刀行距行进方向的反向，从上一步的末尾刀轨加工至初始刀轨。这样，水斗表面便呈现细微的交叉网格状，确保轨迹连续性和表面粗糙度要求。

噢，妈的。等我知道身子疼痛的时候，那已经是三天以后了。但，我依然清晰地记着，小六子手中的那根榆木镐柄在即将砸向我头顶的时候，他的面庞仍然是笑容可掬。

1.2.2 通过刀具离散化进行干涉检测。基于K-D树检索模型，首先检索水斗加工刀轨网格中的所有坐标，找出刀位点三个方向坐标值的最大值与最小值，并计算两者之间的坐标平均值，划分集合树。然后按照同样的方法重复操作，关注另一维度划分结果的同时，对上一步的集合树再次划分，直到集合树种的数据点个数小于设定值。接着，用沿着刀轴方向的坐标点近似表示整个刀具，并在各个点的检索范围搜索目标点。最后，通过比较目标点与刀轴的距离，初步判定是否发生了干涉，并根据实际情况进行二次确认。

1.3 混流式水轮机固定导叶的数控加工

固定导叶是混流式水轮机导叶机构的关键组成部分，与座环的上、下环板共同组成水流通道，实现对水的导流。因此，在工作过程中，不仅要求其具有良好的水力性能，还需要拥有良好的刚度和强度，确保支撑稳固[4]。目前，为了提高固定导叶的加工质量和效率，一般采用梯形下料，型线和坡口均使用数控加工。关键工步与技术如下：

型面开粗加工。这一阶段的主要任务是快速去除加工余量，采用等高区域清除加工方法，每一层高之间，都使用螺旋封闭的走刀方式，从外部向内部对层高之间的区域进行清除。并基于高速切削理论，通过进给优化，提高加工效率。

型面精加工。由于导叶形状结构复杂，所以需要分区域进行精加工。陡峭的区域使用等高精加工，平缓的区域使用平行精加工，确保满足加工精度的前提下，最大限度提高加工效率。

1.4 大型水轮机顶盖的数控加工

顶盖是水轮机导水机构的关键部件，工作中不仅要承受水导密封、控制环、主轴密封等部件重量，还要承受活动导叶旋转力、水流压力等动力作用，所以必须有足够的强度和刚度。白鹤滩水轮机顶盖最大直径为11010mm，高度2645mm。整体形状为圆形，由过圆心的两条直线将其分为四瓣，每90°有一个合缝面，总共8个合缝面，该面的精度要求高，需要使用塞尺检测接合情况。基于顶盖结构复杂，且尺寸较大，加工精度要求高，所以一般使用数控机床进行加工。

1.4.1 采用22m数控立车进行顶盖表面及轴孔的加工。该机床俄罗斯制造，采用EIEMENS840C数控系统，卡盘直径10m，最大加工直径22m，最大加工重量700吨，具有数控分度和铣镗功能。加工时，首先采用正放、反放两种工位状态进行装夹，完成圆形表面的车削加工。然后直接利用铣镗功能完成导叶轴孔的粗镗、半精镗。

1.4.2 采用数控镗床进行合缝面的加工。顶盖由4瓣组成，由于把合孔和销套孔的画线在毛坯面上，所以首先需要将把合孔、销套孔加工成形，然后铣合缝面。两个1/4瓣加工完成后，把合为一个1/2顶盖，与数控镗床上继续加工把合孔、销孔和合缝面。两个1/2顶盖加工完成后，将二者把合为一个完整的圆形，利用塞尺对合缝面进行检查，并进行必要的修正。

2 CAD/CAM技术在水轮机加工中的应用

CAD/CAM技术诞生于50年代后期发达国家的航空、军事产业中，随着计算机图形学和软硬件的发展而迅速成长起来。近20年来，CAD/CAM技术成为发展最快速的技术和产业之一，广泛应用于航空、船舶、能源设备等行业。同时，CAD/CAM技术也是推动制造业发展的最实用性技术之一，代表着制造业未来的发展方向。

2.1 基于OPTIMUS的铣削参数优化

OPTIMUS是Noesis Solutions公司开发的过程集成与多学科协同优化设计软件，作为一款强大的计算机辅助设计平台，广泛应用于汽车、航天、船舶等复杂产品的多学科设计优化。用户可基于OPTIMUS进行集成和管理复杂的仿真流程，并利用多种优化算法自动探索以得到优化方案，从而缩短产品的研制周期，降低机械零部件的研发和加工成本。

某大型轴流式水轮机叶片以提高表面质量和加工效率为目标，通过OPTIMUS平台进行了铣削性能分析与优化。其优化流程如下：

依据加工要求，创建叶片的三维模型，初步确定其进给量、切削速度等加工参数。

利用集成的加工仿真软件，对叶片进行加工仿真分析。

通过二次开发程序，提取叶片加工过程的切削参数，并基于集成的数控铣削切削力的预测模型，对叶片加工过程的切削力进行计算和预测，观察不同切削参数下的切削力情况。

以加工效率和成本为目标函数，利用前述约束条件，不断重复前述步骤，直至切削参数满足加工要求，完成铣削加工参数的选择与优化。

式中，V表示切削速度，fz表示每齿进给量，F表示切削力，P表示机床的有效功率，Ra表示零件表面粗糙度。

2.2 基于UG的三维造型与数控加工编程

UG是SIEMENS公司开发的一套集CAD、CAM、CAE 功能于一体的三维参数化软件，是当今最先进的计算机辅助设计、分析和制造的高端软件，用于航空、航天、汽车、轮船、通用机械和电子等工业领域[5]。它能够提供可靠、精确的刀具路径，可以直接在曲面及实体上加工；具有良好的使用者界面，且客户可自行化设计界面；提供多种加工方式，便于设计出高效率的刀具路径；具有加工参数库和大型刀具库管理功能；可以进行二轴到五轴铣削、车床铣削等多种数控加工编程。

某水轮机叶片进水边长3.7m，出水边长6.8m，上冠、下环约7m，正面、背面的表面积约36m2。由于叶片与下环和上冠的交线较长，且扭曲度较高，给数控加工过程的机床选择、仿真编程带来了很大的困难。因此，采用UG软件对该叶片进行数控加工。

2.2.1 叶片曲面造型过程如下：首先构建平面曲线，然后构造空间截面线、构造曲面，最后创建叶片与柄部、前缘与后缘过渡区域。

2.2.2 利用UG固定轴加工模块加工叶片型面。使用面驱动的方法进行加工，通过控制驱动面的大小，控制零件的加工区域，并通过调整刀具的进刀点、走刀方向和方式等，提高加工效果。

2.2.3 采用线驱动的方式加工过渡面。首先根据加工表面的粗糙度要求，创建驱动线。然后将该线投影到待加工表面，生成加工轨迹。

2.3 基于VERICUT的数控加工仿真

VERICUT是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由机床运动仿真模块块、NC程序验证模、实体比较模块、优化路径模块、高级机床特征模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真数控车床、铣床、加工中心和多轴机床等多种加工设备的数控加工过程，也可以通过其进行NC程序优化，延长刀具寿命、缩短加工时间、改进表面质量，检查过切、欠切，防止发生机床超行程、刀具碰撞等错误。

某型号混流式水轮机转轮叶片最大外形尺寸5.6m×4.2m×2.3m，预使用德国5FZG龙门五坐标数控机床进行加工，该机床有4个直线轴、一个旋转轴和一个摆动轴，最多可达到五轴联动加工。利用VERICUT对其进行数控加工仿真流程如下：①搭建5FZG机床模型，配置运动关系；②调用数控系统；③导入叶片毛坯模型；④建立坐标系系统；⑤建立编程原点，设定坐标系偏置；⑥创建刀具；⑦设置碰撞检查、行程极限并检查机床运动情况；⑧导入程序并进行仿真加工。