轉輪葉片是水輪性能量轉換的關頭部件，也是最難加工的零件，今朝多軸聯(lián)動數(shù)控加工是解決該類年夜型雕塑曲面零件最有用的加工方式。多軸聯(lián)動數(shù)控加工編程則是實現(xiàn)其高精度和高效率加工的最重要環(huán)節(jié)。本文介紹年夜型水輪機葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工年夜型雕塑曲面編程中觸及到轉輪葉片三維造型、刀位軌跡計較、切削仿真、機床運動碰撞仿真、后置變換等關頭技術。經(jīng)由過程對這些技術的鏈接和研究，開發(fā)實現(xiàn)了年夜型葉片的多軸聯(lián)動加工。1、引言水輪機是水力發(fā)電的原念頭，水輪機轉輪葉片的制造轉輪的優(yōu)劣對水電站機組的平安、靠得住性、經(jīng)濟性運行有著龐大的影響。水輪機轉輪葉片長短常復雜的雕塑面體。在年夜中型機組制造工藝上，持久以來采用的“砂型鑄造――砂輪鏟磨――立體樣板檢測”的制造工藝，不能有用地保證葉片型面的準確性和制造質(zhì)量。今朝采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術是現(xiàn)今機械加工中的尖端高技術。年夜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根蒂根基，其數(shù)控編程技術是一個數(shù)字化仿真評價及優(yōu)化進程。其關頭技術包括：復雜外形零件的三維造型及定位，五軸聯(lián)動刀位軌跡計劃和計較，加工雕塑曲面體的刀軸控制技術，切削仿真及干與檢驗，和后處置技術等。年夜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,這將年夜年夜推動我國水輪機行業(yè)的成長和前進，為我國水電裝備制造業(yè)向著進步前輩制造技術成長奠基根蒂根基。2、年夜型水輪機葉片的多軸數(shù)控加工編程進程年夜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，針對水輪機葉片體積年夜而且型面曲率變化年夜的特點，經(jīng)由過程分析加工要求進行工藝設計，肯定加工方案，選擇合適的機床、u刀具/u、夾具，肯定合理的走刀線路及切削用量等；建立葉片的幾何模子、計較加工進程中的u刀具/u相對葉片的運動軌跡，然落后行葉片的切削仿真和機床的運動仿真，頻頻修改加工參數(shù)、刀具參數(shù)和刀軸控制方案，直到仿真成效確無干與碰撞發(fā)生，則依照機床數(shù)控系統(tǒng)可接受的法式花式進行后處置，生成葉片加工法式。其具體編程進程如圖1所示。palign=center圖1年夜型混流式葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工編程流程
2．1水輪機葉片的三維幾何建模水輪機葉片是由多張雕塑體曲面組成的曲面零件，是不能用解析方程界說這些曲面的。為了知足葉片設計的流體動力學特征要求，我們采用NURBS曲面迫近方式進行曲面造型。對于混流式葉片這一復雜雕塑曲面體由正面、后背、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、進水邊頭部曲面等組成；軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、后背，進水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面和柱面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、后背的過度曲面等組成。由于葉片沿流面描寫的三維坐標點數(shù)據(jù)量太年夜，可編寫一個Grip法式讀進這些三維坐標點，對于混流式葉片采用雙三次多補片曲面片經(jīng)由過程自由形式特征的經(jīng)由過程曲線的方式進行曲面造型，如圖2所示。而軸流式葉片的正、后背是按在圓柱坐標系下給出的型值點，編寫一個法式將型值點按圓柱截面讀進，并轉換到直角坐標下，沿圓柱截面線作NURBS曲線，然后放樣（LOFT）生成葉片的正、后背曲面，在此根蒂根基上，再造型出其他曲面實現(xiàn)葉片的三維幾何造型，如圖3所示。葉片的毛坯外形可從設計數(shù)據(jù)點進行偏置計較處置，或從三維丈量獲得的點云集方式肯定對葉片的各個曲面劃分進行NURBS曲面造型，并縫合成實體。palign=center圖2混流式葉片三維造型圖3軸流式葉片三維造型
2．2葉片加工工藝計劃加工方案和加工參數(shù)的選擇決議著數(shù)控加工的效率和質(zhì)量。水輪機葉片長短常復雜的雕塑曲面體，針對混流式水輪機葉片我們憑據(jù)要加工葉片的結構和特點選擇年夜型龍門移動式五坐標數(shù)控銑鏜床，憑據(jù)三點定位原理經(jīng)年夜量的研究分析，決議在加工后背是采用通用的帶球形的可調(diào)支持，配以葉片焊接的定位銷對葉片定位，在葉片上焊接需要的工藝塊，采用一些通用的拉緊裝配來裝夾。加工正面時，采用在加工后背時配合銑出的和后背型面完全一致的胎具，將葉片后背放進胎具，哄騙焊接的工藝塊進行調(diào)整找正，依然采用通用的拉壓裝配進行裝夾。由于葉片有多張曲面組合而成,為領會決加工進程中的碰撞問題，我們可采用沿流線走刀，對于葉片的正后背進行分區(qū)域加工，憑據(jù)曲面遍地曲率的分歧采用分歧直徑的刀具、分歧的刀軸控制方式來加工。對每一個面一般分屢次粗銑和一次精銑。在機床與工件和夾具不碰撞和干與情況下，盡量采用年夜直徑曲面銑刀，以提高加工效率。葉片正后背我們選用刀具直徑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。憑據(jù)后續(xù)仿真情況頻頻做刀位編纂，以追求合理的加工方案。在知足加工要求、機床正常運行和一定的刀具壽命的條件下盡量的提高加工效率。2．3葉片五軸聯(lián)動加工刀位軌跡的生成針對年夜型水輪機葉片各曲面的特點，進行合理的刀位軌跡計劃和計較，是使所生成的刀位軌跡無干與、無碰撞、穩(wěn)定性好、編程效率高的關頭。由于五軸加工的刀具位置和刀具軸線標的目的是變化的，是以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標的目的矢量組成,刀軸可經(jīng)由過程前傾角和傾斜角來控制，因而我們可憑據(jù)曲面在切削點處的局部坐標計較出刀位矢量和刀軸矢量。從加工效率、概況質(zhì)量和切削工藝性能來看，選擇沿葉片造型的參數(shù)線作為銑削加工的標的目的分屢次粗銑和一次精銑，然后劃分加工區(qū)域，界說與機床有關的參數(shù)，憑據(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)和余量散布情況將葉片分為多個組合面劃分進行加工。經(jīng)由過程對曲面曲率的散布情況的分析對于分歧的區(qū)域采用分歧的面銑刀。粗加工給出每次加工的余量，精加工采用統(tǒng)一直徑的銑刀，憑據(jù)粗拙度要求給定殘余高度，憑據(jù)具體情況選擇切削類型、切削參數(shù)、刀軸標的目的、進退刀方式等參數(shù)生成刀位軌跡?？墒菍τ谙袢~片這樣的曲率變化很年夜而又不平均的雕塑曲面零件我們還要憑據(jù)情況作年夜量的刀位編纂，而且必需進一步經(jīng)由過程切削仿真做干與和碰撞檢查修改和編纂刀軌。數(shù)控加工仿真經(jīng)由過程軟件模擬加工情況、刀具路徑與材料切除進程來檢驗并優(yōu)化加工法式，在計較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與檢查和機床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工進程，可年夜年夜地下降制造成本，并縮短研制周期，避免加工裝備與葉片和夾具等的碰撞，保證加工進程的平安。加工零件的NC代碼在投進現(xiàn)實的加工之前凡是需要進行試切，水輪機葉片長短常復雜的雕塑曲面體，開發(fā)哄騙數(shù)控加工仿真技術是其成功采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工的關頭。在此，我們首進步前輩行工藝系統(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子，并轉換成仿真軟件可用的花式，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)，并建立機床運動模子，即部件樹，添加各部件的幾何模子，并準肯定位，最后設置機床參數(shù)。接下來將葉片模子變換到加工位置計較出刀具軌跡，再以此軌跡進行葉片切削進程、刀位軌跡和機床運動的三維動態(tài)仿真。這樣就能夠清晰的監(jiān)控到葉片加工進程中的過切與欠切、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與碰撞，從而保證了數(shù)控編程的質(zhì)量，削減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(chǎn)物設計和加工周期，年夜年夜提高生產(chǎn)效率，如在數(shù)控加工行業(yè)進行推行，可發(fā)生龐大的經(jīng)濟和社會效益。軸流式葉片的機床加工仿真如圖4所示，混流式葉片的機床加工仿真如圖5所示。palign=center圖4軸流式葉片的機床加工仿真圖5混流式葉片的機床加工仿真
2．5葉片刀位軌跡的后置處置后置處置使數(shù)控編程的一個重要內(nèi)容，它將我們前面生成的刀位數(shù)據(jù)轉換成適合具體機床的數(shù)據(jù)。后處置最基本的兩個要素就是刀軌數(shù)據(jù)和后處置器。我們應首先領會龍門移動式五坐標數(shù)控銑鏜床的結構、機床配備的附屬裝備、機床具有的功能及功能實現(xiàn)的方式和機床配備的數(shù)控系統(tǒng)，熟悉該系統(tǒng)的NC編程包括功能代碼的組成、寄義。然后運用通用后置處置器導向模板，憑據(jù)以上掌握的常識，開發(fā)定制專用后置處置器。然后將我們已得刀位源文件進行輸進轉換成可控制機床加工的NC代碼。3、竣事語復雜曲面的多軸聯(lián)動數(shù)控編程是一觸及到眾多領域常識的復雜流程，是數(shù)字化仿真及優(yōu)化的進程。本文介紹的年夜型水輪機葉片的多軸聯(lián)動編程技術，已用于工程現(xiàn)實年夜型葉片的數(shù)控編程中，實現(xiàn)了年夜型轉輪葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工的刀位軌跡計較和加工仿真，保證了后續(xù)數(shù)控加工的質(zhì)量和效率，已作為年夜型水輪機葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工的編程工具用于現(xiàn)實生產(chǎn)中。參考文獻：[1]賴喜德?年夜型軸流式水輪機葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術[J]?CAD/CAM，2000.3[2]賴喜德?年夜型“X”混流式水輪機葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術[J]?軍工自動化，2000.No.4[3]賴喜德?年夜型水輪機葉片計較機三維造型及仿真加工[D]?中國科協(xié)第三屆青年學術年會論文集，中國科學技術出書社，1998.8[4]賴喜德，王貞開?混流式轉輪葉片三維造型及仿真技術[D]?第13次中國水電裝備學術計議會論文集，中國黑龍江出書社，1997.9[5]喻道遠，鐘建琳，熊壯，段正澄?空間自由曲面數(shù)控編程中刀位軌跡的計較方式及存在的問題[J]?機械工業(yè)自動化1997.19（1）：21－27[6]KazuakiIwata,MasahikoOnosato,etal.VirtualManufacturingsystemsasAdvancedInformationInfrastructureforIntegratingManufacturingResourcesandActivities,[J]CIRPAnnals,1997.1(46)[7]Y.S.Lee.Mathematicalmodelingusingdifferent
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