轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，也是最難加工的零件，目前多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工是解決該類大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程則是實(shí)現(xiàn)其高精度和高效率加工的最重要環(huán)節(jié)。本文介紹大型水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工大型雕塑曲面編程中涉及到轉(zhuǎn)輪葉片三維造型、刀位軌跡計(jì)算、切削仿真、機(jī)床運(yùn)動(dòng)碰撞仿真、后置變換等關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)這些技術(shù)的鏈接和研究，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了大型葉片的多軸聯(lián)動(dòng)加工。
1、引言水輪機(jī)是水力發(fā)電的原動(dòng)機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的制造轉(zhuǎn)輪的優(yōu)劣對(duì)水電站機(jī)組的安全、可靠性、經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行有著巨大的影響。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是非常復(fù)雜的雕塑面體。在大中型機(jī)組制造工藝上，長(zhǎng)期以來(lái)采用的“砂型鑄造――砂輪鏟磨――立體樣板檢測(cè)”的制造工藝，不能有效地保證葉片型面的準(zhǔn)確性和制造質(zhì)量。目前采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是當(dāng)今機(jī)械加工中的尖端高技術(shù)。大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工編程則是實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化制造的最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，其數(shù)控編程技術(shù)是一個(gè)數(shù)字化仿真評(píng)價(jià)及優(yōu)化過(guò)程。其關(guān)鍵技術(shù)包括：復(fù)雜形狀零件的三維造型及定位，五軸聯(lián)動(dòng)刀位軌跡規(guī)劃和計(jì)算，加工雕塑曲面體的刀軸控制技術(shù)，切削仿真及干涉檢驗(yàn)，以及后處理技術(shù)等。大型復(fù)雜曲面的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程技術(shù)使雕塑曲面體轉(zhuǎn)輪葉片的多軸數(shù)控加工成為可能,這將大大推動(dòng)我國(guó)水輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，為我國(guó)水電u設(shè)備/u制造業(yè)向著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。2、大型水輪機(jī)葉片的多軸數(shù)控加工編程過(guò)程大型復(fù)雜曲面零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程比普通零件編程要復(fù)雜得多，針對(duì)水輪機(jī)葉片體積大并且型面曲率變化大的特點(diǎn)，通過(guò)分析加工要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，確定加工方案，選擇合適的機(jī)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(jì)算加工過(guò)程中的u刀具/u相對(duì)于葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行葉片的切削仿真以及機(jī)床的運(yùn)動(dòng)仿真，反復(fù)修改加工參數(shù)、刀具參數(shù)和刀軸控制方案，直到仿真結(jié)果確無(wú)干涉碰撞發(fā)生，則按照機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可接受的程序格式進(jìn)行后處理，生成葉片加工程序。其具體編程過(guò)程如圖1所示。圖1大型混流式葉片的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工編程流程2．1水輪機(jī)葉片的三維幾何建模水輪機(jī)葉片是由多張雕塑體曲面組成的曲面零件，是不能用解析方程定義這些曲面的。為了滿足葉片設(shè)計(jì)的流體動(dòng)力學(xué)特性要求，我們采用NURBS曲面逼近方法進(jìn)行曲面造型。對(duì)于混流式葉片這一復(fù)雜雕塑曲面體由正面、背面、與上冠相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、與下環(huán)相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、進(jìn)水邊曲面、出水邊曲面、進(jìn)水邊頭部曲面等構(gòu)成；軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進(jìn)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、背面的過(guò)度曲面等構(gòu)成。由于葉片沿流面描述的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)量太大，可編寫(xiě)一個(gè)Grip程序讀入這些三維坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)于混流式葉片采用雙三次多補(bǔ)片曲面片通過(guò)自由形式特征的通過(guò)曲線的方法進(jìn)行曲面造型，如圖2所示。而軸流式葉片的正、背面是按在圓柱坐標(biāo)系下給出的型值點(diǎn)，編寫(xiě)一個(gè)程序?qū)⑿椭迭c(diǎn)按圓柱截面讀入，并轉(zhuǎn)換到直角坐標(biāo)下，沿圓柱截面線作NURBS曲線，然后放樣（LOFT）生成葉片的正、背面曲面，在此基礎(chǔ)上，再造型出其他曲面實(shí)現(xiàn)葉片的三維幾何造型，如圖3所示。葉片的毛坯形狀可從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行偏置計(jì)算處理，或者從三維測(cè)量得到的點(diǎn)云集方式確定對(duì)葉片的各個(gè)曲面分別進(jìn)行NURBS曲面造型，并縫合成實(shí)體。2．2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(zhì)量。水輪機(jī)葉片是非常復(fù)雜的雕塑曲面體，針對(duì)混流式水輪機(jī)葉片我們根據(jù)要加工葉片的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)選擇大型龍門移動(dòng)式五坐標(biāo)數(shù)控銑鏜床，根據(jù)三點(diǎn)定位原理經(jīng)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(diào)支撐，配以葉片焊接的定位銷對(duì)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(lái)裝夾。加工正面時(shí)，采用在加工背面時(shí)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(jìn)行調(diào)整找正，仍然采用通用的拉壓裝置進(jìn)行裝夾。由于葉片有
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