冲击式水轮机水斗整体数控加工工艺研究

郭晓明

哈尔滨电机厂有限责任公司 

摘要：叶轮也被称作水斗，是水轮机上面的重要机构，其加工水平决定了水轮机的使用效率、年限以及为企业带来的效益。所以在各个国家，都十分重视水斗的加工制造，并大力发展加工工艺。因为水斗的体积较大，属于大型的设备零部件，它的直径多是在一到三米之间，部分可达四米，并且结构复杂，开放性差，所以工艺流程相对复杂，制造难度较大。针对转轮水斗的结构特点和技术要求，目前国内外基本以数控加工为主。文章将介绍三种常规水斗制造方法，并分析数控加工的流程和工艺。

前言：转轮水斗结构紧凑，体积较大，水斗型面复杂且开放性差，在卧式数控机床进行加工的过程中，会遇到许多工艺上的难点。并且在加工时，走刀的路线和精度都会影响成品质量，所以对数控的要求很高。因此，选择合理的加工方法和加工参数，这对实现合理、高效、经济的转轮数控加工技术具有重要的现实意义。

关键词：冲击式水轮机；水斗；数控加工工艺

1.冲击式水轮机水斗加工方法

1.1整铸铲磨

整铸铲磨加工过程为：使用铸造或是精炼技术，打造出水斗的毛坯，再按照样板来打磨出水斗的结构。这种工艺在我国使用普遍，属于比较传统的加工方法，但精度不容易控制，还需要加以改进。虽然整铸铲磨工艺相对简单，如果结合现代铸造工艺，就能大幅减少加工中出现的缺陷。但是铸钢加工时，仍难免有缩孔、夹砂、夹渣、冷隔等铸造缺陷并不能完全避免。另外还要在铸造、探伤、打磨等工序上精工细作，尤其是在水斗的根部。即便如此，有时也会因水斗根部的狭小空间和复杂形状导致超声波探伤无法完全完成，造成材料内部缺陷不能被及时发现，从而给以后的运行埋下隐患。另外，由于是使用样板铲磨工艺，采用手工加工手段，导致加工效率低、劳动强度高、生产周期长，不能达到精确的水斗型线要求，加工精度和质量也得不到完全保证。在使用过程中，水斗会因为之前的反复加工，加上受到外应力的作用，而极为容易出现疲劳裂纹，其诱因多为材料的铸造缺陷。特别是水斗根部为应力集中的部位，也是转轮最薄弱的部位，所以产生的疲劳裂纹多在此处。从而导致转轮在运行过程中，断斗和掉斗现象时有发生，这往往会给水电站造成巨大损失。

1.2焊接加工

国外一些设备制造企业采用将分块的锻件加工成形后焊接在一起的技术来制造冲击式转轮。它是通过采用屏蔽式金属弧焊(SMAW)，气体钨极弧焊（GTAW）和计算机辅助制造（CAM）等技术手段，将锻件毛坯加工成复杂的水斗形状。其加工方法是：先制成一个锻造圆盘，用将每个水斗切削成中空形状的办法对圆盘进行粗加工，经过粗加工的圆盘就成为转轮的“骨架”，从而达到所要求的外形，各水斗的其余部分是用钢板热锻造成形或热成形，再焊到水斗上。焊接时，先把转轮轮毂和水斗的前面部分用专用定位器固定在适当位置，然后在相应的位置进行焊接。焊接工艺完成后，转轮即可进行研磨，直至达到所要求的表面光洁度。这种加工装配方式简单牢靠、生产效率高，可以减少转轮加工过程中遇到的困难，并且可以制造复杂形状和大尺寸的转轮，同时保证转轮的加工质量和尺寸精度，所以在水斗加工中应用很普遍。但用该工艺制造出的水斗一定要保留部分微焊余量，使其可以接受二次的数控加工，并且焊接时由于不好控制应力的作用，使得水斗在使用时可能发生裂焊问题，大大缩减了水斗的使用寿命。

2.冲击式水轮机水斗整体数控加工工艺

2.1轮廓加工

在现代工艺中，对水斗轮廓的加工主要是指，将一个水斗的正面和与之相邻的另一个水斗的背面给按顺序加工出来。因为水斗是对称的结构，上下两个部分是基本相同并且中心对称的，所以在对轮廓进行加工时，使用数控机床上面的转台进行操作，先进行粗加工，然后是半精加工，最后在进行精加工。过程中，先是要以轮毂下方的凸台为固定作业面，将轮廓的上半部结构加工出来，之后再以轮毂下方的凸台为作业面，将下半部结构加工出来，这样就形成了完整的轮廓结构。加工时，一定要熟练使用旋转数控转台，观察并操控数控加工的流程，确保走刀路线是精确的，并且将水斗的表面轮廓层层加工出来。

2.2成型加工

在经过了轮廓加工后，水斗的表面轮廓基本形成，但两个相邻的水斗之间还存在多余的坯料，这是必须进行切除的，所以下一步要使用的加工工艺，就是对水斗的成型加工。在使用成型加工工艺时，使用的一般是卧式三轴数控机床，上面带有PT数控回转工作台，和对水斗轮廓的加工顺序相同，先是初步的粗加工，然后进行半精加工，最后再精加工成型。之所以采用卧式机床，是由于在使用立式机床去加工时，铣刀在曲率大的位置无法顺利走刀，所以只能处理曲率小的位置，如果再向下进刀则由于水斗背面曲率急剧增加形成凹槽，铣刀很难加工到位，同时铣刀容易与已加工表面产生碰撞干涉或过切。而使用卧式机床就不会有这种问题，通过使用数控转台，可以让刀轴与水斗上的作业面处在相互平行的位置，能够在难加工、半封闭的位置顺利走刀，可以预防过切和欠切等问题，使工艺水平达到要求。通过旋转数控转台，完成所有水斗的成型加工。

2.3内表面加工

水斗的内表面加工是水斗整个数控加工过程中的关键环节，其加工质量和加工精度的优劣直接关系到转轮的发电效率、使用寿命以及经济效益。针对转轮的结构特点及加工要求，使用卧式数控机床，遵循从粗加工到精加工的顺序，操作铣刀进行切割加工。通过调整水斗正面和刀轴的夹角角度，完成对内表面的层层切割，按照由外到内的顺序，随着与刀轴的夹角不断变小，内表面轮廓也就逐渐成型。采用这种刀轴控制方式和切削方法，一方面可以充分利用四坐标机床的性能特点实现空间复杂的水斗曲面加工，另一方面可以有效避免加工干涉，防止出现过切、欠切，还可以改善刀具受力状况，减小刀具切削过程中的颤振现象，提高水斗表面的加工质量和加工精度。当水斗内表面精加工后，转轮的整个数控加工过程基本完成，但此时水斗内外加工表面还残留有较明显的切削加工痕迹。因此，需要在水斗的各个精加工工序保留一定的加工余量，以便对转轮尤其是水斗部位进行光整加工，即采用研磨或珩磨等手段，切除转轮表面极薄的一层材料，以尽可能去除转轮表面的切削痕迹，提高其表面粗糙度，从而满足最终的产品加工要求。

2.4刀具结构参数

铣刀是数控加工过程中最为重要的切削用具，其选择的合理与否直接关系到能否顺利的加工出水斗表面并保证加工精度及加工质量。选择铣刀时需要综合考虑到转轮的材料、转轮毛坯的热处理状态、水斗的几何形状、加工要求、加工余量及切削性能等，选择刚性好、经济耐用的铣刀。通过前面对转轮水斗的材质、结构特点、加工要求及加工难点等进行综合分析，结合每个加工工序和加工部位的特点，尽量选择市场上现有的标准铣刀。根据水斗加工尺寸和加工质量的要求、刀具刀片的切削参数、机床的额定功率等进行综合分析和比较,同时在保证机床主轴刚度和加工效率的前提下,选用的刀具类型和主要参数。

结语：随着社会经济的发展和能源需求的不断扩大，无污染、对环境冲击较小、经济效益显著的水电日益受到人们的青睐和重视。水电是清洁能源，能够满足社会对环保的需求。因此，充分高效的大力发展水电工业成为许多国家的重点，而有着结构简单紧凑、造价相对低廉、运行稳定等优点的冲击式水轮机得到了人们的普遍重视和广泛应用。水轮机的水斗，也就是它的叶轮，在加工时会由于结构紧凑、轮廓复杂，人工加工的难度较大。对此，需要合理使用数控加工工艺，以提高水斗的制造精度，以及加工的效率和质量。

参考文献：

[1]翟元盛,周浩,王宇.冲击式水轮机水斗整体数控加工工艺[J].工具技术,2017,51(9):60-62.

[2]施旭明.整锻冲击式转轮整体数控加工工艺研究[J].装备制造技术,2020(4):10-14.