水轮机叶片数控加工工艺的关键技术分析

郭晓明

哈尔滨电机厂有限责任公司 

摘要：数控加工工艺是当今世界上最有效的水轮机叶片制造技术，也是世界上最先进的水轮机制造技术之一，相关技术人员应该对该项工艺给予重点关注。本文分析了水轮机叶片数控加工工艺的关键技术，期望为相关人员提供参考。

关键词：水轮机叶片；数控加工；关键技术

前言：水轮机的转轮叶片是水轮机的核心部件，其制造精度直接关系到其效率的提升和关键水力特性的发挥，而高精度的叶片成型加工技术可以提高一个百分点的利用率，具有长期而又可观的效益，因此，探究水轮机叶片数控加工技术对水力资源的有效利用具有重要意义。

1. 水轮机叶片数控加工工艺及质量控制

1.1数控加工设备的使用

数控机床具有高效率、高难度、高精度的特点，数控加工模拟则是利用软件对加工环境、刀具路径、刀具切割等工艺参数进行检验与优化，因此数控在机械制造领域得到了广泛的应用，特别是在水利领域，许多曲面和曲线都是常规机床无法处理的，因此需要采用多轴联动的 CNC加工中心来完成处理任务。大型复杂表面零件的 CNC编程是实现其数字化生产的关键技术，而 CNC程序设计是对其进行数字模拟和优化的一种方法，它的核心技术有：复杂零件的三维建模与定位、五轴连杆轨迹规划与计算、雕刻曲面的刀轴控制、切割模拟与干涉检查等。其中，五轴数控机床具有最高的加工精度和效率，采用万能铣刀，仅需要完成最后的表面打磨，就可以完成大规模的随型切削。

1.2水轮机叶片的检查及加工

在水轮机叶片数控加工中，精确地测量叶片型面是十分必要的，在进行切削加工之前，为了得到最合理的切削位置，需要对刀片的加工余量进行分析。因此，在进行切削前，对刀形表面进行检测，有两个主要目的：一是将叶片毛坯的实测资料输入电脑，与理论模型进行比较，使其达到最合理的加工余量分配。二是在测量后的坯料上，将三个定位点对准，以便在刀片上的机床上进行定位，并根据这三个点，进行三次校正，使编程的刀片理论形状与实际的工件位置相吻合。在切削时，还要使用机器上装有的测量装置，来检验切削后的加工效果和残余量与程序设计时的预期效果是否相符，根据检测加工过程中叶片的变形和叶片的异常运动来进行及时的调节具有必要性。在加工结束后，还需要使用相应的测量设备来检测刀片的加工效果，从而获得最终的加工数据，判断零件是否满足设计要求，这为后续的旋转机的焊接工作提供了可靠的数据基础。

1.3水轮机数控加工刀具的选择与处理

水轮发电机组的叶片一般是由不锈钢制成，其加工难度大，需要选用合适的刀片，以确保其加工效率和质量。根据刀具种类，可以选用碳化硅钢片，当工件表面或其它表面与 CNC铣刀产生干扰时，可以考虑使用更长的刀柄。通过对不锈钢零件的加工变形和切屑形态的观察，可以发现节状和颗粒状的切屑，说明切割力存在一定的波动，可以通过增加前角（或切削速度）来降低塑性变形，从而实现材料的顺利排放。崩裂切屑是由于没有发生塑性变形而造成的，这时，由于受力和热度的影响，会使刀具受到的压力和温度都集中在刀刃上，从而造成刀具的损伤，其中，切削刃崩刃、热裂纹和突然断裂是刀具最常见的磨损。目前大部分的叶片都是在浇铸完成后进行 CNC加工，其铸件质量对刀具有很大的影响，“钢包砂”状态会导致刃口断裂。在不锈钢铣削加工过程中，由于振动、热冲击、扩散磨损等因素的影响，容易造成表面的剥落、断裂等破坏，因此需要技术人员重点关注刀具的使用和处理。

2. 水轮机叶片数控加工工艺的关键技术

2.1贯流式水轮机的叶片数控加工技术

由于贯流式水轮机的导叶与转轮之间的水流基本没有变化，且采用了直圆锥形的尾管，使其不需要在尾管内转弯，因此具有较高的效率、过流能力和较高的比转量，尤其适合于3-20 m的水头较小的小型水电站。贯流式水轮机的转轮根据形状可以分为两类：贯流型和半贯流型，在加工时，首先将叶坯按预定的位置安装到蜂巢式夹具上，采用点焊法对其进行定位，确定其位置正确后，再进行牢固的焊接。因为最后还要经过打磨等工艺，所以不需要整个接缝焊，只要8个焊点均匀地焊接即可。

在贯流式水轮机叶片的数控加工中，工件的划伤是其中的一个重要关注点，这与其结构特性有关，工件通常由翼形、凸缘、枢轴等三个部件构成，若不能在同一机器上进行加工，则应在翼形加工余量相同的相对位置上，画出刀刃、凸缘和轴径的加工交叉点和加工裕度。以前的划检采用的是立体模板，但是由于立体模板的精度不高，无法在同一位置对其它部位进行划检，不仅不便，而且成本也较高。因此在三坐标划线仪划检的基础上，通过划线机对刀片翼型加工的最优位置进行调整，可以在该基准位置上确定划检法兰、枢轴加工的特定部位和加工裕度，确认无误后，将蜂窝状焊接刀片装配到数控机床工作台，进行相应的 CNC加工。

2.2轴流式水轮机的叶片数控加工技术

轴流定桨型水轮机可以根据水头和负载的不同而进行相应的旋转，以保证可移动的导叶角度与转角之间的最佳匹配，从而提高了平均效率。轴流式水轮机的关键部分为转轮，其核心部分为叶片，叶片表面形状较为复杂，水轮机桨叶的加工品质直接关系到整个系统的稳定性、使用寿命等，在实际生产中，很容易产生应力、热的累积问题，从而造成加工后的叶片形变，产生振动、噪声等不良影响。叶片形状不规则、形状复杂、厚度分布不均等问题容易造成装夹和加工过程中叶片的变形，所以在进行编程和加工前，首先要解决的问题就是调整叶片的形状。轴流叶片的加工方法有：轴外径、法兰定位、立式装夹等，也有相关技术人员提出采用正、反胎定位、焊块搭焊、螺丝旋紧的夹持方法，由于装夹方式的差异，在 CNC加工中所受到的应力也不尽相同，因此，对装夹方法的研究有助于提高转轮叶片的加工品质。

2.3混流式水轮机的叶片数控加工技术

与轴流式水轮机相比，混流式水轮机结构简单、工作稳定、最高效率高于轴流式，其最大效率可达95%以上，但在负载变化大时，其平均效率低于轴流式。混流的转轮通常为低碳钢或低合金铸造，或采用铸造焊接构造，为了改善空气腐蚀、耐泥沙磨损的问题，可以在易腐蚀的地方进行不锈钢的堆焊，也可以使用不锈钢的刀片，也可以使用全不锈钢。采用铸焊法不仅可以减少生产成本，而且可以控制流道尺寸，使其更加准确。水轮机叶片形状不规则，尤其是混流叶片是无标准的自由曲面，装卡定位更加困难。为此技术人员提出了用 CNC机床主轴对刀片安装的3个坐标进行测量的方法，并在胎具上设置参考点以进行校正。解决刀片的装卡与定位问题，是确保刀片加工位置与程序定位一致的关键。

大型混流式水轮机的叶片型面较大，外形为无基准的自由曲面，这就导致对其进行定位存在一定的困难。一般情况下，刀片的尺寸调整是按照设计的等间距来进行的，在刀片两侧进行切削时，切削余量的均匀度是关键。混流式水轮机的叶片形状庞大，具有空间上的自由曲面，对测量精度的要求很高，而且必须满足各种产品的试验需求，但是传统的方法是按图纸制作三维模型，对型线进行检验，精度不高，因此需要提高叶片加工的数字化和精确度以满足要求。

结语

在水轮机的制造工艺中，刀形曲面的数控加工具有明显的优势，是机组定购的重要技术指标。采用 CNC工艺生产的水轮机刀片，可有效地确保刀片的加工精度和平滑度，改善其稳定性，同时提高效率和空化性能。

参考文献

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[2] 花港,屈波,陈会向.贯流式水轮机转轮叶片参数化设计与优化[J].机电工程,2022,39(06):820-825+845.