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大型混流式叶片的多轴联动数控加工编程技术

一、引言

水轮机是水力发电的原动机，水轮机转轮叶片的制造转轮的优劣对水电站机组的安
全、可靠性、经济性运行有着巨大的影响。水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑面体。在
大中型机组制造工艺上，长期以来采用的“砂型铸造→砂轮铲磨→立体样板检测”的制
造工艺，不能有效地保证叶片型面的准确性和制造质量。目前采用五轴联动数控加工技
术是当今机械加工中的尖端高技术。大型复杂曲面零件的数控加工编程则是实现其数字
化制造的最重要的技术基础，其数控编程技术是一个数字化仿真评价及优化过程。其关
键技术包括：复杂形状零件的三维造型及定位，五轴联动刀位轨迹规划和计算，加工雕
塑曲面体的刀轴控制技术，切削仿真及干涉检验，以及后处理技术等。大型复杂曲面的
多轴联动数控编程技术使雕塑曲面体转轮叶片的多轴数控加工成为可能,这将大大推动
我国水轮机行业的发展和进步，为我国水电设备制造业向着先进制造技术发展奠定基
础。

二、大型混流式水轮机叶片的多轴数控加工编程过程

大型复杂曲面零件的五轴联动数控编程比普通零件编程要复杂得多，针对混流式叶
片体积大并且型面曲率变化大的特点，通过分析加工要求进行工艺设计，确定加工方案，
选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；建立叶片的几何模
型、计算加工过程中的刀具相对于叶片的运动轨迹，然后进行叶片的切削仿真以及机床
的运动仿真，反复修改加工参数、刀具参数和刀轴控制方案，直到仿真结果确无干涉碰
撞发生，则按照机床数控系统可接受的程序格式进行后处理，生成叶片加工程序。其具
体编程过程如图1所示。

图1大型混流式叶片的五轴联动数控加工编程流程

1.混流式水轮机叶片的三维几何建模

混流式叶片这一复杂雕塑曲面体由正面、背面、与上冠相接的带状回转面、与下环
相接的带状回转面、进水边曲面、出水边曲面、进水边头部曲面等构成。由于叶片沿流
面描述的三维坐标点数据量太大，可编写一个Grip程序读入这些三维坐标点，然后采
用双三次多补片曲面片通过自由形式特征的通过曲线的方法进行曲面造型，如图2所示。
叶片的毛坯形状可从设计数据点进行偏置计算处理，或者从三维测量得到的点云集方式
确定对叶片的各个曲面分别进行NURBS曲面造型，并缝合成实体。

图2混流式叶片三维造型

2.叶片加工工艺规划

加工方案和加工参数的选择决定着数控加工的效率和质量。水轮机叶片是非常复杂
的雕塑曲面体，我们根据要加工叶片的结构和特点可选择大型龙门移动式五坐标数控铣
镗床，根据三点定位原理经大量的研究分析，决定在加工背面是采用通用的带球形的可
调支撑，配以叶片焊接的定位销对叶片定位，在叶片上焊接必要的工艺块，采用一些通
用的拉紧装置来装夹。加工正面时，采用在加工背面时配合铣出的和背面型面完全一致
的胎具，将叶片背面放入胎具，利用焊接的工艺块进行调整找正，仍然采用通用的拉压
装置进行装夹。由于叶片有多张曲面组合而成,为了解决加工过程中的碰撞问题，我们
可采用沿流线走刀，对于叶片的正背面进行分区域加工，根据曲面各处曲率的不同采用
不同直径的刀具、不同的刀轴控制方式来加工。对每个面一般分多次粗铣和一次精铣。
在机床与工件和夹具不碰撞和干涉情况下，尽量采用大直径曲面铣刀，以提高加工效率。
叶片正背面我们选用刀具直径φ150曲面面铣刀粗铣、φ120曲面面铣刀精铣，叶片头
部曲面采用φ80的曲面面铣刀加工，出水边采用φ80螺旋玉米立铣刀五轴联动侧铣。
根据后续仿真情况反复做刀位编辑，以寻求合理的加工方案。在满足加工要求、机床正
常运行和一定的刀具寿命的前提下尽可能的提高加工效率。

3.叶片五轴联动加工刀位轨迹的生成

针对大型混流式叶片各曲面的特点，进行合理的刀位轨迹规划和计算，是使所生成
的刀位轨迹无干涉、无碰撞、稳定性好、编程效率高的关键。由于五轴加工的刀具位置
和刀具轴线方向是变化的，因此五轴加工的是由工件坐标系中的刀位点位置矢量和刀具
轴线方向矢量组成,刀轴可通过前倾角和倾斜角来控制，于是我们可根据曲面在切削点
处的局部坐标计算出刀位矢量和刀轴矢量。从加工效率、表面质量和切削工艺性能来看，
选择沿叶片造型的参数线作为铣削加工的方向分多次粗铣和一次精铣，然后划分加工区
域，定义与机床有关的参数，根据以上所选叶片的加工部位、装夹定位方式、机床、刀
具及切削参数和余量分布情况将叶片分为多个组合面分别进行加工。通过对曲面曲率的
分布情况的分析对于不同的区域采用不同的面铣刀。粗加工给出每次加工的余量，精加
工采用同一直径的铣刀，根据粗糙度要求给定残余高度，根据具体情况选择切削类型、
切削参数、刀轴方向、进退刀方式等参数，生成的刀位轨迹如图3所示。但是对于像叶
片这样的曲率变化很大而又不均匀的雕