沖擊式轉(zhuǎn)輪整體加工

徐雷　李樹偉

摘 要：介紹沖擊式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)控加工方法，同時進(jìn)行了加工工藝的分析，使用合理的加工策略實(shí)現(xiàn)高速、安全的加工，克服了加工中的碰撞和刀具干涉的現(xiàn)象。通過合理的加工工序和加工方式，實(shí)現(xiàn)沖擊式轉(zhuǎn)輪整體鍛造數(shù)控加工，保證了轉(zhuǎn)輪型線的準(zhǔn)確性和光順性，提升了轉(zhuǎn)輪的性能。

關(guān)鍵詞：沖擊式轉(zhuǎn)輪；整體鍛造；數(shù)控加工

常見的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)有四種：裝配組合式轉(zhuǎn)輪、整鑄轉(zhuǎn)輪、鑄焊轉(zhuǎn)輪、整體鍛造數(shù)控加工轉(zhuǎn)輪。同為不銹鋼材質(zhì)采用整體鍛造數(shù)控加工的轉(zhuǎn)輪其抗沖擊力是鑄造轉(zhuǎn)輪的一倍甚至更高。并且整體鍛造毛坯不僅提高了沖擊式轉(zhuǎn)輪根部的強(qiáng)度而且提高了轉(zhuǎn)輪水斗型線準(zhǔn)確性及光順性，從而使轉(zhuǎn)輪的性能得到大大的提高。

從數(shù)控加工技術(shù)角度來說沖擊式轉(zhuǎn)輪造型極其復(fù)雜、整體加工受限于相鄰轉(zhuǎn)輪水斗之間空間太小，同時刀具的選用、長刀柄加工切削的防振減顫、加工的干涉檢查和轉(zhuǎn)輪的剛性變型、數(shù)控加工工藝的確定、數(shù)控程序的編制以及加工中刀具切削參數(shù)的確定難度都是非常大的。文章論述了一種高水頭、大直徑的沖擊式轉(zhuǎn)輪整體鍛造數(shù)控加工技術(shù)。

1 加工機(jī)床選擇

根據(jù)轉(zhuǎn)輪實(shí)際選擇數(shù)控車床進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的粗精車加工；選擇龍門銑進(jìn)行轉(zhuǎn)輪外側(cè)斗型的三軸粗精加工；選擇帶轉(zhuǎn)臺的立式鏜銑床進(jìn)行轉(zhuǎn)輪工作面粗精鏜序的加工，此設(shè)備具有4軸數(shù)控轉(zhuǎn)胎，XYZ三軸可聯(lián)動加工；選用5軸龍門銑進(jìn)行轉(zhuǎn)輪根部的清跟加工。

2 刀具和切削方式的選擇

由于此類型沖擊水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定普通的刀具和常規(guī)的切削方式這種情況下已不具備加工性，必須使用一種在超長刀柄條件下仍具備較高加工效率和加工性能的刀具。通過實(shí)際加工試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)合數(shù)控仿真計(jì)算，插銑加工方式在刀具刀柄懸伸比超過1：16時幾乎已無法進(jìn)行切削，切削時刀具和刀片損毀嚴(yán)重，同時加工效率非常低下；因此決定主要采用等高銑和區(qū)域銑削兩種為加工方式，同時選用適用于加工方式并能去除大余量的刀具和進(jìn)行精加工的刀具。

3 數(shù)控加工工藝的確定

整鍛數(shù)控加工，根據(jù)生產(chǎn)條件和工藝技術(shù)要求，以提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量為原則，制定了：粗車→粗銑→粗鏜→精車→精銑→精鏜→五軸精銑轉(zhuǎn)輪根部的數(shù)控加工工藝流程。

4 數(shù)控加工程序的編制

（1）轉(zhuǎn)輪車序數(shù)控程序分為粗精兩部分，粗車是將轉(zhuǎn)輪毛坯車削至留有余量的轉(zhuǎn)輪理論型線旋轉(zhuǎn)體。精車主要是車削轉(zhuǎn)輪出水口處，同時根據(jù)實(shí)際工況在出水口尾部車削出精加工找正段，如圖1所示。

（2）龍門立式粗加工。龍門立式粗加工的目的是加工出水斗的正面部分和相鄰水斗的背面凸起部分。以輪轂底部凸臺端面為裝夾定位面，加工出轉(zhuǎn)輪的上半部分輪廓，然后再以輪轂上部凸臺端面為裝夾定位面，加工出轉(zhuǎn)輪的下半部分。龍門粗加工主要采用型腔銑的加工方式，針對零件、毛坯、切削區(qū)域等設(shè)置刀具相關(guān)參數(shù)，產(chǎn)生刀具軌跡路線，并且進(jìn)行動態(tài)切削仿真過程。

（3）鏜床臥式粗加工。立式粗加工后相鄰水斗之間的背面區(qū)域和水斗的工作面區(qū)域之間還有很大一部分材料需要切除，需通過鏜床臥式粗加工來完成。同時轉(zhuǎn)輪的工作面加工是整個數(shù)控加工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其加工質(zhì)量和加工精度的優(yōu)劣直接關(guān)系到轉(zhuǎn)輪的發(fā)電效率、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)效益。利用4軸鏜床的轉(zhuǎn)臺來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪，同時使刀軸與轉(zhuǎn)輪水斗對稱平面平行，既可以加工水斗背面、水斗根部的半封閉部分，又可以加工水斗正面，可有效避免產(chǎn)生加工干涉、過切以及欠切。通過數(shù)控轉(zhuǎn)臺來調(diào)整水斗正面與刀軸之間的水平夾角來切削水斗工作面。每調(diào)整一次角度，刀具在避免產(chǎn)生加工干涉的前提下，由外及內(nèi)、由表及里的層層切削水斗內(nèi)表面可以加工到的區(qū)域，加工完畢后刀具退回到安全平面，然后轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)過一定角度，刀具再次進(jìn)行內(nèi)表面的層層切削加工。隨著夾角減小，即可逐漸加工出水斗工作面區(qū)域。采用這種方法，可以充分利用四坐標(biāo)機(jī)床的性能特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜的水斗曲面加工，另外可以有效避免加工干涉，防止出現(xiàn)過切、欠切，還可改善刀具受力狀況，減小刀具切削過程中的顫振現(xiàn)象，提高表面的加工質(zhì)量和加工精度。

（4）龍門立式精加工。龍門立式精加工分為半精加工和精加工兩部分，兩部分加工在同一工位下完成，半精加工主要是去除粗加工殘留的切削余量，精加工主要是光順型面。半精加工采用等高輪廓銑的加工方式；精加工采用等高輪廓銑混合區(qū)域銑的加工方式。

（5）鏜床臥式精加工。鏜床臥式精加工加工原理同鏜床粗加工完全一樣，同時鏜床臥式精加工也分為半精加工和精加工，其加工類型和方式同龍門立式精加工。

（6）五軸精加工。轉(zhuǎn)輪根部區(qū)域鏜序加工完成后有盲區(qū)存在，因此使用五軸加工以光順此殘留區(qū)域。加工的關(guān)鍵確定五軸固定銑的角度，要多次數(shù)控模擬驗(yàn)證得出最合適的加工角度。

完成以上所述數(shù)控加工工序后，沖擊式轉(zhuǎn)輪整體鍛造加工已完成機(jī)械加工部分，可轉(zhuǎn)入拋光、轉(zhuǎn)輪平衡和噴涂等工序。

5 結(jié)束語

針對沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)和加工工藝特點(diǎn)，主要采用三軸數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)了沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體復(fù)雜型線的加工，提出了沖擊式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪加工工藝方案，優(yōu)化了數(shù)控加工工藝參數(shù)，闡述了主要數(shù)控編程方式方法，并且大幅提高了沖擊式轉(zhuǎn)輪型線的加工精度，提高了加工的效率，節(jié)省了加工成本，保護(hù)了數(shù)控機(jī)床，保證了轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)進(jìn)度。

參考文獻(xiàn)

[1]王波，劉獻(xiàn)禮，杜金成，等.沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水斗整體數(shù)控加工工藝及編程技術(shù)的研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2012（3）：40-44.

[2]羅靜，龔文均，才迎慶，等.沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整體設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2010（10）：127-130.

作者簡介：徐雷（1981-），男，畢業(yè)于安徽大學(xué)，工程師，從事數(shù)控編程及數(shù)控加工工藝工作。