大型水輪機轉輪葉片的五軸聯動加工技術，是表征水輪機制造水平的重要標志之一。轉輪葉片是水輪機關鍵部件，其制造精度對機組的效率等水力性能有直接的影響，因此型面加工要求精度高。國內水輪機葉片制造長期采用砂型鑄造，經手工鏟磨成型和采用立體樣板檢測的工藝方法，但手工鏟磨的方式，不但勞動環境惡劣、勞動強度大、效率低，而且葉片型面質量差，降低了水輪機的效率。目前，大型水輪機葉片的五軸聯動數控加工技術已成為當今世界發電設備制造業中的關鍵技術之一，也是當今機械加工技術中的尖端高技術。它涉及到計算機輔助產品的三維造型、計算機仿真模擬加工和五軸聯動CNC技術。

　　一、葉片建模

　　(1)葉片建模由葉片型面和輪轂等組成，葉片表面為光順性和連續性要求較高的自由曲面，其截面線是復雜的自由曲線，使用NX軟件CAD模塊，按照二維設計圖樣，在Z-X 平面，輸入截面數據點坐標，并擬合成封閉的樣條曲線，按其所在的截面半徑，沿Z方向拉伸成曲面，沿Y方向把樣條線投射到曲面上，作為葉片型面的一組三維截面線，如圖1所示。

　　(2)生成十條封閉的三維截面線，如圖2所示。

　　(3)通過十條截面線掃掠并生成光滑葉片型面實體，如圖3所示。

　　(4)葉片輪轂的生成。輪轂的創建較為簡單，先創建其截面線串，再利用旋轉(REVOLVE)命令對截面線串旋轉，創建輪轂回轉體，如圖4所示。

　　最后，按加工工藝對葉片型面及輪轂進行修邊、倒角等處理，創建葉片實體，如圖5所示。

　　二、葉片加工

　　1.葉片加工裝夾工藝

　　葉片為鑄造結構，材料為馬氏體不銹鋼。在砂型鑄造的基礎上，一般表面留量5～20mm不等。裝夾工藝是非常重要的，一般用如下方式：以葉片輪轂旋轉軸心線為基準，在輪轂上焊工藝軸，粗車法蘭端面，然后在工藝軸和法蘭端面打兩頂尖孔。相應的夾具采用兩頂尖座，一為固定頂尖座，置于 法蘭端;另一為軸向可調頂尖座，置于輪緣上的工藝軸端。在法蘭端面標記有葉片加工位置。利用夾具和標記，根據葉片造型后的三維型面數據，借助機床的功能，找正加工位置，一般設在輪轂圓心處確定工件零點，并在加工面的反面上焊拉耳，采用通用的千斤頂和可調拉桿拉壓夾緊并焊接，如圖6所示。

　　2.葉片粗加工

　　(1)使用NX軟件CAM模塊，粗加工可采用三軸輪廓銑(Mill_contour)中的型腔銑(Cavity_mill)分層切削。

　　主要加工參數設置如下：刀具采用Ф63R6的粗加工面銑刀。工件零點設在輪轂圓心處，安全距離(Safe clearance distance)高于輪轂最高點20mm處。每層(Global depth per cut)2mm，步距(Stepover)3mm，零件余量(Part side stock)0.5mm。主軸轉數(Spindle speed)1500rpm，進給速率2000mmpm。 粗加工刀軌顯示如圖7所示。

　　(2) 在NX軟件中，切削仿真(Vericut)和集成仿真及驗證(IS&V)可以驗證多軸聯動加工刀具軌跡，取代試加工過程，可以直觀真實地看出刀具設計是否合理，能夠檢查出加工過程中葉片的過切與欠切，尋求最優的加工方法和工藝方案，既可保證加工型面的準確性和葉片的質量，有效避免實際加工中損傷工件及夾具的現象， 又可提高加工效率。粗加工動態仿真(verify)如圖8所示。

　　(3)后置處理(Post Builder)。后置處理是形成NC程序非常重要的一個環節，刀具位置源文件必須通過后置處理進行格式轉換，生成數控代碼格式的文件才能被數控機床接受，不同的數控系統具有不同的代碼格式。結合NX自帶的后處理構造器，編制合理的后置處理文件，要把機床參數(諸如：線性軸最大行程、AC旋轉軸轉角范圍、G指令、M功能的設定、RTCP功能以及程序頭尾的設定等一系列信息)都一一設定好才能生成正確的、能被數控機床接受的NC代碼程序，使之能應用于生產。操作員按程序單(程序名、程序路徑和刀具號等) 調入上述NC程序，葉片型面現場粗加工效果以及噴射切削液時，可以清晰地看到階梯痕，如圖9所示。

　　3.葉片精加工

　　(1)使用NX軟件CAM模塊，精加工可采用多軸銑(Mill_multi_axis)中的變輪廓(Variable_contour)加工。

　　主要加工參數設置如下：刀具采用Ф63R 8的4刃切削精加工面銑刀。驅動方式(Drive method)選surface area，投射矢量沿Z軸正方向，刀軸(Tool axis) 選法向于驅動面(Normal to drive)， 零件余量(Part stock)設置0mm。零件內外公差(Tolerance)均為0.001。主軸轉數(Spindle speed)3000rpm，進速率2000mmpm。

　　通過對銑削方式和銑削參量的優選，實現葉片高精、高效及低耗刀具的銑削。精加工刀軌顯示如圖10所示。

　　(2)精加工動態仿真(verify)如圖11所示。

　　(3)集成仿真及驗證(IS&V)，在NX4軟件以上版本，通過自定義或調用并編輯NX軟件庫中的各種類型機床及后置處理。可以仿真機床和零件的整個加工過程(見圖12)，綜合考慮控制器的特點和刀具配置，用動畫模擬真實機床運動，可以在機床部件、夾具、刀具零件和IPW之間檢測碰撞。通過比較加工后的零件和期望的零件來提高加工過程的質量，由此可以避免花費昂貴和耗時的干運行(Dryruns)，從而降低成本，減少操作者的干涉。通過減少碰撞，降低機床、夾具和工件損壞風險，是優于切削仿真(Vericut)的ISV高級仿真。

　　(4)利用中捷機床有限公司生產的GMB2560X五軸五聯動數控機床進行加工，配以先進的德國西門子840D數控系統和伺服控制器。筆者在杭州一家客戶現場進行葉片型面精加工(見圖13)，一次裝夾完成葉片大部分切削加工，面銑刀始終垂直于工件表面(Normaltodrive)，葉片型面光潔如鏡，無需手工鏟磨拋光。有效地保證葉片加工精度，大大提高加工效率。

　　三、結束語

　　隨著我國五軸聯動數控加工工藝技術日趨成熟，我國大型水輪機制造已達到國際先進水平。葉片工藝技術的創新，對提高質量、提高加工效率、降低工具費用、提高經濟效益，效果顯著。

　　葉片的數控加工使轉輪出力效率每提高1個百分點，都對機組長期運行產生巨大的經濟效益。