加工軸流式水輪機葉片用數控刀具的國產化研制
時間:2011-05-21 08:34:26 來源:未知
水輪機轉輪葉片是一種形狀復雜的雕塑曲面體零件，制造難度很大，國內過去通常采用“砂型鑄造→手工鏟磨→立體樣板檢查”的傳統制造工藝，加工效率低，勞動強度大，且葉片型面精度難以保證。目前國外已應用計算機仿真加工技術實現了水輪機轉輪葉片的五軸聯動數控加工，從而大大提高了加工效率和葉片型面加工精度。
我公司承擔制造的3臺高壩洲水輪發電機組是高水頭軸流式機組，水輪機轉輪直徑為5.8m，轉輪葉片從進水邊到出水邊扭曲度大，葉片背面轉緣帶有外裙邊，葉片轉轂側帶有較大內裙邊，從法蘭球面區至進、出水邊的曲面R 沿空間曲面逐漸變化過渡到零。應用戶要求，機組全套葉片(3臺×5片)采用5FZG龍門移動式五軸聯動數控機床加工。數控刀具的研制和應用成為加工能否成功的關鍵因素之一。
1 刀具的選用
選用加工葉片數控刀具時需考慮以下因素：
- 刀具幾何形狀應能適應凸曲面和凹曲面的加工，應具有良好的切削性能及斷屑、排屑性能。
- 選用刀具時除應根據機床功率、銑頭轉速、葉片材質等對刀具、刀片的有關參數進行計算外，還需要對刀片、刀桿、銑頭等進行仿真加工驗證和干涉檢查驗算。
- 可選用不同直徑的刀具進行仿真加工驗算，在機床功率、剛性、銑頭轉速足夠的條件下，盡量選用大直徑刀具，以提高加工效率。
經過設計計算及仿真加工驗證，選定以下4種刀具加工高壩洲機組葉片：①60°D200面銑刀盤，用于粗銑葉片表面；②D100玉米銑刀，用于加工葉片進、出水邊及外緣；③D100球頭銑刀，用于加工葉片表面與法蘭球面間過渡曲面；④D125R面銑刀，用于精銑葉片表面。
2 刀具的國產化研制
為保證加工質量，加工第一臺機組葉片時全部采用了進口數控刀具(Kennametal、Sandvik產品)。由于葉片材料為含Ni、Cr 不銹鋼，材料強韌性好，加工溫度高，刀具消耗量較大。雖然進口刀具加工輕快，切削效率高，但價格昂貴(每把5000～32000元)，供貨周期長，對降低加工成本、保證生產進度不利。為此，我們對部分刀具進行了國產化研制。
- 與綿江工具廠合作研制了60°面銑刀盤。Kennametal公司進口刀盤為右刀盤(正刀盤)，未生產左刀盤(反刀盤)，只能利用刀片4次。而國產化的正、反兩種銑刀盤可將刀片使用次數增加到8 次。另外，原裝進口刀具采用杠桿式壓緊結構，設計、制造較復雜，我們改用了螺釘壓緊式結構，通過試加工證明是成功的。
- 與綿江工具廠合作研制了D100螺旋玉米銑刀。因螺旋玉米銑刀加工量大且不均勻，因此我們選用了立裝結構且帶分屑槽的刀片，提高了刀具強度和排屑流暢性。
- 大規格非標刀具，由于為長切削刃結構，國產化開發難度較大，因此仍采用進口刀具。
- R125面銑刀為精銑刀，加工量小，不易損壞，所以無需國產化。
3 刀片的國產化研制
加工葉片使用的進口刀片雖然性能優良，但消耗量大，價格昂貴，有必要進行國產化開發。進口刀片全部為加工不銹鋼材料的涂層刀片，且刀片幾何形狀復雜。如60°面銑刀片采用曲面15°大前角(見圖1)；玉米銑刀片一面帶3 個分屑槽，另一面帶2 個分屑槽(見圖2)；R 面銑刀片的前刀面帶有復雜紋路(見圖3)。因此刀片模具的開發難度很大。國產化刀片必須滿足以下要求：①材質好，適合葉片加工；②形狀精度和尺寸精度高，可滿足加工要求。
經過對加工能力的認真考察，我們選擇株洲硬質合金廠進行刀片的國產化開發。開發的具體刀片牌號為：CN351 60°面銑刀片；CN351玉米銑刀片；CN351球頭銑刀片；YB235R面銑刀片。國產化刀具及刀片經生產使用，效果良好，證明國產化研制是成功的。
#p#分頁標題#e#4 刀具的修復
在生產過程中，球頭銑刀損壞嚴重，消耗量很大。這種刀具進口單價近2萬元人民幣，為降低加工成本，有必要對損壞的球頭銑刀進行修復。
首先對刀具缺損部分進行補焊，然后用砂輪機磨出刀具外形輪廓，用旋風銼修銼刀座部位。為糾正焊接變形，還需用M3.5絲錐將刀片壓緊螺釘孔重新攻絲。雖然修復后的刀具精度不如原裝刀具，但完全可以滿足加工要求。我們先后修復刀具14把，共節約資金27.7 萬元。
5 效益分析
水輪機葉片數控加工刀具的國產化開發大幅度降低了加工中的刀具成本。國產60°面銑刀盤單價為1580元(進口銑刀盤為12500元)；國產D100螺旋玉米銑刀單價為3000元(進口銑刀為31980元)；60°面銑刀片單價為75元(進口刀片為174.75元)；國產玉米銑刀片單價為45元(進口刀片為83.97元)；國產球頭銑刀片單價為25元(進口刀片為62.24元)；國產R面銑刀片單價為32元(進口刀片為80元)。國產刀片的加工效率可達到進口刀片的70%～80%，而價格不到進口刀片的1/2。在對三臺高壩洲水輪機組葉片的加工中，第一臺機組葉片全部采用進口刀片加工，刀片費用8.9萬元；第二臺機組葉片大部分采用國產刀片加工，刀片費用降為3.7萬元；第三臺機組葉片全部采用國產刀片加工，刀片費用僅為3.2萬元。
