基于CAD/CAM的水轮机活动导叶数控加工

韩丽娜，王兆峰

（国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，都江堰 611830）

加工与制造

基于CAD/CAM的水轮机活动导叶数控加工

韩丽娜，王兆峰

（国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，都江堰 611830）

介绍了水轮机活动导叶的数控加工方法，基于CAD/CAM从三维建模、编制程序、仿真和验证程序等方面进行了研究，最终从理论和实践上进行了精确的验证，保证了水轮机导叶的加工质量和精度。

水轮机活动导叶；CAD/CAM；数控加工

0 引言

水轮机活动导叶是水轮发电机组导水机构中最重要的铸锻件之一，由于其曲面复杂、加工精度要求高，在数控加工时若采用手工数控编程设计工作量大、加工周期长，且不容易发现程序漏洞。

本文基于CAD/CAM技术（计算机辅助设计和计算机辅助制造技术）来设计渔子溪电站水轮机活动导叶的数控铣削程序，可有效保证导叶的尺寸加工要求。

1 三维造型

活动导叶的正背面都是直纹曲面，正背面的端面则是由球面片体构成。本文按图纸要求的尺寸，用三维坐标点来描述来模型，造型方式是将三维坐点用局部逼近的方法生成导叶截面的样条曲线，再通过拉伸扫掠曲线的方法生成曲面。

1.1 零件草图

活动导叶的截面线是样条曲线，首先根据活动导叶图纸要求的形状和尺寸，绘制活动导叶的零件草图，如图1所示。 样条曲线的构造质量直接决定了活动导叶的曲面质量，所以在绘制草图时要保证样条曲面的位置连续，切线连续和曲率连续。

1.2 曲面造型

图1 导叶零件草图

通过拉伸方式形成活动导叶正背面的直纹曲面，再通过扫掠和样式圆角等三维特征创建导叶的过渡曲面，将过渡面和直纹曲面进行布尔运算，最终形成导叶的三维实体模型。

图2 导叶三维实体模型

2 数控编程及仿真

根据建立的活动导叶三维实体模型，在计算机中制定工艺路线。在加工活动导叶型面时，选择合理的加工走刀方向，直接关系到加工效率的高低。从活动导叶型面特点来看，沿参数线加工是加工效率较高的走刀方式。根据不同加工区域的曲面特点，选择合理的加工走刀控制方法来计算出各区域的加工刀位，最终生成加工时的刀具运动轨迹，再编辑出适应数控铣床的后处理文件，做出相应的数控程序。

本文根据导叶的工艺路线和工序内容，最终生成粗铣、半精铣、精铣三个工序的刀具轨迹和仿真路线，这些刀具轨迹可根据计算机上对参数的修订来优化，任意修改一个参数都可以马上生成新的数控加工程序，可实现制造的柔性化。

图3 数控编程

经过碰撞干涉检查后，再检查数控加工区域划分是否合理。为了机床和工件的安全，进行计算机加工仿真以防止铣头碰撞和刀具干涉，如图4所示。

图4 计算机仿真

3 验证程序

每套导叶的数量较多，为保证后续自动加工批量导叶时安全可靠，本文选择采用石蜡材料进行试验，石蜡硬度相对较软，对刀具几乎没有磨损，并具有可回收性和反复使用性，可以降低成本，并确保人身和设备安全。还可以在石蜡材料上采用不同的走刀方向和切削用量反复试验，对比不同参数对导叶加工质量的影响，最终寻找出最优的刀具轨迹，不但可以提升导叶的加工精度，加工效率也会大大提高。

图5 石蜡上验证程序

4 实际加工

在四轴XK2420B数控定梁龙门式铣床的固定工作台上，吊装导叶装夹在C轴上并找正，测量工件零点并置于G54零偏寄存器，用样板检查程序检查并标记余量，若总体上有余量，装夹拉紧，然后按要求进行检查，达到加工要求方可进加工。再将验证后准确无误的数控程序即NC代码，传输至四轴XK2420B数控定梁龙门式铣床上。经过对刀、设定零点偏置等操作后，就可以实现导叶的自动加工。

加工时按照工艺确定的加工工艺方案进行有序加工，如图6所示。正面加工完后，将C轴翻转180°，再进行背面的加工。

图6 实际加工导叶

5 结论

本技术作为水轮机导叶数控加工的通用技术，为导叶加工提供了标准工艺和精准的数控程序，能够批量加工出高精度的导叶，效率高，安全可靠 ，将其广泛应用于各种水轮机导叶的制造，不仅能有效地保证导叶型面的质量，而且还能大大缩短导叶生产周期，减少传统工艺中的大量工装，在技术和经济上都有着明显的效益。

[1] 李树伟.三峡水轮机模型活动导叶数控加工特点[J].大电机技术,2004(3):52-56.

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[3] 陈先锋.SIEMENS数控技术应用工程师[M].2011.

water turbine guide vane NC machining based on CAD/CAM

HAN Li-na, WANG Zhao-feng

TH162

B

1009-0134(2017)04-0038-02

2016-10-31

韩丽娜（1985 -），女，黑龙江双鸭山人，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。