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混流式水輪機葉片五軸聯動加工技術

浏览次数:503日期:2019-11-09

引言大型水輪機轉輪葉片的數控加工工藝技術是表征水輪機製造達到當今世界先進水平的首要標誌之一。轉輪葉片是水輪機關鍵部件,其製造精度對機組的效率等水力性能有直接的影響,型麵加工精度高,使水輪機出力效率進步一個百分點,都將帶來長遠和巨大的效益。葉片的數控加工涉及多方麵的高新技術,國外也僅有法國阿爾斯通、挪威克瓦納 、加拿大GE、德國沃依滋、日本日立公司等對此項製造工藝成熟。由於葉片型麵的數控加工對水輪機製造質量的優越性,已成為對機組訂貨的關鍵技術要求。

作為世界上最大的水利關鍵工程— ——也是當今國際混流式水輪機單機容量最大的三峽水輪發電機組,與阿爾斯通公司合作製造一期左岸工程14台中的8台機組。三峽水輪機關鍵部件——轉輪葉片的數控加工技術對進步我國電站設備製造水平、邁進世界先進技術行列意義重大 。水輪機有混流式、軸流式 、貫流式等幾類,國內水輪機葉片製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,近年來發展了葉片模壓成型後鏟磨、模壓成型後再加工和鑄造成型後數控加工的技術。

手工鏟磨的方式,不但勞動環境惡劣、勞動強度大、效率低,而且葉片型麵質量差 ,降低了水輪機的效率。為實現葉片數控加工,我廠1987年從德國沃坦公司引進了五軸數控鏜銑床,並從瑞士FIDIS公司引進了UKLID軟件,1996年購進德國瓦德利希·柯寶公司數控龍門銑床和CAMAX軟件的引進,為數控加工葉片提供了技術保證。後繼專項對曲麵造型、刀位計算、刀位幹涉檢查、葉片丈量、主動找正調整和加工程序的編製、工藝裝夾、加工方式和刀具係統配置等都進行了深進的研究,已具備五軸聯動數控加工葉片的生產和技術能力。至今已完成了混流式天生橋、柘林、新豐江和三峽水輪機葉片及軸流式木京等水輪機葉片的加工。關鍵技術和工藝實施葉片數控加工工藝流程葉片數控加工工藝流程。

五軸聯動數控編程技術葉片型麵丈量由於澆鑄毛坯分布的加工餘量不一致,采用三維丈量機進行毛坯的三維型麵丈量,選擇高效、便於計算機數據采集處理和基準變換的丈量方法,達到餘量均布的最好裝夾位置。曲麵造型根據原始數據造出葉片的三維型麵 ,滿足下一步天生數控加工的代碼程序。刀位軌跡計算根據讀進葉片造型後的三維型麵數據、設定加工型麵,切削參量和刀具數據,進行刀位軌跡計算。

刀位軌跡仿真和刀具幹涉檢查根據刀位軌跡在計算機上對圖形進行模擬加工,並檢查刀具幹涉情況,保證真機加工時安全運行。後置處理對刀位軌跡進行後置處理,天生特定機床的NC代碼加工程序 。加工工藝過程加工設備購進德國的數控龍門銑床主機功率100kW,工作台尺寸4.5×13m ,配置了目前世界功率最大的數控萬能銑頭,數控係統采用SIEMENS840C,該機床具有X 、Y、Z、W、U五坐標數控和A 、C二旋轉軸數控銑頭,形成五軸聯動數控加工葉片的設備條件 。

毛坯質量的控製葉片為鑄造結構,材料為馬氏體不鏽鋼。將葉片進行粗磨,往除夾砂,避免損害刀具 。再進行UT、MT探傷,檢查缺陷狀況。由於葉片鑄造質量不好及餘量不均,要求對葉片正、背麵加工餘量、周邊餘量控製,減少數控加工的工時。用經緯儀丈量葉片正、背麵加工餘量,在葉片的正、背麵標誌丈量及加工找正用的3個定位基準點並附其坐標值。並將丈量數據用磁盤的形式傳給下序。葉片裝夾葉片外形的不規則,特別混流式葉片是沒有任何基準的自由曲麵,裝夾方式的研究是實施編程、加工首先要解決的題目。德國VOITH公司對軸流式葉片采用軸外徑和法蘭定位、立式裝夾方式,混流式葉片采用可調轉向頭千斤頂定位 、真空吸盤夾緊方式。

真空吸盤夾緊需對吸附部位磨光預處理,其係統部件占有麵積大。我們研究提出采用正、背麵胎具定位、焊塊搭焊和螺釘把合的夾緊方式 ,具有經濟、高效、操縱簡便的特點,據悉挪威GE公司等也采用此方式。裝夾定位方式對確定工件參考點 、實施找正,對解決葉片正、背型麵的錯位這一技術難點效果良好。葉片的找正、丈量用數控機床銑軸丈量裝在胎具上的葉片3個定位基準點的坐標值,並在胎具上設定參照點進行找正。采用RENISHAW丈量係統,開發利用於3維曲麵的葉片丈量,對加工後的葉型提供了先進的檢測技術。

工件的編程利用前述編程技術,編製加工葉片正 、背麵,進、出水邊,上冠、下環焊接坡口的程序 。在五軸數控龍門銑床加工葉片葉片的加工葉片加工部位為正、背型麵 、進出水邊和上下焊接坡口。使用的刀具為粗、精麵銑刀、螺旋立銑刀、球頭銑刀等。銑削方式采用順銑、加冷卻液的銑削加工。進給方向選擇沿葉片造型的參數線進給,對刀具直徑和幹涉的要求等銑削性能有益。銑削寬度的確定與表麵加工質量和加工效率互為影響,由於銑刀在法矢方向傾斜加工 ,加工後工件表麵呈微凹弧形,每刀銑削寬度愈大,銑削殘留的波峰、波穀的盡對值愈大,下序拋光工作量愈大。

是以需公道確定每條程序段運行排刀的寬度。高效數控刀具的開發利用利用數控加工葉片技術其加工本錢昂貴,以加工一台三峽水輪機葉片統計,加工1片需10天,整台份加工周期5個月以上,數控龍門銑床價格約4千萬元,工時費每小時上千元,加工費4百多萬元 ,進步加工效率、降低加工本錢其意義特別首要 ,研究、開發、利用高效數控刀具和加工方法,是需要解決的關鍵技術之一。開發國產麵銑刀、螺旋立銑刀葉片曲麵部位加工需要麵銑刀,進出、水邊和焊接坡口需用螺旋立銑刀。

采用國外刀具價格昂貴,為適於不鏽鋼材料葉片加工,我們與哈爾濱理工大學、綿工工具廠合作開發研製了采用平裝刀片結構、上壓式夾緊方式、主偏角為75°和雙正前角的麵銑刀;與太原王牌工具廠合作開發研製了可換頭4刃切削,周刃配置方刀片、可轉位4次的螺旋立銑刀;與哈爾濱工量數控刀具廠進行了數控刀具係統的開發研製 。試驗優選銑刀片解決不鏽鋼的難加工題目,關鍵是刀片的性能 ,國產刀片與國外有相當大的差距。國外刀片耐用度可達國產刀片的5~10倍以上 。經對國內株洲、自貢 、上硬、陝硬等硬質合金製造廠家的9種牌號刀片,對國外瑞典山特維克、德國瓦爾特、美國肯納、以色列依斯卡、日立、三菱等公司的10種牌號刀片進行大量試驗,優選了性價比良好的刀片。另外與哈爾濱理工大學、綿工工具廠合作 ,研製開發了雙層刃門路結構新型麵銑刀,解決由於葉型加工餘量不一,粗銑空行程現象。

還進行了銑削參量和銑削方式的優選,實現葉片高效、低耗刀具的銑削。3結語三峽、天生橋等水輪機葉片五軸聯動數控加工成功,標誌我廠、我國大型水輪機製造已達到國際先進水平。葉片工藝技術的創新,對進步質量、進步加工效率、降低工具用度,經濟效益明顯。葉片的數控加工使轉輪出力效率每進步!個百分點,都對機組長期運行產生巨大的經濟效益,對三峽機組製造質量和進進WTO後我國發電設備製造業進進國際市場有首要意義。

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