冲击式转轮整体加工

徐雷　李树伟

摘 要：介绍冲击式转轮结构特点和数控加工方法，同时进行了加工工艺的分析，使用合理的加工策略实现高速、安全的加工，克服了加工中的碰撞和刀具干涉的现象。通过合理的加工工序和加工方式，实现冲击式转轮整体锻造数控加工，保证了转轮型线的准确性和光顺性，提升了转轮的性能。

关键词：冲击式转轮；整体锻造；数控加工

常见的冲击式水轮机转轮结构有四种：装配组合式转轮、整铸转轮、铸焊转轮、整体锻造数控加工转轮。同为不锈钢材质采用整体锻造数控加工的转轮其抗冲击力是铸造转轮的一倍甚至更高。并且整体锻造毛坯不仅提高了冲击式转轮根部的强度而且提高了转轮水斗型线准确性及光顺性，从而使转轮的性能得到大大的提高。

从数控加工技术角度来说冲击式转轮造型极其复杂、整体加工受限于相邻转轮水斗之间空间太小，同时刀具的选用、长刀柄加工切削的防振减颤、加工的干涉检查和转轮的刚性变型、数控加工工艺的确定、数控程序的编制以及加工中刀具切削参数的确定难度都是非常大的。文章论述了一种高水头、大直径的冲击式转轮整体锻造数控加工技术。

1 加工机床选择

根据转轮实际选择数控车床进行转轮的粗精车加工；选择龙门铣进行转轮外侧斗型的三轴粗精加工；选择带转台的立式镗铣床进行转轮工作面粗精镗序的加工，此设备具有4轴数控转胎，XYZ三轴可联动加工；选用5轴龙门铣进行转轮根部的清跟加工。

2 刀具和切削方式的选择

由于此类型冲击水轮机结构的特点，决定普通的刀具和常规的切削方式这种情况下已不具备加工性，必须使用一种在超长刀柄条件下仍具备较高加工效率和加工性能的刀具。通过实际加工试验的验证结合数控仿真计算，插铣加工方式在刀具刀柄悬伸比超过1：16时几乎已无法进行切削，切削时刀具和刀片损毁严重，同时加工效率非常低下；因此决定主要采用等高铣和区域铣削两种为加工方式，同时选用适用于加工方式并能去除大余量的刀具和进行精加工的刀具。

3 数控加工工艺的确定

整锻数控加工，根据生产条件和工艺技术要求，以提高生产效率和保证产品质量为原则，制定了：粗车→粗铣→粗镗→精车→精铣→精镗→五轴精铣转轮根部的数控加工工艺流程。

4 数控加工程序的编制

（1）转轮车序数控程序分为粗精两部分，粗车是将转轮毛坯车削至留有余量的转轮理论型线旋转体。精车主要是车削转轮出水口处，同时根据实际工况在出水口尾部车削出精加工找正段，如图1所示。

（2）龙门立式粗加工。龙门立式粗加工的目的是加工出水斗的正面部分和相邻水斗的背面凸起部分。以轮毂底部凸台端面为装夹定位面，加工出转轮的上半部分轮廓，然后再以轮毂上部凸台端面为装夹定位面，加工出转轮的下半部分。龙门粗加工主要采用型腔铣的加工方式，针对零件、毛坯、切削区域等设置刀具相关参数，产生刀具轨迹路线，并且进行动态切削仿真过程。

（3）镗床卧式粗加工。立式粗加工后相邻水斗之间的背面区域和水斗的工作面区域之间还有很大一部分材料需要切除，需通过镗床卧式粗加工来完成。同时转轮的工作面加工是整个数控加工过程中的关键环节，其加工质量和加工精度的优劣直接关系到转轮的发电效率、使用寿命以及经济效益。利用4轴镗床的转台来旋转转轮，同时使刀轴与转轮水斗对称平面平行，既可以加工水斗背面、水斗根部的半封闭部分，又可以加工水斗正面，可有效避免产生加工干涉、过切以及欠切。通过数控转台来调整水斗正面与刀轴之间的水平夹角来切削水斗工作面。每调整一次角度，刀具在避免产生加工干涉的前提下，由外及内、由表及里的层层切削水斗内表面可以加工到的区域，加工完毕后刀具退回到安全平面，然后转轮转过一定角度，刀具再次进行内表面的层层切削加工。随着夹角减小，即可逐渐加工出水斗工作面区域。采用这种方法，可以充分利用四坐标机床的性能特点实现空间复杂的水斗曲面加工，另外可以有效避免加工干涉，防止出现过切、欠切，还可改善刀具受力状况，减小刀具切削过程中的颤振现象，提高表面的加工质量和加工精度。

（4）龙门立式精加工。龙门立式精加工分为半精加工和精加工两部分，两部分加工在同一工位下完成，半精加工主要是去除粗加工残留的切削余量，精加工主要是光顺型面。半精加工采用等高轮廓铣的加工方式；精加工采用等高轮廓铣混合区域铣的加工方式。

（5）镗床卧式精加工。镗床卧式精加工加工原理同镗床粗加工完全一样，同时镗床卧式精加工也分为半精加工和精加工，其加工类型和方式同龙门立式精加工。

（6）五轴精加工。转轮根部区域镗序加工完成后有盲区存在，因此使用五轴加工以光顺此残留区域。加工的关键确定五轴固定铣的角度，要多次数控模拟验证得出最合适的加工角度。

完成以上所述数控加工工序后，冲击式转轮整体锻造加工已完成机械加工部分，可转入抛光、转轮平衡和喷涂等工序。

5 结束语

针对冲击式水轮机转轮结构和加工工艺特点，主要采用三轴数控机床实现了冲击式水轮机转轮整体复杂型线的加工，提出了冲击式水轮机整体转轮加工工艺方案，优化了数控加工工艺参数，阐述了主要数控编程方式方法，并且大幅提高了冲击式转轮型线的加工精度，提高了加工的效率，节省了加工成本，保护了数控机床，保证了转轮的生产进度。

参考文献

[1]王波，刘献礼，杜金成，等.冲击式水轮机转轮水斗整体数控加工工艺及编程技术的研究[J].大电机技术，2012（3）：40-44.

[2]罗静，龚文均，才迎庆，等.冲击式水轮机转轮整体设计制造技术研究[J].现代制造工程，2010（10）：127-130.

作者简介：徐雷（1981-），男，毕业于安徽大学，工程师，从事数控编程及数控加工工艺工作。