叶片数控加工

水轮机叶片数控加工

溪洛渡水电站是金沙江水电站基地下游四个巨型水电站中最大的一个，电站总装机1386万千瓦，多年平均发电量571.2亿千瓦时，是中国第二、世界第三大水电站。

溪洛渡水轮机叶片采用不锈钢整体铸造，全部数控加工。我公司通过技术上的调研分析、工艺上的充分准备，顺利完成了溪洛渡水轮机叶片的数控加工。现对叶片的数控加工工艺过程及质量控制要点进行总结，为以后叶片的数控加工积累经验。

1.叶片加工工艺

（1）叶片的加工工艺过程溪洛渡叶片的加工工艺充分考虑了大型叶片的加工特点，主要工艺过程如图1所示。

图1 工艺过程

（2）加工前工艺准备毛坯质量的控制：叶片为不锈钢铸造结构，材料为0Cr13Ni4Mo，为了保证叶片数控加工，将叶片正、背加工余量控制在50mm之间。将叶片在铸造分厂进行粗磨，以免有铸造缺陷，损害刀具及浪费台时。在叶片的正面标有加工找正用的四个定位基准点并附其坐标值。

胎具准备：由于叶片为不规则形状，不能直接在机床上装夹并加工，为便于叶片的加工，提高数控机床的加工效率，提制了叶片数控加工用的正、背面胎具。

鉴于水轮机叶片的形状特点，叶片胎卡具的设计必须遵循下几条原则：（1）由于叶片的重量大，所以胎卡具必需有足够的强度。（2）胎卡具的支承位置必需保证叶片重心摆放稳定，叶片曲面的各个被加工部位必须在机床的有效行程之内。（3）必须有足够的支承点以确保加工时叶片不发生大的变形。把合位置牢靠。并且在把合时不易引起叶片的变形。把合位置要避免在加工时和刀具及铣头发生干涉。（4）采取减振措施尽量减少加工中的振动。（5）装卡灵活方便。

（3）叶片的找正：将胎具吊到机床平台上，将胎具与平台压牢固；将叶片吊到胎具上。用数控机床铣头重新测量四个定位基准点的相对坐标值，调整叶片位置保证四个基准点的相对坐标值误差在2mm以内，即视为叶片找正，并在胎具上设定一个机床的基准，即零点坐标。

（4）叶片的加工操作者根据编程人员编出的数控程序加工工件。将工件型线加工好后，。并在叶片的正面分别打出测量四个找正用的基准点。将四个基准点作明显的标记，并打上样冲眼，记录好坐标值。在加工时，先加工叶片的表面型线（正面或背面），根据叶片的加工余量排刀，并考虑机床的效率，保证每刀之间的“刀峰”小于2mm，粗铣排刀宽度为100～120mm，精铣排刀宽度为50～60mm，这样铲磨量较小，机床效率高。。型面加工合格后，将叶片需要检查的截面线由数控机床用直径5mm中心钻钻出。

2.工艺技术分析

溪洛渡叶片在加工过程中，遇到了许多工艺技术问题，我们对此一一地进行了解决，这些问题的顺利解决保证了叶片的加工质量和生产周期。

（1）叶片的毛坯余量及硬度控制为保证叶片数控加工的质量和提高效率，将叶片正、背面加工余量严格控制在50mm之间。在满足机组性能的前提下叶片应尽可能的降低硬度。

（2）操作管理在加工溪洛渡2#叶片时出现了质量问题——将下环坡口边加工缺肉40mm。操作者在找正过程中，给定程序使用φ80刀盘加工，现要检查边界余量需刀补40mm，操作者直接将工件坐标系进行了偏置，没有在其它坐标系偏置；在加工时忘记工件坐标系已改动，直接安装刀盘加工。直接原因：操作者没有按操作规程加工。改进：规范操作者操作，要求严格按工艺要求执行。规范交接班制度。值班主任进行生产过程跟踪。

（3）试验优选铣刀片解决不锈钢难加工的问题，刀具性能的关键是刀片的性能，国产刀片与国外有相当大的差距。国外通过改变材料成分、采用超细晶粒、开发刀片涂层技术、研制刀片槽型等，使硬质合金刀片的硬度与韧性得到相当大的改善，刀具耐用度可达国产刀具的十几倍。经对国内株洲、哈一工、哈量、陕西等硬质合金制造厂家的YG813、M2、P25、SC30等牌号刀片，以及对国外如瑞典山特维克4030和235、德国蓝帜WTA51和WTL71、美国肯纳K68、、日立CY250和HC844、韩国特固克等刀片进行大量的试验，优选了高耐用度、高效率、性价比高的刀片，满足了叶片正常铣削的要求。

（4）刀具磨损分析研究不锈钢材料加工变形和观察切屑形状，有助于分析刀具磨损及切削力的变化情况。不锈钢材料切削产生不同的切屑，可分为带状、节状、粒状和崩碎状切屑。形成带状切屑时，切削力平稳、加工表面粗糙度好。产生节状和粒状切屑，表明切削力有波动，可通过增大前角(或切削速度)，减小塑性变形，使其顺畅排出。产生崩碎切屑是不经塑性变形即突然崩裂，此时作用在刀具上的应力和热量都集中在刃口上，刀具易损坏。对于不锈钢叶片的加工，切屑与前刀面的粘结是刀具主要的磨损形式。切削开始前刀面就受到激烈摩擦，随着切削过程的不断进行，刀具表面的精化层被磨掉，由于硬质合金粘结相Co的活化能很低，与不锈钢中的Fe、Ni同属于铁系元素，它们之间有很强的亲合力，又加上不锈钢导热系数低，高温强度高，易产生较大的切削力和切削温度，因此刀具表面与被加工材料之间产生粘焊状态。现叶片大都是铸造成型后再进行数控加工，铸造质量对刀具影响很大，“钢包砂”状况直接引起刀片的崩碎。

在不锈钢铣削中，同时还受到断续切削的振动冲击、热应力、热冲击以及扩散磨损的作用，使产生剥落和崩刃等破损现象。

溪洛渡电站水轮机混流式叶片加工成功，标志着福鞍集团数控加工叶片工艺已达到国内先进水平。叶片数控加工工艺技术的创新，对提高加工质量、加工效率和降低工具费用经济效益显著。叶片的加工成功给福鞍集团创造了新的经济增长点，以后会为企业创造了巨大的经济效益。