大型轴流式水轮机叶片五轴联动数控加工技术（二）
三、仿真加工与编程水轮机叶片是非常复杂的雕塑曲面体，若要成功采用五轴联动数控加工，其关键在于开发利用计算机仿真加工技术，这对大型叶片数控加工尤为重要，再之，这也是五轴联动加工编程的先进技术手段。大型叶片五轴联动数控加工的自动编程要同时考虑的问题较多，比一般的自动编程要复杂得多，必须通过计算机仿真验证。叶片的计算机仿真加工是叶片多轴联动数控加工工艺中最关键和技术性最强的工作，是辅助制定工艺方案和编制加工程序的基础。通过仿真加工反复修改完善寻求合理加工方案和具体加工方法。主要工作是在二次开发的基础上，用SDRC公司CAMAND CAD/CAM软件进行二次开发来实现仿真加工。叶片的仿真加工及编程如图4所示。
1.叶片的三维造型
水轮机叶片的型线和型面必须严格按设计的要求模拟，因为这是要影响其流体动力性能以致于整个机组的性能，在造型时要考虑如下工程要求。
(1)将叶片曲面体合理分成多张曲面的组合，以便准确模拟叶片曲面体；
(2)各张曲面的造型方法选择，要能准确定义和反映实际工程的要求；
(3)曲面造型的误差控制，曲面的裁剪与延拓等曲面运算；
(4)根据仿真加工时的工艺方案，按各张曲面的加工方法，来划分叶片各张曲面。
轴流式水轮机叶片是由带球面的法兰和多张雕塑曲面组成的曲面零件，不能用解析方程来定义这些曲面。如何准确地采用数值方法来模拟叶片每张曲面，尤其对大型叶片，这是极为重要的。采用NURBS曲面逼近方法能准确地数值模拟出叶片上的每张曲面，也便于多轴联动数控加工刀位轨迹计算。
轴流式叶片由具有雕塑曲面的正、背面，进水边变圆弧半径曲面，出水边曲面，轮缘球面，轮毂和法兰球面，轮缘的裙边曲面，轮毂和法兰与正、背面的过渡曲面等构成。叶片正背面是按在圆柱坐标系下给出的型值点，编写一个程序将型值点按圆柱截面读入，并转换到直角坐标下，转换成CAMAND的REVPOST格式，沿圆柱截面线作LOFTED的SPLINE曲线，再按过曲线方法作出LOFT曲面，这样作出正、背面，并向轮缘和轮毂延拓曲面。按图纸作轮缘和轮毂的球面，再用圆柱面作出法兰轴，用轮毂球面去TRIM法兰轴。按图纸要求作法兰与正背面的等半径FILLET面，法兰向进、出水边的变半径FILLET面，并TRIM轮毂球面，延拓叶片轮缘的正背面按图纸作出轮缘处背面的裙边，用裙边和叶片正、背面TRIM轮缘球面，再用轮缘球面TRIM正背面多余延拓的部分，按图纸上的进水边放大图作出头部曲面，出水边曲面因厚度很薄，—般近似作一直纹面即可，这样就在CAMAND上完成了轴流式叶片造型，应注意的是，造型的目的是为了加工，在造型时必须考虑加工方法，轴流式叶片的三维造型如图5所示。
2.刀位计算和刀具干涉检查计算及切削仿真
首先，根据叶片的结构特点，初定加工方案(MACHINING STRATEGY)，划分加工区域，按CAMAND软件定义所用刀具的几何参数，包括刀片的几何形状，刀盘的几何形状，切削刃长，刀杆及连接系统几何形状等，再定义与机床有关的参数，包括一些机床特征和限制，可加工的空间范围，铣头转角和摆角限制及方向等，完成构造机床配置文件。接下来各加工区域曲面特点，选择不同的加工走刀控制方法计算出各区域刀位，结合后述的碰撞干涉检查，检查区域划分是否合理。在加工叶片型面时，选择合理的加工走刀方向，直接关系到加工效率的高低。经过分析后，决定选择沿叶片造型的参数线作为FLOWLINE铣削加工的方向，此方向叶片型面的曲率变化较小，有利于切削工艺性能改善。
对于轴流式叶片，应根据叶片法兰和裙边等结构特点，对叶片进行分区加工。在不同的区域采用不同的刀具和刀轴控制方式，以尽量提高加工效率。CAMAND软件的曲面加工有多种灵活的刀轴控制算法，在大过流面可采用TILT方式，在叶片进出水边采用TANTO方式，在轮毂的过渡曲面采用ADVANCED PROJECTION方式，在轮缘处采用CURVE/VECTOR POINTSET方式加工。寻找到较为合理的区域划分后，进一步调整加工方法中的刀轴控制方式的参数，进出刀控制等主要有可能导致碰撞的因素再进行刀位计算和后述的仿真检查，修调各参数。
在进行叶片刀位计算过程中值得注意的是，为了改善刀具切削条件，视其加工面的曲率变化情况及刀具长度，在TILT方式计算五轴联动刀位时，给定一个2～4(左右的LEAD ANGLE和1～5(左右的TILT ANGLE。在不碰撞的条件下，对刀具(刀盘和切削刃)及刀杆进行干涉检查。刀具干涉用VERICUT进行图形仿真检查，如有任何干涉，则反复前述各步修改可能影响的多个因素，直至生成仿真时没有干涉和碰撞的刀位，并将其作为可用刀位，在此刀位和有关加工参数基础上加上刀具的切削参数等再计算刀位，其刀位为最终加工用刀位，供后处理生成加工代码。
3.机床仿真及碰撞检查
对于大型叶片加工，为了机床和工件的安全，进行机床仿真以防铣头碰撞和刀具干涉等是非常必须的，加工仿真流程如图6所示。在前已述，如仿真中发现碰撞和干涉，必须修改加工方案和加工方法。利用SDRC/CAMAND构造出加工叶片所用NC铣头〔如图7〕，根据铣头结构和运动关系，按CAMAND软件的Simulation功能的要求定义出铣头上的主动轴几何(Primary Geometry)和从动轴几何(Secondary Geometry)，并规定第4轴和第5轴的关系。在Simulation中可采用连续或单步控制模拟加工过程中铣头和刀杆的空间运动，检查铣头和刀杆与工件和夹具是否有碰撞和干涉(如图8所示)。值得注意的是，5FZG机床的NC铣头的B轴在机械上是有限制((360()，在机床的配置文件中设置((358()较为安全。在连续加工时，B角积累到358(时，用CAMAND的Windup功能使之抬刀至一安全平面，反转并后退一步再进刀，以免损坏刀具和划伤已加工表面。在Simulation的仿真过程中可观察到和真实加工时一致的铣头的运动，对于可能碰撞的部位，可单步向前和向后控制便于仔细观察，并可查询各坐标轴的值，便于分析，以修改工艺方案和加工方法。机床仿真和前面已述的刀位计算及刀具干涉检查须互相配合，经过反复修改，才可计算出合理而又“放心”的刀位。
4.后置处理及加工程序
后置处理是将前述计算出的合理刀位转换成特定机床数控系统格式代码，后处理流程如图9所示。后处理软件必须针对特定机床开发，包括机床配置模块(CFG)和将刀位轨迹翻译成特定机床代码的模块(PPR)。对于五轴联动后处理要特别注意各坐标之间的运动关系。
利用CAMAND/UPP5模块，用其定义的命令语言开发出专用于5FZG机床的后处理器，再协同针对5FZG机床编写的机床配置文件(Machine Tool Configuration File)，将前述已得合理的中间刀位(ITP)进行转换生成可控制机床的加工代码。由于5FZG机床CNC装置零件内存(Part Memory)容量的限制，再兼顾加工的各工步，将叶片加工程序分成多个程序，如高坝洲叶片分成40多个加工程序，约5MB，通过PC的RS232和Sinumerik 880M的RS232串口用PCIN通信软件进行程序传送。
四、大型轴流式叶片的数控加工
在5FZG的固定工作台上，按编程设定的机床毛坯加工方向安装好夹具，吊装叶片并找正，测量工件零点并置于NC零偏寄存器，先用检查程序检查并标记背面余量，翻转180(再找正，用正面余量检查程序检查并标记余量，如总体上有余量，装夹拉紧，然后按要求进行检查，达到加工要求方可开始进行加工。加工之前应该确认刀具及连接系统的尺寸是否与编程一致，因5FZG机床尚无五轴刀具长度补偿功能。加工中先按程序加工进出水边，然后根据余量分布情况，按程序对各加工区域粗铣或精铣。正面加工完后，在靠轮缘的进出水边处铣两小平面供加工背面辅助找正用。在正面按程序钻检查定位用标记孔。然后翻转180(找正，按类似正面加工过程加工背面。加工叶片的每一个环节都必须仔细，加工出的叶片经各项检查，完全满足设计要求，叶片型面准确度大大高于IEC193标准要求。如图10所示为叶片实际加工图。
五、结束语
水轮机转轮叶片五轴联动数控加工技术是当今世界发电设备制造业中的最先进高技术之一，大型水轮机叶片五轴联动数控加工涉及到计算机辅助产品三维造型技术，计算机模拟及仿真加工技术，五轴联动加工机床仿真及后置处理，针对叶片的合理加工工艺方案，装夹定位技术与夹具设计与制造，加工方案配以合理的刀具和切削参数，以及毛坯制造等多个环节和多方面的技术。可以说，每个环节和涉及到的技术都是新技术问题。我公司有关技术人员经过不懈的艰苦努力，作了大量的基础和开发工作，首次并成功地将开发的大型水轮机叶片五轴联动数控加工技术用于高坝洲电站水轮机叶片加工，为国内制造厂首次整个电站和整机叶片全套采用数控加工。从加工后的叶片测量数据分析，加工精度已达到国际先进水平，从加工过程来看，加工效率已接近国际先进水平，为国内技术领先水平。该技术的开发成功，具有很好的社会和经济效益，不仅对三峡机组制造，而且对整个水轮机制造行业的技术进步，提高我国水电设备制造业的市场竞争力都有着重要的意义。【MechNet】
文章关键词： 数控加工
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