加工轴流式水轮机叶片用数控刀具的国产化研制

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水轮机转轮叶片是一种形状复杂的雕塑曲面体零件，制造难度很大，国内过去通常采用“砂型铸造→手工铲磨→立体样板检查”的传统制造工艺，加工效率低，劳动强度大，且叶片型面精度难以保证。目前国外已应用计算机仿真加工技术实现了水轮机转轮叶片的五轴联动数控加工，从而大大提高了加工效率和叶片型面加工精度。 M$ C; V' Z" u7 O7 P3 Y! P

我公司承担制造的3台高坝洲水轮发电机组是高水头轴流式机组，水轮机转轮直径为5.8m，转轮叶片从进水边到出水边扭曲度大，叶片背面转缘带有外裙边，叶片转毂侧带有较大内裙边，从法兰球面区至进、出水边的曲面R 沿空间曲面逐渐变化过渡到零。应用户要求，机组全套叶片(3台×5片)采用5FZG龙门移动式五轴联动数控机床加工。数控刀具的研制和应用成为加工能否成功的关键因素之一。

1 刀具的选用

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选用加工叶片数控刀具时需考虑以下因素：

1. 刀具几何形状应能适应凸曲面和凹曲面的加工，应具有良好的切削性能及断屑、排屑性能。 ' E) Z2 E2 t0 f
2. 选用刀具时除应根据机床功率、铣头转速、叶片材质等对刀具、刀片的有关参数进行计算外，还需要对刀片、刀杆、铣头等进行仿真加工验证和干涉检查验算。
3. 可选用不同直径的刀具进行仿真加工验算，在机床功率、刚性、铣头转速足够的条件下，尽量选用大直径刀具，以提高加工效率。

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经过设计计算及仿真加工验证，选定以下4种刀具加工高坝洲机组叶片：①60°D200面铣刀盘，用于粗铣叶片表面；②D100玉米铣刀，用于加工叶片进、出水边及外缘；③D100球头铣刀，用于加工叶片表面与法兰球面间过渡曲面；④D125R面铣刀，用于精铣叶片表面。

2 刀具的国产化研制

为保证加工质量，加工第一台机组叶片时全部采用了进口数控刀具(Kennametal、Sandvik产品)。由于叶片材料为含Ni、Cr 不锈钢，材料强韧性好，加工温度高，刀具消耗量较大。虽然进口刀具加工轻快，切削效率高，但价格昂贵(每把5000～32000元)，供货周期长，对降低加工成本、保证生产进度不利。为此，我们对部分刀具进行了国产化研制。

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1. 与绵江工具厂合作研制了60°面铣刀盘。Kennametal公司进口刀盘为右刀盘(正刀盘)，未生产左刀盘(反刀盘)，只能利用刀片4次。而国产化的正、反两种铣刀盘可将刀片使用次数增加到8 次。另外，原装进口刀具采用杠杆式压紧结构，设计、制造较复杂，我们改用了螺钉压紧式结构，通过试加工证明是成功的。 + X- J% p4 {" B
2. 与绵江工具厂合作研制了D100螺旋玉米铣刀。因螺旋玉米铣刀加工量大且不均匀，因此我们选用了立装结构且带分屑槽的刀片，提高了刀具强度和排屑流畅性。 1 {$ z5 h6 Z& P+ T: }
3. 大规格非标刀具，由于为长切削刃结构，国产化开发难度较大，因此仍采用进口刀具。 8 E1 ~8 F* I& L9 i8 A9 c
4. R125面铣刀为精铣刀，加工量小，不易损坏，所以无需国产化。

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3 刀片的国产化研制

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加工叶片使用的进口刀片虽然性能优良，但消耗量大，价格昂贵，有必要进行国产化开发。进口刀片全部为加工不锈钢材料的涂层刀片，且刀片几何形状复杂。如60°面铣刀片采用曲面15°大前角(见图1)；玉米铣刀片一面带3 个分屑槽，另一面带2 个分屑槽(见图2)；R 面铣刀片的前刀面带有复杂纹路(见图3)。因此刀片模具的开发难度很大。国产化刀片必须满足以下要求：①材质好，适合叶片加工；②形状精度和尺寸精度高，可满足加工要求。
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图1

图2

图3

经过对加工能力的认真考察，我们选择株洲硬质合金厂进行刀片的国产化开发。开发的具体刀片牌号为：CN351 60°面铣刀片；CN351玉米铣刀片；CN351球头铣刀片；YB235R面铣刀片。国产化刀具及刀片经生产使用，效果良好，证明国产化研制是成功的。

4 刀具的修复

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在生产过程中，球头铣刀损坏严重，消耗量很大。这种刀具进口单价近2万元人民币，为降低加工成本，有必要对损坏的球头铣刀进行修复。 + h. \( \& l: X3 t

首先对刀具缺损部分进行补焊，然后用砂轮机磨出刀具外形轮廓，用旋风锉修锉刀座部位。为纠正焊接变形，还需用M3.5丝锥将刀片压紧螺钉孔重新攻丝。虽然修复后的刀具精度不如原装刀具，但完全可以满足加工要求。我们先后修复刀具14把，共节约资金27.7 万元。 + q5 `1 C- a( v

5 效益分析

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水轮机叶片数控加工刀具的国产化开发大幅度降低了加工中的刀具成本。国产60°面铣刀盘单价为1580元(进口铣刀盘为12500元)；国产D100螺旋玉米铣刀单价为3000元(进口铣刀为31980元)；60°面铣刀片单价为75元(进口刀片为174.75元)；国产玉米铣刀片单价为45元(进口刀片为83.97元)；国产球头铣刀片单价为25元(进口刀片为62.24元)；国产R面铣刀片单价为32元(进口刀片为80元)。国产刀片的加工效率可达到进口刀片的70%～80%，而价格不到进口刀片的1/2。在对三台高坝洲水轮机组叶片的加工中，第一台机组叶片全部采用进口刀片加工，刀片费用8.9万元；第二台机组叶片大部分采用国产刀片加工，刀片费用降为3.7万元；第三台机组叶片全部采用国产刀片加工，刀片费用仅为3.2万元。