轉輪葉片是水輪機能量轉換的關鍵部件，也是最難加工的零件，目前多軸聯動數控加工是解決該類大型雕塑曲面零件最有效的加工方法。多軸聯動數控加工編程則是實現其高精度和高效率加工的最重要環節。本文介紹大型水輪機葉片五軸聯動數控加工大型雕塑曲面編程中涉及到轉輪葉片三維造型、刀位軌跡計算、切削模擬、機床運動碰撞模擬、後置變換等關鍵技術。通過對這些技術的鏈接和研究，開發實現了大型葉片的多軸聯動加工。
1、引言
水輪機是水力發電的原動機，水輪機轉輪葉片的製造轉輪的優劣對水電站機組的安全、可靠性、經濟性運行有著巨大的影響。水輪機轉輪葉片是非常複雜的雕塑面體。在大中型機組製造工藝上，長期以來採用的「砂型鑄造——砂輪鏟磨——立體樣板檢測」的製造工藝，不能有效地保證葉片型面的準確性和製造質量。目前採用五軸聯動數控加工技術是當今機械加工中的尖端高技術。大型複雜曲面零件的數控加工編程則是實現其數字化製造的最重要的技術基礎，其數控編程技術是一個數字化模擬評價及優化過程。其關鍵技術包括：複雜形狀零件的三維造型及定位，五軸聯動刀位軌跡規劃和計算，加工雕塑曲面體的刀軸控制技術，切削模擬及干涉檢驗，以及后處理技術等。大型複雜曲面的多軸聯動數控編程技術使雕塑曲面體轉輪葉片的多軸數控加工成為可能,這將大大推動我國水輪機行業的發展和進步，為我國水電設備製造業向著先進位造技術發展奠定基礎。
2、大型水輪機葉片的多軸數控加工編程過程
大型複雜曲面零件的五軸聯動數控編程比普通零件編程要複雜得多，針對水輪機葉片體積大並且型面曲率變化大的特點，通過分析加工要求進行工藝設計，確定加工方案，選擇合適的機床、刀具、夾具，確定合理的走刀路線及切削用量等；建立葉片的幾何模型、計算加工過程中的刀具相對於葉片的運動軌跡，然後進行葉片的切削模擬以及機床的運動模擬，反覆修改加工參數、刀具參數和刀軸控制方案，直到模擬結果確無干涉碰撞發生，則按照機床數控系統可接受的程序格式進行后處理，生成葉片加工程序。其具體編程過程如圖1所示。
圖1大型混流式葉片的五軸聯動數控加工編程流程 2．1水輪機葉片的三維幾何建模
水輪機葉片是由多張雕塑體曲面組成的曲面零件，是不能用解析方程定義這些曲面的。為了滿足葉片設計的流體動力學特性要求，我們採用NURBS曲面逼近方法進行曲面造型。對於混流式葉片這一複雜雕塑曲面體由正面、背面、與上冠相接的帶狀迴轉面、與下環相接的帶狀迴轉面、進水邊曲面、出水邊曲面、進水邊頭部曲面等構成；軸流式葉片由具有雕塑曲面的正、背面，進水邊變圓弧半徑曲面，出水邊曲面，輪緣球面和柱面，輪轂和法蘭球面，輪緣的裙邊曲面，輪轂和法蘭與正、背面的過度曲面等構成。由於葉片沿流面描述的三維坐標點數據量太大，可編寫一個Grip程序讀入這些三維坐標點，對於混流式葉片採用雙三次多補片曲面片通過自由形式特徵的通過曲線的方法進行曲面造型，如圖2所示。而軸流式葉片的正、背面是按在圓柱坐標系下給出的型值點，編寫一個程序將型值點按圓柱截面讀入，並轉換到直角坐標下，沿圓柱截麵線作NURBS曲線，然後放樣（LOFT）生成葉片的正、背面曲面，在此基礎上，再造型出其他曲面實現葉片的三維幾何造型，如圖3所示。葉片的毛坯形狀可從設計數據點進行偏置計算處理，或者從三維測量得到的點雲集方式確定對葉片的各個曲面分別進行NURBS曲面造型，並縫合成實體。
圖2混流式葉片三維造型圖3軸流式葉片三維造型 2．2葉片加工工藝規劃
加工方案和加工參數的選擇決定著數控加工的效率和質量。水輪機葉片是非常複雜的雕塑曲面體，針對混流式水輪機葉片我們根據要加工葉片的結構和特點選擇大型龍門移動式五坐標數控銑鏜床，根據三點定位原理經大量的研究分析，決定在加工背面是採用通用的帶球形的可調支撐，配以葉片焊接的定位銷對葉片定位，在葉片上焊接必要的工藝塊，採用一些通用的拉緊裝置來裝夾。加工正面時，採用在加工背面時配合銑出的和背面型面完全一致的胎具，將葉片背面放入胎具，利用焊接的工藝塊進行調整找正，仍然採用通用的拉壓裝置進行裝夾。由於葉片有多張曲面組合而成,為了解決加工過程中的碰撞問題，我們可採用沿流線走刀，對於葉片的正背面進行分區域加工，根據曲面各處曲率的不同採用不同直徑的刀具、不同的刀軸控制方式來加工。對每個面一般分多次粗銑和一次精銑。在機床與工件和夾具不碰撞和干涉情況下，盡量採用大直徑曲面銑刀，以提高加工效率。葉片正背面我們選用刀具直徑Φ150曲面面銑刀粗銑、Φ120曲面面銑刀精銑，葉片頭部曲面採用Φ80的曲面面銑刀加工，出水邊採用Φ80螺旋玉米立銑刀五軸聯動側銑。根據後續模擬情況反覆做刀位編輯，以尋求合理的加工方案。在滿足加工要求、機床正常運行和一定的刀具壽命的前提下儘可能的提高加工效率。
2．3葉片五軸聯動加工刀位軌跡的生成
針對大型水輪機葉片各曲面的特點，進行合理的刀位軌跡規劃和計算，是使所生成的刀位軌跡無干涉、無碰撞、穩定性好、編程效率高的關鍵。由於五軸加工的刀具位置和刀具軸線方向是變化的，因此五軸加工的是由工件坐標系中的刀位點位置矢量和刀具軸線方向矢量組成,刀軸可通過前傾角和傾斜角來控制，於是我們可根據曲面在切削點處的局部坐標計算出刀位矢量和刀軸矢量。從加工效率、表面質量和切削工藝性能來看，選擇沿葉片造型的參數線作為銑削加工的方向分多次粗銑和一次精銑，然後劃分加工區域，定義與機床有關的參數，根據以上所選葉片的加工部位、裝夾定位方式、機床、刀具及切削參數和余量分佈情況將葉片分為多個組合面分別進行加工。通過對曲面曲率的分佈情況的分析對於不同的區域採用不同的面銑刀。粗加工給出每次加工的余量，精加工採用同一直徑的銑刀，根據粗糙度要求給定殘餘高度，根據具體情況選擇切削類型、切削參數、刀軸方向、進退刀方式等參數生成刀位軌跡。但是對於像葉片這樣的曲率變化很大而又不均勻的雕塑曲面零件我們還要根據情況作大量的刀位編輯，並且必須進一步通過切削模擬做干涉和碰撞檢查修改和編輯刀軌。
數控加工模擬通過軟體模擬加工環境、刀具路徑與材料切除過程來檢驗並優化加工程序，在計算機上模擬驗證多軸聯動加工的刀具軌跡，輔助進行加工刀具干涉檢查和機床與葉片的碰撞檢查，取代試切削或試加工過程，可大大地降低製造成本，並縮短研製周期，避免加工設備與葉片和夾具等的碰撞，保證加工過程的安全。加工零件的NC代碼在投入實際的加工之前通常需要進行試切，水輪機葉片是非常複雜的雕塑曲面體，開發利用數控加工模擬技術是其成功採用五軸聯動數控加工的關鍵。在此，我們首先進行工藝系統分析，明確機床CNC系統型號、機床結構形式和尺寸、機床運動原理和機床坐標系統，用三維CAD軟體建立機床運動部件和固定部件的實體幾何模型，並轉換成模擬軟體可用的格式，然後建立刀具庫，在模擬軟體中新建用戶文件，設置所用CNC系統，並建立機床運動模型，即部件樹，添加各部件的幾何模型，並準確定位，最後設置機床參數。接下來將葉片模型變換到加工位置計算出刀具軌跡，再以此軌跡進行葉片切削過程、刀位軌跡和機床運動的三維動態模擬。這樣就可以清楚的監控到葉片加工過程中的過切與欠切、刀桿和聯接系統與葉片、機床各運動部件與葉片和夾具間的干涉碰撞，從而保證了數控編程的質量，減少了試切的工作量和勞動強度，提高了編程的一次成功率，縮短了產品設計和加工周期，大大提高生產效率，如在數控加工行業進行推廣，可產生巨大的經濟和社會效益。軸流式葉片的機床加工模擬如圖4所示，混流式葉片的機床加工模擬如
圖4軸流式葉片的機床加工模擬圖5混流式葉片的機床加工模擬 2．5葉片刀位軌跡的後置處理
後置處理使數控編程的一個重要內容，它將我們前面生成的刀位數據轉換成適合具體機床的數據。后處理最基本的兩個要素就是刀軌數據和后處理器。我們應首先了解龍門移動式五坐標數控銑鏜床的結構、機床配備的附屬設備、機床具備的功能及功能實現的方式和機床配備的數控系統，熟悉該系統的NC編程包括功能代碼的組成、含義。然後應用通用後置處理器導向模板，根據以上掌握的知識，開發定製專用後置處理器。然後將我們已得刀位源文件進行輸入轉換成可控制機床加工的NC代碼。
3、結束語
複雜曲面的多軸聯動數控編程是一涉及到眾多領域知識的複雜流程，是數字化模擬及優化的過程。本文介紹的大型水輪機葉片的多軸聯動編程技術，已用於工程實際大型葉片的數控編程中，實現了大型轉輪葉片的五軸聯動數控加工的刀位軌跡計算和加工模擬，保證了後續數控加工的質量和效率，已作為大型水輪機葉片五軸聯動數控加工的編程工具用於實際生產中。
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