大型转轮叶片多轴联动加工工艺技术研究毕业设计论文.docx

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大型转轮叶片多轴联动加工工艺技术研究毕业设计论文

大型转轮叶片多轴联动加工工艺技术研究

StudyonProcessofMulti-axisMovementSimultaneouslyMachiningtheLargeFrancisTurbineBlade

摘要

随着我国大型水电站的不断开发，大型水轮机组的研制进入快速发展阶段。

转轮是水电机组的心脏，转轮叶片是转轮的关键部件，其加工制造技术也不断的发展。

在大量的技术引进和消化以及制造业不断发展的基础上，我国的转轮叶片的加工制造已经摆脱了传统的手工制造的阶段，进入到数字化设计和制造阶段。

转轮叶片的五轴联动加工技术是转轮叶片制造的关键技术，它是一项涉及到多个学科相互交叉的综合性机械加工技术。

由于其技术含量高、投资成本大，仅为世界上少数企业和公司所常握。

目前转轮叶片加工所采用的工艺方法基本上沿用国外的技术方法，其工艺技术比较先进和成熟。

由于工艺技术具有极强的个性，我们在转轮叶片的加工工艺上需要进一步研究来适应我们自身工艺技术环境等多方面的要求，以形成自身的制造工艺技术的特点，从而达到质量和成本的最优，实现效益的最大化。

本文对目前东方电机所采用的转轮叶片的工艺技术方法进行了详细的论述，并针对该工艺技术方法在实际应用中出现的一些问题进行了进一步的研究，主要包括对混流式叶片焊接坡口的加工工艺研究，转轮叶片的装夹找正工艺研究以及转轮叶片的机床仿真技术的研究，通过研究应用，提出了解决这些问题的方法，从而对转轮叶片的加工工艺技术进行了优化和完善。

通过上述研究，本文以三峡右岸水轮机叶片的加工制造为应用平台，以UGNX、CAMAND、VERICUT以及在MDT平台上二次开发的余量分布计算软件等为技术手段，对整个转轮叶片的制造工艺流程进行了优化和完善。

通过对坡口加工工艺技术、转轮叶片装夹定位技术和基于转轮叶片加工的加工仿真系统的应用，提高了三峡右岸转轮叶片的加工质量，节约了加工成本，缩短了加工周期,取得了良好的经济效益和社会效益。

关键词：

转轮叶片加工工艺五轴联动数控加工加工仿真叶片焊接坡口

Abstract

Followingthedevelopmentoflargehydroelectricpowerstationofourcountry,theresearchandmanufactureoflargehydroelectricgeneratingsetisdevelopingquickly.Theturbineistheheartofthehydroelectricgeneratingset,thebladeofturbineisthekeycomponent,thetechnologyofmanufacturingofitisdevelopingcontinuously.Basedontheplentifulintroductionandassimilationofadvancedtechnologyandthedevelopmentofmanufacturing,themanufacturetechnologyofturbinebladehaveenteredintotheperiodofdigitaldesignanddigitalmanufacturing,brokenawayfromtraditionalmanualmanufacturing.

Themanufacturingtechnologyofturbinebladewiththefive-axismovementsimultaneouslyofnumericalcontrolmachineisthekeytechnologyofblademanufacturing,whichisaall-aroundmachiningengineeringtechnologywhichrefertomanysubjects.Becauseofhightechnologyandmuchinvestment,onlyafewcompaniesandenterprisesmasterit.Nowadays,themanufacturingtechnologyofturbinebladefollowstheforeigntechnologyinourcountry,itisrelativeadvancedandmature.Becausetheprocesstechnologyhasthestronglypersonality,weneedtohavemoreresearchofthemanufacturingtechnologyofblade,inorderthatitcanadapttheconditionsofmanufacturingofoursandformthemanufacturingcharacteristicofourselves,moreover,itcanreachthebestofqualityandcost,realizethemaximumbenefits.

ThepaperdiscussesthedetailedprocessofthistechnologyusedbyDFEM（DongfangElectricMachineryCompanyCorporationLimited）,andresearchestheprocessfurtherbasedontheproblemsdiscoveredduringtheapplication,mainlyincludingthechamfermachiningtechnologyofturbineblade,theclippingandalignmentadjustmenttechnologyofturbineblade，andthemachinesimulationtechnologyofturbineblade.Bytheresearch,theauthorputforwardthemethodsofresolvingtheproblems,thereby,improvingandoptimizingtheprocess.

Basedontheresearchabove,usingtheUGNX,CAMAND,VRICUTandsecondarydevelopmentsoftwarewithMDTbyDFEM,themanufacturingtechnologywasimprovedandoptimized,anditwasusedtomachiningthebladeofThreeGorgeRightBankrunner.Byusingthechamfermachiningtechnologyofturbineblade,theclippingandalignmentadjustmenttechnologyofturbineblade，andthemachinesimulationtechnologyofturbineblade,thequalityofthebladeofThreeGorgewasimproved,themachiningcostandtimewassaved,andthetechnologygainedthebettertheeconomicandsocialbenefits.

Keywords:

ProcessTechnologyofFrancisTurbineBlade,

Five-axisMovementSimultaneouslyMachining,MachiningSimulation,

Chamfer

摘要I

AbstractII

1绪论

1.1课题的提出与意义

（1）

1.2水轮机叶片加工工艺技术国内外概况

（2）

1.3主要研究内容（4）

1.4本章小结（5）

2转轮叶片数控加工制造工艺

2.1转轮叶片叶片数控加工工艺流程（6）

2.2转轮叶片五轴联动数控加工关键技术（7）

2.3转轮叶片数控加工中存在的问题（8）

2.4本章小结（9）

3转轮叶片制造工艺研究

3.1焊接坡口数控加工工艺（10）

3.2叶片装夹定位工艺技术研究（17）

3.3叶片加工余量估计技术（21）

3.4本章小结（25）

4转轮叶片数控加工仿真技术研究

4.1加工仿真系统概述（26）

4.2面向转轮叶片加工的加工仿真系统建模（27）

4.3基于加工仿真的叶片加工程序校验及优化（29）

4.4本章小结（31）

5转轮叶片数控加工实践及效果分析

5.1概述（32）

5.2转轮叶片焊接坡口三维造型（33）

5.3转轮叶片毛坯测量及余量分布计算（34）

5.4转轮叶片数控加工工艺编制及加工刀位计算（35）

5.5转轮叶片加工仿真及加工程序优化（42）

5.6转轮叶片加工实例及加工效果分析（44）

5.7本章小结（46）

6结论和展望（47）

6.1结论（47）

6.2展望（47）

6.2本章小结（48）

致谢（49）

参考文献（50）

1绪论

1.1课题的提出与意义

我国幅员辽阔，河流众多，径流丰沛，地势起伏变化大，蕴藏着非常丰富的水能资源。

据1977～1980年进行的全国水能资源普查结果（不包括台湾省），全国水能资源理论蕴藏量6.76亿千瓦，折合年发电量5.92亿千瓦时，其中可开发水电装机容量3.78亿千瓦，年发电量1.92亿千瓦时。

不论是水能资源理论蕴藏量，还是可能开发的水电装机容量，我国在世界上均居第一位。

但由于我国人口众多，虽然我国约占世界水电总量的15%，而我国人口却占了世界的21%，因此人均资源量并不富裕。

按照国家经济与社会发展三步走的战略目标，到2050年，我国要达到中等发达国家水平，如果按人均装机1千瓦计算，全国电力总装机应达到15至16亿千瓦。

至此，即使常规水电全部开发出来，加上抽水蓄能电站，水电比例也只占到30%左右。

所以，我国的水电资源虽然总量非常可观，但都为国家建设所需要，十分珍贵[1]。

随着西部大开发战略和国家“十五”、“十一五”规划纲要的实施，我国水电发展迎来了又一个春天，特别是对于大型水电站的开发，“十五"、“十一五”期间党和国家对大力开发水电给予高度的重视，把大力开发水电作为实施西部大开发和"西电东送"战略的重要组成部分，为加快水电的开发创造了良好的机遇。

按照设想，2001～2010年期间，三峡、龙滩、小湾、公伯峡、水布垭等一大批常规水电站将建成、发电，东部及部分中部缺少水电或接受西电的省、市、区还要建设一批大型的抽水蓄能电站。

到2010年，水电装机容量应力争达到1.55亿kW以上，我国的水电装机容量将超过美国居世界第一，完成从资源第一大国到生产第一大国的转变。

2011－2049年，我国达到或超过中等发达国家的水平，人均装机以1kW计，全国总装机约15亿kW。

这时基本完成常规水电的开发，开发率达到85％－90％左右，装机约4.3亿kW。

西电东送的规模超过1亿kW，东中部受电区和风电发展比较集中的地区，抽水蓄能电站也将相应得到发展，装机规模将达到0.7亿kW。

水电装机总量达到5亿kW，占总装机的比例约为33％。

中国的水电技术将达到世界领先水平，进一步由生产数量上的水电第一大国，成为水电数量、质量、科技、管理、效益等方面全面领先、真正意义上的水电第一大国[2]。

为此，对于水电机组的研究、制造技术的提高，是实现我国成为水电第一大国的关键之一。

我国在“九五”、“十五”、“十一五”都先后对水电技术进行了科研攻关，我国的水电制造技术有了长足的进步，一些机组的研发和制造能力已经达到了世界先进水平[3]，随着三峡等一大批巨型机组的制造，我国的水电研制能力必将进一步提高，我国必将成为世界水电研制的中心。

水轮机转轮叶片（以下简称转轮叶片）是非常复杂的雕塑曲面体零件，在大中型机组制造工艺上，“大型转轮叶片的五轴联动数控加工工艺技术”是当今世界发电设备制造业中的关键技术之一，也是当今机械加工技术中的尖端高技术，它是涉及到多学科的一项综合工程技术。

国外世界一流的发电设备制造公司，在80年代就开始投入了大量的人力和财力进行了大量的研究与开发，因有相当大的技术难度，现也只有个别几家公司掌握了该技术，并作为市场竞争的有力技术手段，同时，它也是保证水轮机水力性能的有效技术手段之一。

现在国内大型水电制造公司都有一定的叶片数控加工技术和产品加工经验，其叶片加工所采用的工艺方法基本上沿用国外的技术方法，其工艺技术比较先进和成熟。

但由于工艺技术具有极强的个性，且国内外的装备情况和技术条件大不相同，因此，需要我们在转轮叶片的加工工艺上作进一步研究来适应我们自身工艺技术条件等多方面的要求，以形成自身的制造工艺技术的特点，从而达到质量和成本的最优，实现效益的最大化，为此，我们提出了这一研究课题。

1.2水轮机叶片加工工艺技术国内外概况

转轮是水轮发电机组的“心脏”，其质量的好坏，直接关系到整个机组的性能，而转轮叶片的制造又是整个转轮的关键。

可以说叶片的制造水平是水轮机制造水平的一个风向标。

我国转轮叶片的制造技术经历了很长时间的手工打磨加工阶段，即从建国到二十世纪九十年代中期，我国的转轮叶片制造都采用铲磨的方式进行加工，即把叶片铸造毛坯同立体样板进行比较，然后人工用砂轮去除余量的方法进行加工[4]。

这种方式加工的水轮机叶片，其质量不容易控制，而且效率低下，工人的劳动环境及其恶劣。

随着科学技术的进步，特别是三峡工程的启动，我国对转轮叶片的制造技术也进行了研究，通过技术引进和自主创新，我国在二十世纪九十年代后期，逐渐掌握了水轮机转轮叶片的数控加工技术，并在2001年左右应用到我国三峡左岸转轮叶片的制造之中，从此，使我国的水轮机制造质量跨上了一个新的台阶。

通过数控技术加工的叶片，其质量稳定，型线均匀，大大提高了水轮机的各项性能指标[5]。

同时，通过对计算机技术的应用，叶片的模压制造技术也得到了研究、应用和推广[6,7]，特别是在高水头的混流式机组叶片上，模压叶片发挥出了更大的优势。

近年，在叶片制造上又出现了模压和数控加工相结合的叶片制造方式，在模压时采用价格相对便宜的钢板作为母材，准确压制出叶片一面的型面，然后数控加工出另一面型线。

可以说，当前我国的转轮叶片加工技术总体上已经跟上了时代的步伐，但在某些技术上同国外公司相比，仍然存在一定的差距[8]，这需要不断的研究创新。

国外掌握大型水轮机转轮叶片五轴联动数控加工技术的公司有加拿大的GEHydro，德国的Voith及法国的阿尔斯通公司等少数几家公司。

Voith在现目前仍多采用三轴联动，部分采用五轴联动加工。

GEHydro于80年代初从Toshiba公司购进了M5090龙门移动式五轴联动数控铣床，并且他们组织有关技术人员进行了近三年的开发，摸索出了一套水轮机叶片五轴联动数控加工工艺，并在以后几年中对该工艺不断改进和完善，现在的叶片数控加工工艺已较为成熟，在世界同行业处于领先地位。

显示了这种叶片制造工艺对提高转轮及整个水轮机制造质量的优越性，是保证机组具有良好性能的基本手段之一，GEHydro所掌握的大型叶片五轴联动数控加工技术基本上代表世界同行业的领先水平。

国内现在有能力制造类似三峡机组这样的巨型水轮机发电机组的制造企业主要有东电、哈电、天津阿尔斯通、上海西科等四大企业。

哈电通过与ALSTOM联营体合作生产三峡左岸机组，消化和引进该集团的制造技术，从装备和技术上已经开发出一套叶片的加工技术。

东电通过与VGS联营体合作生产三峡左岸机组，也在装备上具备了制造巨型转轮叶片的加工能力，从叶片的三维测量，五轴联动数控加工技术上已经初步具有了一套自己的技术。

在叶片热模压成型工艺技术方面,国外及国内一些水轮机制造厂家为了提高叶片的制造质量，多年来也在探索叶片热模压成型的新工艺，挪威KB公司在低比转速混流式转轮叶片制造已广泛采用热弯成型工艺。

列宁格勒金属工厂，瑞典的KMW，日本的日立公司等均有模压成型经验。

国内哈电同KB合作生产鲁布革转轮采用热压成型工艺，初步掌握了低比转速混流式转轮叶片热压工艺中的一些技术[9]。

从1993年开始，东电组织相关技术人员进行大量的研究开发，着重于高水头机组的高比转速混流式叶片，采用一次模压成型方法[10]，目前已应用到小天度、瓦屋山等多个电站。

1.3主要研究内容

本课题主要是对大型转轮叶片的数控加工工艺技术进行研究，针对当前主要的转轮叶片的加工工艺的一些不足之处进行改进和优化。

论文主体分为四个部分，第一部分为绪论部分，在这一部分通过对我国水电发展概况的介绍，论述了课题提出的背景和意义，同时对国内外现有的转轮叶片的加工工艺技术进行了论述。

第二部分为水轮机数控加工工艺部分，在这一章里，主要介绍了当前转轮叶片的数控加工工艺过程及涉及到的关键技术，通过对它们的论述，指出其存在的不足之出。

第三部分为论文研究的主体部分，在这一部分，主要针对转轮叶片存在的一些不足之处，进行了较为细致的工艺研究，主要包括转轮叶片焊接坡口的数控加工工艺技术研究，转轮叶片装夹定位工艺技术研究，并同时论述了转轮叶片加工余量估计技术。

第四部分为转轮叶片数控加工仿真技术研究，在这一部分，本文对加工仿真系统进行了概述，着重论述了面向转轮叶片加工的仿真系统的建立以及基于加工仿真的叶片加工程序的效验和优化。

第五部分为转轮叶片加工实践及效果分析部分，在这一部分通过对以上研究内容的应用，介绍三峡右岸转轮叶片上加工的实践情况并对加工效果进行了分析

1.4本章小结

通过对我国水电概况的分析，以及对转轮叶片制造技术的对比，我们能够清醒的认识到，在目前这种激烈的市场竞争下，随着我国及其他国家大型水电机组的不断开发，水电机组的制造，尤其是涉及到水电机组运行效率的转轮叶片的制造水平的提高是一个迫在眉睫的事情。

对转轮叶片制造工艺技术的研究能够迅速的缩短我们同国外先进水电制造企业制造水平的差距，提高我们自身的制造水平，有利于企业的发展壮大，更好的同国外先进企业同台竞技。

2转轮叶片数控加工制造工艺

2.1转轮叶片数控加工工艺流程

转轮叶片由复杂的雕塑曲面构成，其数控加工属于复杂曲面数控加工，需要采用多轴联动数控加工才能完成。

从加工效率，工件表面质量来讲，最适宜采用五轴联动数控加工。

五轴联动数控加工是当前加工领域的高新技术，是一项涉及到三维造型，五轴联动数控编程，计算机仿真，三维测量，数控加工刀具，复杂曲面的快速装夹定位，机械制造工艺学等多学科的综合机械制造加工技术，因此，国内只有少数几家公司掌握了该技术，并绝对保密[11，12]。

转轮叶片的制造工艺方法在不同的公司都有其一些诀窍，但就总的工艺流程来讲基本一致，其工艺流程如下图所示：

A

图2.1转轮叶片加工工艺流程图

2.2转轮叶片五轴联动数控加工关键技术

从叶片制造的工艺流程中，可以看到实现转轮叶片的数控加工涉及到多个领域的技术知识，其中关键技术主要有：

（1）叶片的计算机三维造型技术

通过木模图得到的设计模型往往在某些位置叶片数据要失真，不能直接使用，所以在加工中，通常要对叶片木模数据进行转换，在文献[13]中已经介绍了一些方法。

为了保证数据的完全正确，现在叶片计算机三维模型通常从水利设计直接得到，但由于加工的需要，往往对设计模型需要进行修改已满足加工的需要，同时，随着加工技术的发展，叶片焊接坡口也需要在计算机上三维造型，然后进行数控加工。

（2）五轴联动数控编程技术

五轴联动相对于三轴联动来说，其优越点是不言而喻的，无论在加工质量和加工效率上都有明显的优势[14]。

五轴联动数控编程技术是实现叶片加工的关键技术之一，它是在计算机上通过图形仿真的方式计算五轴联动刀位，同时进行干涉检查。

目前多采用专业商业软件实现刀位计算。

（3）数控加工仿真技术

通过计算得到的五轴程序往往还要经过计算机仿真，对其进行碰撞检查，同时随着仿真技术的发展，目前。

除了切削仿真外，还可以进行机床仿真，模拟包括机床、夹具在内的整个加工过程，同时对程序进行优化，使加工过程更高效

合理。

（4）叶片三维测量技术

转轮叶片毛坯质量对数控加工效率有很大的影响。

对于转轮叶片毛坯制造来说是非常重要的，而且也是叶片制造过程中的关键技术。

但这里只讨论加工，不述及叶片毛坯制造。

对于数控加工叶片毛坯，要求型面（正面和背面）的余量尽可能分布均匀，一般单面余量在7mm–15mm最好。

对于浇铸毛坯，实际上每片的余量分布是不一样的，为了下一步采用计算机分析找到“毛坯余量分布最为均匀”的最佳加工姿态，必须对每一个毛坯的三维型面进行测量。

测量的方法很多，由于测量工作很大，必须寻求具有经济、高效、准确、便于计算机数据采集处理和测量基准易于变换等特点的测量方法。

目前，采用的测量设备有三维划线仪、光电经纬仪、激光跟踪仪等。

（5）叶片余量计算机自动分布计算技术

由于每一片叶片毛坯的余量分布是不一样的，为了使在加工时能保证所有加工面都有一定的余量，最有效的办法是通过计算机模拟出叶片的“最佳”余量分布。

目前，国内外对其计算软件的开发及算法做了一些研究,取得了一些成果[15－19]。

本课题使用的计算软为二次开发软件，根据每一片毛坯测量的三维型面数据，用计算机模拟出毛坯的实体，并同时对设计数据进行三维实体造型。

将设计的三维叶片实体由软件自动对各个方向自由度进行搜索嵌套在毛坯实体中，进行多目标多变量优化计算，寻求到“最佳”加工姿态，并按余量分布“最佳”的条件进行安装。

这样可大大节约机床上的安装找正时间，对转轮叶片从根本上解决定位和找正困难的问题。

（6）叶片快速装夹定位技术

转轮叶片是形状非常复杂的雕塑曲面体，与一般规则几何体零件相比，其定位基准非常复杂。

不仅要考虑“基准”，还要考虑“各加工曲面上的余量分布”均匀。

如何巧妙地利用简单可行的夹具，以叶片毛坯测量辅助自动余量计算技术配合，方便和快速地对每一个叶片毛坯调整定位和装夹。

这不仅是为了提高装夹找正效率，也是为了能对每一个叶片毛坯（余量分布不一样）能正确加工出叶片型面的基本保证之一。

2.3转轮叶片数控加工中存在的问题

应用转轮叶片数控加工方法，目前已经完成了诸如三峡左岸等大型混流式水轮发电机组转轮叶片的数控加工，其加工质量达到了很高的要求，但是，其中也存在一些问题：

（1）焊接坡口曲面没有加工

在目前国内自行设计的转轮叶片的数控加工中，只对其两个工作面及出水边进行了加工，而叶片对于焊接坡口没有进行加工，这使叶片在后序装焊时，叶片容易超出定位误差，影响机组的水利性能。

因此，必须对焊接坡口型面进行工艺和造型研究，以便于数控加工。

（2）工装成本太高

由于转轮叶片属于单件小批量生产，其不同机组由于受外部条件的影响