水利工程論文-太浦河泵站葉片數(shù)控機(jī)床加工.doc

水利工程論文-太浦河泵站葉片數(shù)控機(jī)床加工摘要：太浦河水泵是國(guó)內(nèi)最大的斜軸伸式水泵，葉輪直徑4.1m，葉片加工技術(shù)要求很高，采用數(shù)控機(jī)床加工方式，葉片表面型線和精度均超過(guò)招標(biāo)文件的要求。關(guān)鍵詞：葉片數(shù)控機(jī)床加工型線表面精度1水泵特點(diǎn)及葉片加工要求太浦河泵站的設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.39m，單泵流量50m3/s，裝有6臺(tái)斜150軸伸泵，葉輪直徑4.1m，是國(guó)內(nèi)最大的斜軸伸式水泵。由于該水泵的揚(yáng)程特低、流量很大，要求水泵裝置具有很高的水力效率和良好的汽蝕性能。葉片是水泵的最重要部件，它直接影響和決定水泵的能量指標(biāo)、汽蝕性能、水壓脈動(dòng)和泵組的運(yùn)行振動(dòng)。通過(guò)國(guó)際招標(biāo)，水泵由無(wú)錫水泵廠制造。該廠采用數(shù)控機(jī)床對(duì)葉片進(jìn)行加工，以保證原型水泵與模型水泵有很好的水力相似，葉片各方面的技術(shù)指標(biāo)可以達(dá)到或超過(guò)招標(biāo)文件規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求。2水泵葉片技術(shù)要求2.1葉片材料水泵葉片材料采用ZG0Cr13Ni4Mo。其化學(xué)成分見(jiàn)表1，物理指標(biāo)見(jiàn)表2。表1ZG0Cr13Ni4Mo材料化學(xué)成分化學(xué)成分CSiMnSCrNiMo含量（%）0.061.001.000.030514.03.504.500.401.00表2ZG0Cr13Ni4Mo材料物理指標(biāo)物理指標(biāo)bsHB數(shù)值760Mpa550MPa15%35%240該材料的特性是抗汽蝕性能好，可焊性好，硬度較高，耐磨損，在水輪機(jī)和水泵制造中較常使用。2.2葉片加工技術(shù)要求太浦河水泵的設(shè)備招標(biāo)文件編制時(shí)，兼顧了葉片常規(guī)加工和數(shù)控機(jī)床加工的兩種要求。招標(biāo)文件規(guī)定：葉片型線允許偏差不超過(guò)0.15%D（D為葉輪直徑m），葉片厚度的允許偏差為-3%T+6%T（T為葉片厚度）。葉片正背面的波浪度應(yīng)低于2/100，在進(jìn)水口等容易產(chǎn)生汽蝕的部位葉片波浪度應(yīng)小于1/100。葉輪葉片安放角最大偏差不大于15/。葉片表面粗糙度不得大于6.3m。3葉片加工方式軸流式水泵的葉片加工一般采用兩種方式：一種是葉片表面手工打磨的常規(guī)加工方式，另一種是數(shù)控機(jī)床加工方式。3.1常規(guī)加工方式常規(guī)加工方式工藝較簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，軸流式水泵葉片基本采用常規(guī)加工。其主要工藝過(guò)程如下：a：葉片固溶處理（不銹鋼）b：葉片表面隨形磨、打磨c：按葉片坐標(biāo)，三坐標(biāo)工具檢測(cè)坐標(biāo)、劃中心孔位置線及零度位置線d：鉆兩端中心孔e：粗加工葉片柄部f：探傷檢查g：精加工葉片柄部h：鉆定位孔或銑鍵槽I：葉片稱重分組和轉(zhuǎn)子體裝配j：加工葉片外球形k：校靜平衡常規(guī)加工的葉片表面有兩種處理方式。對(duì)小型水泵，葉片鑄造時(shí)表面不留加工余量，葉片精度主要由木模和鑄造精度來(lái)保證，變形量比較大，葉片表面極個(gè)別處（約12處）最大變形可達(dá)到56-12mm（根據(jù)葉片大小和葉型厚度）。對(duì)大型或重要的水泵，葉片鑄造時(shí)表面留34mm加工余量，在探傷檢查后，葉片表面多次采用坐標(biāo)檢測(cè)和打點(diǎn)，對(duì)其用砂輪進(jìn)行手工表面打磨，重新劃葉片零度線，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。葉片表面的精度主要由操作工及測(cè)量手段保證，一般能達(dá)到1.5mm，有一定的誤差。該方法采用坐標(biāo)投影測(cè)量（游標(biāo)精度0.02mm、實(shí)測(cè)經(jīng)濟(jì)精度0.5mm）。3.2數(shù)控機(jī)床加工葉片采用數(shù)控機(jī)床加工是一種最先進(jìn)的加工方式，雖然它的加工費(fèi)用較高，但對(duì)于大型水泵河特殊要求的水泵，可以保證原型葉片的型線、表面粗糙度和精度、各葉片重量具有很高的一致性。數(shù)控機(jī)床加工主要工藝過(guò)程如下：a：葉片固溶處理（不銹鋼）b：葉片表面隨形磨、打磨c：按葉片坐標(biāo)，坐標(biāo)投影檢測(cè)坐標(biāo)、劃中心孔位置線及零度位置線d：鉆兩端中心孔e：粗加工葉片柄部f：葉片坐標(biāo)檢測(cè)、記錄、重新劃葉片零度線g：探傷檢查h：精加工葉片柄部I：鉆定位孔或銑鍵槽j：葉片坐標(biāo)檢測(cè)、記錄k：葉片表面數(shù)控加工l：葉片稱重分組和轉(zhuǎn)子體裝配m：加工葉片外球形n：校靜平衡與常規(guī)葉片加工方式相比，數(shù)控機(jī)床加工方式增加了葉片表面坐標(biāo)檢測(cè)和數(shù)控加工的工藝流程。數(shù)控機(jī)床有三軸、四軸、五軸幾種形式。三軸數(shù)控機(jī)床僅有X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)，銑刀位置不調(diào)整，宜加工一般要求的工件。四軸和五軸數(shù)控機(jī)床除有X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)外，還有刀頭旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)，可以調(diào)整加工誤差，工件加工精度很高。數(shù)控機(jī)床在加工方法上又有2.5軸、三軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)的不同加工。運(yùn)轉(zhuǎn)速度上又可分為傳統(tǒng)的低速銑床和現(xiàn)代的高速銑床。數(shù)控機(jī)床配置有CAD/CAM/CAE軟件，可以按設(shè)計(jì)的曲面型線，仿型加工。數(shù)控加工采用不同的加工方式和加工工藝，其達(dá)到的精度、效果也不相同。3.3兩種加工方式比較雖然傳統(tǒng)的低速銑床也可加工葉片的曲面，但難以控制葉片的型線，尤其在葉片比較薄的地方，傳統(tǒng)的低速銑床在切削力的作用下，產(chǎn)生振動(dòng)和彈性退讓，降低了加工精度。一般傳統(tǒng)三軸銑床加工表面粗糙較差和存在著加工死角，通常在工藝上還要進(jìn)行大量的表面打磨。數(shù)控機(jī)床將葉片型線輸入控制箱內(nèi)，可以隨意控制和調(diào)整銑刀的加工，用直線、圓弧命令逼近零件，控制刀位軌跡使葉片表面的實(shí)際曲線與設(shè)計(jì)的曲線完全一致，精加工后的葉片表面不用打磨，便達(dá)到設(shè)計(jì)要求。數(shù)控機(jī)床加工的葉片型線和精度，根據(jù)編制的設(shè)計(jì)程序控制加工，可以不再對(duì)葉片表面進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)控機(jī)床的精度由有關(guān)部門按規(guī)定期限定期進(jìn)行檢驗(yàn)，所以它的可靠性和精度遠(yuǎn)高于常規(guī)葉片加工后的檢測(cè)方式。4太浦河水泵葉片加工太浦河泵站斜150軸伸泵葉輪直徑4.1米，每個(gè)葉輪有三個(gè)葉片，每個(gè)葉片重1.95t，共18個(gè)葉片。為保證水泵葉片的加工質(zhì)量，無(wú)錫水泵廠選擇了富春江水工機(jī)械廠的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，它的加工效果非常好。數(shù)控機(jī)床加工的太浦河水泵葉片，葉片加工精度實(shí)測(cè)數(shù)值：葉片正面波浪度0.40.8/100，集中區(qū)域0.50.8/100，并均勻分布。葉片背面波浪度0.41.2/100，其中1/100的區(qū)域占總面積的87.7%。葉片表面粗糙度1.65.3m，集中分布區(qū)域2.63.8m。實(shí)測(cè)2502個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，其坐標(biāo)誤差-3+4mm，絕對(duì)值3mm的占90.67%。按要求每個(gè)葉片重量誤差39kg。實(shí)測(cè)18個(gè)葉片，重量誤差035kg，其中25kg的占88.89%，10kg的占50%。坐標(biāo)誤差即為葉片允許誤差，葉輪直徑4.1m，允許誤差為6.15mm。5數(shù)控機(jī)床加工的經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床的價(jià)格比較貴，所以加工的費(fèi)用比常規(guī)加工的要高。加工費(fèi)用由機(jī)床折舊費(fèi)、日常維護(hù)費(fèi)、操作人員和管理人員費(fèi)、加工中的正常損耗如刀具、電、氣、冷卻液等費(fèi)用構(gòu)成。最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法是單位工時(shí)價(jià)格工時(shí)數(shù)。工時(shí)包括軟件計(jì)算工時(shí)和裝夾、換刀等工時(shí)。確定數(shù)控加工的方法非常豐富，從2.5軸至5軸聯(lián)動(dòng)，速度從低速至高速、工藝變化很多，刀位軌跡變化多，為有良好的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)根據(jù)不同加工件的產(chǎn)品質(zhì)量要求，選定最優(yōu)數(shù)控加工程序和經(jīng)濟(jì)的加工方法。比如，加工余量的確定是為了保證葉片能加工出來(lái)，應(yīng)根據(jù)葉片大小、厚度，選擇合適的葉片單面加工余量，太浦河水泵葉片的尺寸可放513mm余量；葉片根部、進(jìn)出口邊圓角等處可考慮以磨代銑降低費(fèi)用。為了經(jīng)濟(jì)、高效又高精度的加工葉片，加工精度可通過(guò)人機(jī)交互設(shè)定。粗加工時(shí)三軸聯(lián)動(dòng)重切削加工去除大量表面余量，精加工時(shí)采用五軸聯(lián)動(dòng)高速加工，消除加工死角及薄壁處的振動(dòng)和彈性退讓，表面加工后不用打磨。在運(yùn)行軟件上可以首先用CAD三維設(shè)計(jì)、造型葉片，修改葉片表面缺陷，對(duì)表面光滑處理。然后用CAM靈活設(shè)計(jì)加工方法、確定加工參數(shù)、刀具等，進(jìn)行刀軌的校核、編輯、優(yōu)化、模擬仿真以獲得最佳加工刀位軌跡，通過(guò)后處理程序生成加工程序。太浦河水泵的葉輪直徑4.1m，每個(gè)葉片重1.95t，由于委托外廠數(shù)控機(jī)床加工，每個(gè)葉片費(fèi)用近8萬(wàn)元。0Cr13Ni4Mo的材料比較硬，如葉片鑄造余量留得比較大，將增加數(shù)控機(jī)床的加工量和加工工時(shí)數(shù)?？刂迫~片的鑄造質(zhì)量，可以控制加工費(fèi)用。6結(jié)束語(yǔ)太浦河水泵葉