CN104536383A - 整体锻造整体数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种整体锻造整体数控加工方法，数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。目前我公司通过五轴联动横梁移动龙门加工中心，七轴四联动数控落地镗铣床，三/四轴联动镗铣加工中心等多台中、大型高精数控设备，确保了产品复杂曲面整体数控(CNC)加工的高精度要求。

Description

整体锻造整体数控加工方法

技术领域

本发明涉及一种整体锻造整体数控加工方法，应用于机械设备中负载高、工作条件严峻的重要零件， 如冲击式水轮机转轮、混流式水轮机转轮及其它水轮机关键部件。

背景技术

锻件材料与铸件相比，金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。但通过整体锻造得到的毛坯，余量大、未成型，只能通过数控加工才能满足成品的要求，但也给加工带来很大的难度。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种整体锻造整体数控加工方法，其目的是解决混流式转轮运行中易产生汽蚀、磨损，叶片与上冠下环焊接处开裂及叶片掉块等问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种整体锻造整体数控加工方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

（1）转轮数控加工技术准备

1） 将CAD在制造过程中应用：

通过计算机软件建立转轮精确的数字模型，并且通过过流部分的曲面分析工具使过流曲面获得高的反光度，改善过流性能；

2） 加工刀具设计：

设计刀具长度和直径比小于4，通过不锈钢插铣实验，对比了不同加工条件下刀柄震动和插铣加工表面质量，为减小刀具挠曲变形和防止发生振颤提供了原始数据；通过建立切削条件和切削力的数学模型，建立了切削条件与刀具和刀柄强度之间的关系；应用振动学及金属切削理论和CAD/CAM/CAE技术，优化刀具的选择和切削参数的配匹；通过理论计算并依据刀具在切削过程中切触点的位置和受力方向进行了有限元分析，定制了特殊锥度刀柄；

3） 数控加工程序编制

切削方式大量采用小吃刀深度大进给的高速切削，并根据刀具实际情况优化刀路，避免加工中产生的振动，最终决定采用切削连续性最好的三坐标联动的螺旋线插补走刀方式，切削中余量一致，走刀平稳；

我们利用CAM软件对刀具路径进行全方位干涉检查，反复调整刀路，直至消除干涉为止；

4） 数控加工工艺方式及加工程序：

①机床及工装数字模型的建立：

根据现有五轴联动机床及其工艺的实际外形图纸及尺寸，建立机床的数字模型，并赋予各坐标轴运动关系及机床参数；

② 数控程序校验及优化

利用计算机切削仿真技术，模拟标定工艺及程序加工该转轮的整个工艺过程，并对加工程序进行了优化后，工艺准备完毕，可以随时进行加工；

（2）转轮叶片型线部分粗加工

根据上一步计算得出最优化的加工方案后，转轮叶片部分需加工采用大扭矩的数控镗铣加工中心定刀轴，机床主轴12000Nm的扭矩能有效保证加工精度，并获得高的加工效率，机床整个加工过程采用CNC计算机数字控制加工工艺控制，有效降低加工误差，提高加工精度；

（3）渗透探伤检查

通过探伤检查，进一步避免铸造缺陷；

（4）转轮叶片型线部分精加工

精加工采用高速数控镗铣加工中心，采用多轴联动的走刀方式，将叶片正压侧及负压侧型线一次性连续加工出，通过计算机辅助制造及计算机制造仿真系统保证良好的表面反光度及曲面连续性；

（5）转轮接口精加工：

此工序采用计算机数字控制立式车床及世界一线品牌的数控加工刀具系统，保证良好的尺寸精度及表面粗糙度。

优点及效果：

本发明提供一种整体锻造整体数控加工方法，数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使普通机械被数控机械所代替，使全球制造业发生了根本变化。目前我公司通过五轴联动横梁移动龙门加工中心，七轴四联动数控落地镗铣床，三/四轴联动镗铣加工中心等多台中、大型高精数控设备，确保了产品复杂曲面整体数控(CNC)加工的高精度要求。

转轮坯件整体锻造通常采用ASTM A473 S41500材质，保证了材料的可靠性，再通过完全数控(CNC)加工成型，提高了转轮型线的一致性、型线精度及波浪度，从而确保了转轮的各项水力性能及安全运行。

针对混流式转轮运行中易产生汽蚀、磨损，叶片与上冠下环焊接处开裂，叶片掉块等现象，本申请对混流式转轮制作工艺实施了创新改进：即通过整体锻造完全数控加工成型（见附图3，图3中的A为叶片，B为上冠，C为下环），这样可以有效地解决转轮过流表面因内部细小气孔、夹渣而加速的汽蚀及磨损，并且彻底解决了传统工艺中焊接应力未完全释放造成的安全隐患，延长了转轮的使用寿命。

另外对于高水头混流式转轮因流道狭长，不能满足加工要求，以及转轮直径偏大、高度偏高不能一次锻造成型的混流式转轮，格泰水电采用在转轮叶片中部分瓣，上冠、下环连同部分叶片分别锻造、完全数控(CNC)加工成型后再焊连在一起的生产工艺（见附图4、5、6），因焊接位置位于叶片中部，便于焊接，通过单焊道组焊，有效地保证了焊接质量且焊道避开了转轮运行中易产生裂纹的区域，提高了转轮的安全使用性能，延长转轮的使用寿命。

附图说明：

图1为混流式转轮示意图；

图2为叶片和刀具位置示图；

图3为低水头混流式转轮完全数控加工图；

图4为上冠连同部分叶片完全数控加工图；

图5为下环连同部分叶片完全数控加工图；

图6为上冠、下环连同部分叶片对接组焊图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明提供一种整体锻造整体数控加工方法，该方法的步骤如下：

（1）转轮数控加工技术准备

1） 计算机辅助设计（CAD）软件在制造过程中的应用：

通过计算机软件建立转轮精确的数字模型（见附图1），并且通过过流部分的曲面分析工具使过流曲面获得高的反光度，改善过流性能；                                

2） 加工刀具设计：

由于转轮形状极其复杂,叶片流到加工的空间又十分狭小,对编程和加工来说都相当困难。1最底部只能容纳Φ12 mm的刀具。刀具长度和直径比小于4是刀具正常的切削状态。当刀具的长度和直径比小于大于4时，刀具开始发生振动，当刀具的长度和直径比等于7时则完全丧失切削能力，而叶片加工刀具的长度和直径比达到了14.9。为此，通过不锈钢插铣实验，对比了不同加工条件下刀柄震动和插铣加工表面质量，为减小刀具挠曲变形和防止发生振颤提供了原始数据；通过建立切削条件和切削力的数学模型，建立了切削条件与刀具和刀柄强度之间的关系，为加工条件的优化和刀柄结构的优化的设计奠定了基础；应用振动学及金属切削理论和CAD/CAM/CAE技术，优化刀具的选择和切削参数的配匹。通过理论计算并依据刀具在切削过程中切触点的位置和受力方向进行了有限元分析，定制了特殊材质的锥度刀柄。

从有限元分析可以看出刀柄根部受到的应力最大，但始终是在加工过程中受到的最大应力范围之内,说明自主设计的刀柄符合加工要求。

3） 数控加工程序编制

基于我公司对混流式转轮整体数控加工的经验，切削方式应大量采用小吃刀深度大进给的高速切削，并根据刀具实际情况优化刀路，避免加工中产生的振动，最终决定采用切削连续性最好的三坐标联动的螺旋线插补走刀方式，切削中余量一致，走刀平稳（见附图2）。图2中的A为叶片。

混流式转轮叶片形状复杂，加工存在很大的干涉，对此，我们利用CAM软件对刀具路径进行全方位干涉检查，反复调整刀路，直至消除干涉为止。

4） 数控加工工艺方式及加工程序的计算机仿真

①机床及工装数字模型的建立：

为了真实准确的模拟实际加工情况，根据我公司现有五轴联动机床及其工艺的实际外形图纸及尺寸，建立机床的数字模型，并赋予各坐标轴运动关系及机床参数，是该虚拟机床最大程度接近真实。

② 数控程序校验及优化

利用计算机切削仿真技术，模拟标定工艺及程序加工该转轮的整个工艺过程，并对加工程序进行了优化后，工艺准备完毕，可以随时进行加工。

（2）转轮叶片型线部分粗加工

根据上一步计算得出最优化的加工方案后，转轮叶片部分需加工采用大扭矩的数控镗铣加工中心定刀轴，机床主轴12000Nm的扭矩能有效保证加工精度，并获得高的加工效率，机床整个加工过程采用CNC（计算机数字控制）加工工艺控制，有效降低加工误差，提高加工精度。

（3）渗透探伤检查

通过探伤检查，进一步避免铸造缺陷。

（4）转轮叶片型线部分精加工

精加工采用高速数控镗铣加工中心，采用多轴联动的走刀方式，将叶片正压侧及负压侧型线一次性连续加工出，通过计算机辅助制造（CAM）及计算机制造仿真系统保证良好的表面反光度及曲面连续性。

（5）转轮接口精加工：

此工序采用CNC（计算机数字控制）立式车床及世界一线品牌的数控加工刀具系统，保证良好的尺寸精度及表面粗糙度。

Claims (1)

1.一种整体锻造整体数控加工方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

（1）转轮数控加工技术准备

1） 将CAD在制造过程中应用：

通过计算机软件建立转轮精确的数字模型，并且通过过流部分的曲面分析工具使过流曲面获得高的反光度，改善过流性能；

2） 加工刀具设计：

设计刀具长度和直径比小于4，通过不锈钢插铣实验，对比了不同加工条件下刀柄震动和插铣加工表面质量，为减小刀具挠曲变形和防止发生振颤提供了原始数据；通过建立切削条件和切削力的数学模型，建立了切削条件与刀具和刀柄强度之间的关系；应用振动学及金属切削理论和CAD/CAM/CAE技术，优化刀具的选择和切削参数的配匹；通过理论计算并依据刀具在切削过程中切触点的位置和受力方向进行了有限元分析，定制了特殊锥度刀柄；

3） 数控加工程序编制

切削方式大量采用小吃刀深度大进给的高速切削，并根据刀具实际情况优化刀路，避免加工中产生的振动，最终决定采用切削连续性最好的三坐标联动的螺旋线插补走刀方式，切削中余量一致，走刀平稳；

我们利用CAM软件对刀具路径进行全方位干涉检查，反复调整刀路，直至消除干涉为止；

4） 数控加工工艺方式及加工程序：

①机床及工装数字模型的建立：

根据现有五轴联动机床及其工艺的实际外形图纸及尺寸，建立机床的数字模型，并赋予各坐标轴运动关系及机床参数；

② 数控程序校验及优化

利用计算机切削仿真技术，模拟标定工艺及程序加工该转轮的整个工艺过程，并对加工程序进行了优化后，工艺准备完毕，可以随时进行加工；

（2）转轮叶片型线部分粗加工

根据上一步计算得出最优化的加工方案后，转轮叶片部分需加工采用大扭矩的数控镗铣加工中心定刀轴，机床主轴12000Nm的扭矩能有效保证加工精度，并获得高的加工效率，机床整个加工过程采用CNC计算机数字控制加工工艺控制，有效降低加工误差，提高加工精度；

（3）渗透探伤检查

通过探伤检查，进一步避免铸造缺陷；

（4）转轮叶片型线部分精加工

精加工采用高速数控镗铣加工中心，采用多轴联动的走刀方式，将叶片正压侧及负压侧型线一次性连续加工出，通过计算机辅助制造及计算机制造仿真系统保证良好的表面反光度及曲面连续性；

（5）转轮接口精加工：

此工序采用计算机数字控制立式车床及世界一线品牌的数控加工刀具系统，保证良好的尺寸精度及表面粗糙度。