加工軸流式水輪機葉片用數(shù)控刀具的國產(chǎn)化研制

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3177


水輪機轉(zhuǎn)輪葉片是一種形狀復雜的雕塑曲面體零件，制造難度很大，國內(nèi)過去通常采用“砂型鑄造→手工鏟磨→立體樣板檢查”的傳統(tǒng)制造工藝，加工效率低，勞動強度大，且葉片型面精度難以保證。目前國外已應用計算機仿真加工技術(shù)實現(xiàn)了水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的五軸聯(lián)動數(shù)控加工，從而大大提高了加工效率和葉片型面加工精度。

我公司承擔制造的3臺高壩洲水輪發(fā)電機組是高水頭軸流式機組，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為5.8m，轉(zhuǎn)輪葉片從進水邊到出水邊扭曲度大，葉片背面轉(zhuǎn)緣帶有外裙邊，葉片轉(zhuǎn)轂側(cè)帶有較大內(nèi)裙邊，從法蘭球面區(qū)至進、出水邊的曲面R 沿空間曲面逐漸變化過渡到零。應用戶要求，機組全套葉片(3臺×5片)采用5FZG龍門移動式五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工。數(shù)控刀具的研制和應用成為加工能否成功的關(guān)鍵因素之一。

1 刀具的選用


選用加工葉片數(shù)控刀具時需考慮以下因素：

  1. 刀具幾何形狀應能適應凸曲面和凹曲面的加工，應具有良好的切削性能及斷屑、排屑性能。
  2. 選用刀具時除應根據(jù)機床功率、銑頭轉(zhuǎn)速、葉片材質(zhì)等對刀具、刀片的有關(guān)參數(shù)進行計算外，還需要對刀片、刀桿、銑頭等進行仿真加工驗證和干涉檢查驗算。
  3. 可選用不同直徑的刀具進行仿真加工驗算，在機床功率、剛性、銑頭轉(zhuǎn)速足夠的條件下，盡量選用大直徑刀具，以提高加工效率。

經(jīng)過設(shè)計計算及仿真加工驗證，選定以下4種刀具加工高壩洲機組葉片：①60°D200面銑刀盤，用于粗銑葉片表面；②D100玉米銑刀，用于加工葉片進、出水邊及外緣；③D100球頭銑刀，用于加工葉片表面與法蘭球面間過渡曲面；④D125R面銑刀，用于精銑葉片表面。

2 刀具的國產(chǎn)化研制


為保證加工質(zhì)量，加工第一臺機組葉片時全部采用了進口數(shù)控刀具(Kennametal、Sandvik產(chǎn)品)。由于葉片材料為含Ni、Cr 不銹鋼，材料強韌性好，加工溫度高，刀具消耗量較大。雖然進口刀具加工輕快，切削效率高，但價格昂貴(每把5000～32000元)，供貨周期長，對降低加工成本、保證生產(chǎn)進度不利。為此，我們對部分刀具進行了國產(chǎn)化研制。

  1. 與綿江工具廠合作研制了60°面銑刀盤。Kennametal公司進口刀盤為右刀盤(正刀盤)，未生產(chǎn)左刀盤(反刀盤)，只能利用刀片4次。而國產(chǎn)化的正、反兩種銑刀盤可將刀片使用次數(shù)增加到8 次。另外，原裝進口刀具采用杠桿式壓緊結(jié)構(gòu)，設(shè)計、制造較復雜，我們改用了螺釘壓緊式結(jié)構(gòu)，通過試加工證明是成功的。
  2. 與綿江工具廠合作研制了D100螺旋玉米銑刀。因螺旋玉米銑刀加工量大且不均勻，因此我們選用了立裝結(jié)構(gòu)且?guī)Х中疾鄣牡镀�，提高了刀具強度和排屑流暢性�?
  3. 大規(guī)格非標刀具，由于為長切削刃結(jié)構(gòu)，國產(chǎn)化開發(fā)難度較大，因此仍采用進口刀具。
  4. R125面銑刀為精銑刀，加工量小，不易損壞，所以無需國產(chǎn)化。

3 刀片的國產(chǎn)化研制


加工葉片使用的進口刀片雖然性能優(yōu)良，但消耗量大，價格昂貴，有必要進行國產(chǎn)化開發(fā)。進口刀片全部為加工不銹鋼材料的涂層刀片，且刀片幾何形狀復雜。如60°面銑刀片采用曲面15°大前角(見圖1)；玉米銑刀片一面帶3 個分屑槽，另一面帶2 個分屑槽(見圖2)；R 面銑刀片的前刀面帶有復雜紋路(見圖3)。因此刀片模具的開發(fā)難度很大。國產(chǎn)化刀片必須滿足以下要求：①材質(zhì)好，適合葉片加工；②形狀精度和尺寸精度高，可滿足加工要求。







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圖1

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圖2

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圖3


經(jīng)過對加工能力的認真考察，我們選擇株洲硬質(zhì)合金廠進行刀片的國產(chǎn)化開發(fā)。開發(fā)的具體刀片牌號為：CN351 60°面銑刀片；CN351玉米銑刀片；CN351球頭銑刀片；YB235R面銑刀片。國產(chǎn)化刀具及刀片經(jīng)生產(chǎn)使用，效果良好，證明國產(chǎn)化研制是成功的。

4 刀具的修復


在生產(chǎn)過程中，球頭銑刀損壞嚴重，消耗量很大。這種刀具進口單價近2萬元人民幣，為降低加工成本，有必要對損壞的球頭銑刀進行修復。
首先對刀具缺損部分進行補焊，然后用砂輪機磨出刀具外形輪廓，用旋風銼修銼刀座部位。為糾正焊接變形，還需用M3.5絲錐將刀片壓緊螺釘孔重新攻絲。雖然修復后的刀具精度不如原裝刀具，但完全可以滿足加工要求。我們先后修復刀具14把，共節(jié)約資金27.7 萬元。

5 效益分析


水輪機葉片數(shù)控加工刀具的國產(chǎn)化開發(fā)大幅度降低了加工中的刀具成本。國產(chǎn)60°面銑刀盤單價為1580元(進口銑刀盤為12500元)；國產(chǎn)D100螺旋玉米銑刀單價為3000元(進口銑刀為31980元)；60°面銑刀片單價為75元(進口刀片為174.75元)；國產(chǎn)玉米銑刀片單價為45元(進口刀片為83.97元)；國產(chǎn)球頭銑刀片單價為25元(進口刀片為62.24元)；國產(chǎn)R面銑刀片單價為32元(進口刀片為80元)。國產(chǎn)刀片的加工效率可達到進口刀片的70%～80%，而價格不到進口刀片的1/2。在對三臺高壩洲水輪機組葉片的加工中，第一臺機組葉片全部采用進口刀片加工，刀片費用8.9萬元；第二臺機組葉片大部分采用國產(chǎn)刀片加工，刀片費用降為3.7萬元；第三臺機組葉片全部采用國產(chǎn)刀片加工，刀片費用僅為3.2萬元。

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