1 引言
活動導葉是水輪機導水機構中的核心部件，是控制水流量的關鍵，相當于開關的作用，控制水流量的大小。活動導葉形狀相對復雜，要求加工的精度高。而特型導葉是活動導葉的一種，相對形狀更加復雜，尤其是軸頭和法蘭的過渡部分，采用的是大變半徑值過渡，要求約束相切，保證各部分光滑過渡，盡量減小對水流的影響，同時保證軸頭部分的強度。
由于特型導葉的結構復雜，過渡部分較大，形狀要求嚴格，手工鏟磨無法達到設計的要求。采用數控機床加工可以有效地保證特型導葉的型線要求，對水輪機導水結構的質量有利。
2 特型導葉理論模型的構造
2.1 特型導葉的截面線
特型導葉的截面線主要是樣條曲線。工程應用上采用的是三次樣條曲線，保證樣條曲線的連續性和二次可導型。
如圖1，導葉截面線的曲率變化是型面質量的一種表示，對于導水的部件而言，要求截面線的曲率梳方向一致，并且所有刺均向外，這種要求可以有效保障導葉的型面沒有凹陷處，防止導葉工作中出現氣蝕等表面缺陷?
有尖銳的邊接縫，但是，連接處曲率有突變，在視覺上還有明顯的差異。(3)G2曲率連續，在G0、G1的基礎上，相接觸的曲率也相同，曲率梳在接觸處的刺長度和方向都一致，沒有尖銳的接縫和曲率突變，視覺光滑流暢。G3曲率變化率連續，具有G0、G1、G2的特征，在連接處曲率的變化是連續的，同時，曲率變化可以用一次方程表示為一條直線。事實上，切線連續能夠滿足大部分基礎工業(航空和航天、制造業、造船業)。
2.2 導葉瓣體
如圖2，通過拉伸的方式完成，形成直紋面的實體導葉瓣體。根據設計提供的過渡截面的結構，構造出過渡的曲面，過渡面與導葉瓣體的相接觸部分要求與導葉瓣體是相切的約束，將過渡面與導葉的瓣體進行布爾運算，完成聯合的計算，最終形成特型導葉的三維實體模型。
2.3 特型導葉理論型面分析
如圖3，為了驗證導葉型面的構造質量，檢查型面的連續性，可以通過斑馬線(也叫做高光測試)分析，斑馬線實際上是模擬一組平行的光源照射到所要檢測的表面上所觀察到的反光效果。從斑馬線分析圖中可以看出，所有的斑馬線平滑，在拐角處有尖角，達到G1的標準，在數學上的解釋是曲面處處連續，并且二階導數連續。
3 特型導葉的數控加工
特殊導葉質量要求較高，采用整體鍛造材料加工完成，保證材質的質量。首先利用車床完成導葉軸的加工，以加工好的導葉軸作為基準來加工導葉的型面。利用圓筒夾具固定導葉，使用帶轉臺的數控機床一次性裝夾完成導葉型面的全序數控加工，如圖4。
3.1 特殊導葉的開粗加工
由于是整鍛的材料，已經將軸端車削完成，頂部是整塊的方料，必須進行快速的開粗加工，去除多余的材料，提高加工的效率。這里采用等高型腔銑削的方式進行高速切削。工件本身的結構是下部加工的空間比上部大，底部有夾具固定，切削的刀路的干涉區域相對較大，會出現四周刀路的不可預測性，為了保證刀路的安全，采用封閉輪廓的控制方式，限定刀路在指定的區間內。
高速切削就要保證刀路的平穩和連續，所以，設定刀具進入方式是隨型斜向切人工件的模式，避免出現直接切人工件的撞擊和刀路的突變。控制每層的切深是0.5mm，完成小的切削量，大的進給量高速切削要求(如圖5)。
高速切削是1990年代迅速走向實際應用的先進加工技術，通常指高主軸轉速和高進給速度下的銑削。銑削速度和進給速度的提高，可提高材料的去除率，對復雜的型面加工可以直接達到零件表面質量的要求，進而大大提高加工的生產率。高速銑削的切削力小，有較高的穩定性，可以高質量地加工出薄壁的零件。特型導葉的過渡曲面的底部，理論厚度是0mm，非常不利于加工，因此在造型時就要構造出工藝厚度0.5mm，通過高速切削技術完成薄壁的加工，如圖6。
3.2 特殊導葉的半精加工
如圖7，半精加工的目的是去除工件的開粗切削對導葉型面帶來的尺寸影響，由于開粗加工的主要目的是去除多余材料，必然出現一些剩余的階梯狀材料，而半精加工就是將這些階梯狀多余材料去掉，同時保證精加工的余量均勻。半精加工開始就要避免出現跳刀的現象，跳刀會在導葉型面上形成痕跡，刀路不連續，對加工的質量會產生較大的影響。
3.3 特殊導葉的精加工
如圖8，精加工時，剩余材料已經均勻，沒有突變的區域，依據高速切削理論，可以實現高速切削，精加工的刀路非常密，可以大幅度提高產品的表面質量。
4 理論與實際的比較
如圖9，特型導葉的形狀比較復雜，理論造型方面要解決截面線的曲率問題和過渡曲面約束相切的問題，并且，對理論模型的質量要進行分析，找出缺陷進行修改，保證表面質量的連續和光滑，避免出現尖角。
特型導葉的數控加工技術依據高速切削的理論，實現了高主軸轉速和高進給速度下的銑削，提高了加工效率和精度，同時避免了薄壁處的變形。經過多次工廠的實踐，終于完成了特型導葉的數控加工技術從理論到實踐的飛躍。
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本文標題：基于特型導葉造型的數控技術
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