前言
抽水蓄能项目技术含量高，模型试验是核心技术的体现，而模型的核心部件就是泵轮。通过加工多台模型泵轮，探索出了加工模型泵轮的编程加工工艺新思路，保证产品质量的同时，提高了加工的效率，积累了经验。
1泵轮的结构特点
泵轮是由上冠、叶片、下环三部分组成。其中叶片的弯曲度较大，曲率变化相应也增大。叶片含有上冠的一部分，在上冠相应的位置开槽。叶片嵌入上冠完成叶片与上冠的装配和定位。叶片下环部位三维空间钻孔和下环装配，完成泵轮的整体装配。
2 泵轮的加工
2.1 泵轮各部分的加工精度
叶片加工精度控制在0.003mm，上冠部分和上冠托盘的配合精度为0．01mm，是紧配合。叶片上冠部分的孔和上冠托盘孔配合，叶片下环部分孔和下环配合。本身模型精度高，配合部位又多，甚至于数据转换的默认精度都要影响总体的装配。各配合部分的加工精度十分关键。
2.2 铸造模型的加工
2.2.1 早期的铸造叶片模型加工工艺
铸造模型的编程，传统上只是给出6mm余量的流线方向走刀程序，完全由操作者自己控制加工的余量。刀路程序只有一个精加工，进退刀较多，非切削时间长，操作者手工操作时间多，边缘的控制不精确，要求操作者有丰富经验。
2.2.2 铸造模型叶片加工的新工艺
叶片毛坯是一块方料，完全由操作者依据加工的经验用一个程序来相互借用余量加工，效率必然不高。在加工的时间和余量上没有办法准确控制，而是依靠操作者的经验控制。解决这个问题要从编程方法上改进，从只给出一个程序的编程方式改变为开荒、开粗、一次开粗、二次开粗、半精、精加工的多段程序，减少操作者的手工操作时间。铸造模型的加工特点是尽快将毛坯方料加工成余量6mm的叶片铸造模型，精度要求不是很高。依据这个特点，在编程时，首先将毛坯的实体数学模型在计算机中虚拟构造出来，为加工编程的开粗和二次开粗提供Blank部件。数控编程时，考虑到刀具的行程限制，可以设定虚拟零点保证一次装夹加工完成。生成的刀路则可以依据Blank来减少进退刀路和不必要的空行程。开粗采用层切方式，快速去除余量，不必计较进退刀路，因为毛坯本身是方料，与叶片的形状差别较大，而且，开粗的目的是快速去量，进给速度很快，在加工的精度要求不高时，只要达到目的就可以。二次开粗采用区域加工编程的方式，在开粗的基础上加工，尽量减少进退刀路，提高加工效率。对于铸造模型，二次开粗的加工精度就可以满足技术要求。
2.2.3 铸造叶片模型加工新工艺方法的分析
采用新的加工方法，机床开粗的加工时间是05h30m 60s Cutting l 00h 07m 23s Non Cutting|05h 37m29s Total，二次开粗的力D-r_时间是00h 25m 31s Cutting／00h 00m 01s Non Cutting／00h 25m 32s Total。进给量以1000mmpm为参考(实际加工中进给量至少是2000mmpm)。数控机床上的加工时间是5h25min，中间不必操作者进行手工操作调整，刀路控制的每一层刀路加工余量均匀，不会出现加工余量突变而发生碰撞的情况。机床一直稳定进给，很好地保护了机床和刀具。二次开粗的程序容量比开粗的容量大出近10倍，但是，中间的非切削时间几乎没有，而且，加工余量很少，加工实际时间只用了25min，开粗时间是5h30min，加工效率很高。比早期手工调整加工提高效率2倍以上，时间统计准确，提高生产安排的计划性。
2.3 叶片的精加工
2.3.1 早期流线方向加工
流线驱动方法根据选中的几何体来构建隐式驱动曲面。流线使用户可以灵活地创建刀轨。规则面栅格无需进行整齐排列。
叶片精加工的编程，传统上也是给出最终的刀路，是沿叶片流道方向进给。
这种刀路进退刀路很多，非切削时间较长。进出水边宽度相差较大，造成进水边刀路很密，出水边刀路却很稀少，每一个刀路的加工量不均匀，降低了加工表面质量，切削力也有变化，会造成加工叶片的变形。
2.3.2 新数控加工工艺的优化
这里采用了固定轴轮廓铣方式，封闭轮廓的刀路，保证刀路的均匀，避免出现叶片进水边刀路过密而出水边刀路又过稀疏的问题。这种刀路进退刀路很少，非切削时间很少。水平方向刀路，进出边的刀路都均匀，切削余量均匀，加工表面质量好，叶片受力均匀，不易产生变形
固定轴轮廓铣操作通常用于由成型几何体形成的精加工区域。固定轴轮廓铣的刀具路径可以通过刀具轴的控制、投影矢量和驱动模式等在复杂轮廓表面上生产。
优化前：05h 07m 16s Cutting／00h 04m 36s NonCutting／05h llm 52s Total
优化后：01h 59m 35s Cutting／00h 01m 04s NonCutting／02h 00m 39s Total。
优化后的刀路提高效率62.123％，效果明显。
2.3.3 优化刀路的实际效果
在实际加工中，由于操作者还不适应这种方式，加工的效率并没有达到理想的数字，只是提高了30~40％左右，没有理论计算上的高。经过多台的加工，逐步地提高效率，可以提高加工效率60％左右，效果已经很可观了。在实际加工过程中，刀具在上冠和叶片本体过渡处、叶片本体和夹持部分的过渡处有切削量突然增大的现象，这是因为机床在高速运动过程中转向时有滞后，会刮到侧面而造成切削量过大的现象。为了克服这个问题，改变了半精、精加工的刀路，是从外向内的加工刀路，这种改变直接克服了切削量突然增大的问题，刀路是随型方式，进一步提高了刀路的均匀型，加工精度得到进一步的提高。
上冠毛坯进行高速粗加工去量，进退刀较多，我们通过优化切削速度，减少进退刀路的跨越高度来提高效率。新刀路减少了进退刀路的距离，同时增加预进入／预退出的速度控制，保证刀路的安全，提高刀路的效率。
优化前：03h 36m 17s Cutting／02h 17m 25s NonCutting|05h 53m 42s Total
优化后：03h 36m 26s Cutting／00h 01m lgs NonCutting|03h 37m 44s Total
可以提高效率37.93％，效果明显。同时也增加了刀具发生碰撞的概率，这就要求铸造的质量要好，不能有突起物、硬质点、沙眼等问题。
2.4 模拟仿真
叶片精加工仿真、理论模型、实际加工叶片的比较。叶片精加工仿真刀路的计算机仿真结果标识，从图中可以看出，合格部位是中间浅色区域，公差在0.01的范围内，与编程加工所设定的公差范围一致。
3 结论
理论模型是片体而不是实体，在数学描述上，片体是没有厚度的曲面，其法向具有两面性，边界条件也不确定。数控编程时，求分模线困难，边界条件不好控制，经常出现过切的现象，通过显示曲面的各点的法向矢量或对曲面进行斑马线检测，就会发现并不光顺。实体模型则是具有面积和体积的物体，其边界条件是确定的，分模线位置也很确定。这次编程采用的是区域切削方法，将所有曲面进行拓扑操作，保证了曲面法向的一致性，按照实体模式来编程加工，区域切削会自动判断出分模线的位置，并控制好边界条件是相切的约束，不会出现过切现象。选择的Part部件控制拓扑关系，利用Face部件的加工余量可以设置不同值，来实现自动过渡各个part之间的区域。零件余量是加工后零件上剩余材料的厚度，底面余量是零件底面剩余材料的厚度，坯料余量定义了被加工零件表面留有坯料的距离尺寸值，该参数值即为生成的加工轨迹距坯料表面的距离。
流线加工的每一刀加工余量都不均匀，工件表面质量差，受力情况也在变化，工件同意变形。分模线处进退刀路较多，容易发生过切现象。采用固定轴轮廓区域加工的刀路很均匀，保证加工余量是均匀的，工件的受力也相对均匀，保护了机床和刀具。从加工完成的工件看，刀纹均匀，表面质量好。各部件的过渡处要单独加工进行清根，可以减少刀路到部件过渡处出现切削碰壁的现象，还可以精确加工过渡部分，形成很精细光滑的过渡。
对抽水蓄能机组模型的核心部件泵轮的，采用固定轴轮廓加工，封闭轮廓控制切削范围，具有明显优越性，在保证精度的情况下，大幅提高了加工效率。
(审核编辑: 智汇张瑜)
