泵站葉片數控機床分析論文

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1水泵特點及葉片加工要求

太浦河泵站的設計凈揚程為1.39m，單泵流量50m3/s，裝有6臺斜150軸伸泵，葉輪直徑4.1m，是國內最大的斜軸伸式水泵。由于該水泵的揚程特低、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、汽蝕性能、水壓脈動和泵組的運行振動。通過國際招標，水泵由無錫水泵廠制造。該廠采用數控機床對葉片進行加工，以保證原型水泵與模型水泵有很好的水力相似，葉片各方面的技術指標可以達到或超過招標文件規定的各項技術要求。

2水泵葉片技術要求

2.1葉片材料

水泵葉片材料采用ZG0Cr13Ni4Mo。其化學成分見表1，物理指標見表2。

表1ZG0Cr13Ni4Mo材料化學成分

化學成分

C

Si

Mn

S

Cr

Ni

Mo

含量（%）

≤0.06

≤1.00

≤1.00

≤0.030

5～14.0

3.50～4.50

0.40～1.00

表2ZG0Cr13Ni4Mo材料物理指標

物理指標

σb

σs

δ

ψ

HB

數值

760Mpa

550MPa

15%

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，在水輪機和水泵制造中較常使用。

2.2葉片加工技術要求

太浦河水泵的設備招標文件編制時，兼顧了葉片常規加工和數控機床加工的兩種要求。招標文件規定：葉片型線允許偏差不超過±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低于2/100，在進水口等容易產生汽蝕的部位葉片波浪度應小于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6.3μm。

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加工方式，另一種是數控機床加工方式。

3.1常規加工方式

常規加工方式工藝較簡單，費用低，軸流式水泵葉片基本采用常規加工。其主要工藝過程如下：

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，三坐標工具檢測坐標、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：葉片稱重分組和轉子體裝配

j：加工葉片外球形

k：校靜平衡

常規加工的葉片表面有兩種處理方式。對小型水泵，葉片鑄造時表面不留加工余量，葉片精度主要由木模和鑄造精度來保證，變形量比較大，葉片表面極個別處（約1～2處）最大變形可達到5～6-12mm（根據葉片大小和葉型厚度）。對大型或重要的水泵，葉片鑄造時表面留3～4mm加工余量，在探傷檢查后，葉片表面多次采用坐標檢測和打點，對其用砂輪進行手工表面打磨，重新劃葉片零度線，以達到設計要求。葉片表面的精度主要由操作工及測量手段保證，一般能達到1.5mm，有一定的誤差。該方法采用坐標投影測量（游標精度0.02mm、實測經濟精度≤0.5mm）。

3.2數控機床加工

葉片采用數控機床加工是一種最先進的加工方式，雖然它的加工費用較高，但對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。數控機床加工主要工藝過程如下：

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，坐標投影檢測坐標、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：葉片坐標檢測、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：葉片坐標檢測、記錄

k：葉片表面數控加工

l：葉片稱重分組和轉子體裝配

m：加工葉片外球形

n：校靜平衡

與常規葉片加工方式相比，數控機床加工方式增加了葉片表面坐標檢測和數控加工的工藝流程。

數控機床有三軸、四軸、五軸幾種形式。三軸數控機床僅有X、Y、Z三個坐標，銑刀位置不調整，宜加工一般要求的工件。四軸和五軸數控機床除有X、Y、Z三個坐標外，還有刀頭旋轉的坐標，可以調整加工誤差，工件加工精度很高。數控機床在加工方法上又有2.5軸、三軸聯動、四軸聯動、五軸聯動的不同加工。運轉速度上又可分為傳統的低速銑床和現代的高速銑床。數控機床配置有CAD/CAM/CAE軟件，可以按設計的曲面型線，仿型加工。數控加工采用不同的加工方式和加工工藝，其達到的精度、效果也不相同。

3.3兩種加工方式比較

雖然傳統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，傳統的低速銑床在切削力的作用下，產生振動和彈性退讓，降低了加工精度。一般傳統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行大量的表面打磨。數控機床將葉片型線輸入控制箱內，可以隨意控制和調整銑刀的加工，用直線、圓弧命令逼近零件，控制刀位軌跡使葉片表面的實際曲線與設計的曲線完全一致，精加工后的葉片表面不用打磨，便達到設計要求。

數控機床加工的葉片型線和精度，根據編制的設計程序控制加工，可以不再對葉片表面進行檢測。數控機床的精度由有關部門按規定期限定期進行檢驗，所以它的可靠性和精度遠高于常規葉片加工后的檢測方式。

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，每個葉輪有三個葉片，每個葉片重～1.95t，共18個葉片。為保證水泵葉片的加工質量，無錫水泵廠選擇了富春江水工機械廠的五軸聯動數控機床，它的加工效果非常好。

數控機床加工的太浦河水泵葉片，葉片加工精度實測數值：

葉片正面波浪度0.4～0.8/100，集中區域0.5～0.8/100，并均勻分布。

葉片背面波浪度0.4～1.2/100，其中≤1/100的區域占總面積的87.7%。

葉片表面粗糙度1.6～5.3μm，集中分布區域2.6～3.8μm。

實測2502個點坐標，其坐標誤差-3～+4mm，絕對值≤3mm的占90.67%。

按要求每個葉片重量誤差≤39kg。實測18個葉片，重量誤差0～35kg，其中≤25kg的占88.89%，≤10kg的占50%。

坐標誤差即為葉片允許誤差，葉輪直徑4.1m，允許誤差為±6.15mm。

5數控機床加工的經濟性

數控機床的價格比較貴，所以加工的費用比常規加工的要高。加工費用由機床折舊費、日常維護費、操作人員和管理人員費、加工中的正常損耗如刀具、電、氣、冷卻液等費用構成。最簡單的計算方法是單位工時價格×工時數。工時包括軟件計算工時和裝夾、換刀等工時。確定數控加工的方法非常豐富，從2.5軸至5軸聯動，速度從低速至高速、工藝變化很多，刀位軌跡變化多，為有良好的經濟性，應根據不同加工件的產品質量要求，選定最優數控加工程序和經濟的加工方法。

比如，加工余量的確定是為了保證葉片能加工出來，應根據葉片大小、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5～13mm余量；葉片根部、進出口邊圓角等處可考慮以磨代銑降低費用。為了經濟、高效又高精度的加工葉片，加工精度可通過人機交互設定。粗加工時三軸聯動重切削加工去除大量表面余量，精加工時采用五軸聯動高速加工，消除加工死角及薄壁處的振動和彈性退讓，表面加工后不用打磨。在運行軟件上可以首先用CAD三維設計、造型葉片，修改葉片表面缺陷，對表面光滑處理。然后用CAM靈活設計加工方法、確定加工參數、刀具等，進行刀軌的校核、編輯、優化、模擬仿真以獲得最佳加工刀位軌跡，通過后處理程序生成加工程序。

太浦河水泵的葉輪直徑4.1m，每個葉片重1.95t，由于委托外廠數控機床加工，每個葉片費用近8萬元。0Cr13Ni4Mo的材料比較硬，如葉片鑄造余量留得比較大，將增加數控機床的加工量和加工工時數。控制葉片的鑄造質量，可以控制加工費用。

6結束語

太浦河水泵葉片采用數控機床加工，葉片表面取得了很高的加工精度，保證了產品質量。隨著我國經濟實力的增加和機械加工的進步，水輪機制造廠已普遍使用數控機床，使水輪機葉片的加工水平大大提高，這也是水泵行業發展方向。

工程建設單位和設計單位，應該根據工程的重要性和特殊性，對水泵葉片的加工提出明確要求。對重點工程和特殊要求的水泵，采用數控機床加工水泵葉片。