太浦河泵站叶片数控机床加工

摘要：太浦河水泵是国内最大的斜轴伸式水泵，叶轮直径4.1m，叶片加工技术要求很高，采用数控机床加工方式，叶片表面型线和精度均超过招标文件的要求。

关键词：叶片 数控机床加工 型线 表面精度

1 水泵特点及叶片加工要求

太浦河泵站的设计净扬程为1.39m，单泵流量50m3/s，装有6台斜150轴伸泵，叶轮直径4.1m，是国内最大的斜轴伸式水泵。由于该水泵的扬程特低、流量很大，要求水泵装置具有很高的水力效率和良好的汽蚀性能。叶片是水泵的最重要部件，它直接影响和决定水泵的能量指标、汽蚀性能、水压脉动和泵组的运行振动。通过国际招标，水泵由无锡水泵厂制造。该厂采用数控机床对叶片进行加工，以保证原型水泵与模型水泵有很好的水力相似，叶片各方面的技术指标可以达到或超过招标文件规定的各项技术要求。

2 水泵叶片技术要求

2.1叶片材料

水泵叶片材料采用ZG0Cr13Ni4Mo。其化学成分见表1，物理指标见表2。

表1 ZG0Cr13Ni4Mo材料化学成分

化学成分 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

化学成分

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2 ZG0Cr13Ni4Mo材料物理指标

物理指标 σb σs δ ψ HB 数值 760Mpa 550MPa 15% 35% ≥240

物理指标

σb

σs

δ

ψ

HB

数值

760Mpa

550MPa

15%

35%

≥240

该材料的特性是抗汽蚀性能好，可焊性好，硬度较高，耐磨损，在水轮机和水泵制造中较常使用。

2.2 叶片加工技术要求

太浦河水泵的设备招标文件编制时，兼顾了叶片常规加工和数控机床加工的两种要求。招标文件规定：叶片型线允许偏差不超过±0.15%D（D为叶轮直径m），叶片厚度的允许偏差为-3%T～+6%T（T为叶片厚度）。叶片正背面的波浪度应低于2/100，在进水口等容易产生汽蚀的部位叶片波浪度应小于1/100。叶轮叶片安放角最大偏差不大于±15/。叶片表面粗糙度不得大于6.3μm。

3 叶片加工方式

轴流式水泵的叶片加工一般采用两种方式：一种是叶片表面手工打磨的常规加工方式，另一种是数控机床加工方式。

3.1 常规加工方式

常规加工方式工艺较简单，费用低，轴流式水泵叶片基本采用常规加工。其主要工艺过程如下：

a：叶片固溶处理（不锈钢）

b：叶片表面随形磨、打磨

c：按叶片坐标，三坐标工具检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线

d：钻两端中心孔

e：粗加工叶片柄部

f：探伤检查

g：精加工叶片柄部

h：钻定位孔或铣键槽

I：叶片称重分组和转子体装配

j：加工叶片外球形

k：校静平衡

常规加工的叶片表面有两种处理方式。对小型水泵，叶片铸造时表面不留加工余量，叶片精度主要由木模和铸造精度来保证，变形量比较大，叶片表面极个别处（约1～2处）最大变形可达到5～6-12mm（根据叶片大小和叶型厚度）。对大型或重要的水泵，叶片铸造时表面留3～4mm加工余量，在探伤检查后，叶片表面多次采用坐标检测和打点，对其用砂轮进行手工表面打磨，重新划叶片零度线，以达到设计要求。叶片表面的精度主要由操作工及测量手段保证，一般能达到1.5mm，有一定的误差。该方法采用坐标投影测量（游标精度0.02mm、实测经济精度≤0.5mm）。

3.2 数控机床加工

叶片采用数控机床加工是一种最先进的加工方式，虽然它的加工费用较高，但对于大型水泵河特殊要求的水泵，可以保证原型叶片的型线、表面粗糙度和精度、各叶片重量具有很高的一致性。数控机床加工主要工艺过程如下：

a：叶片固溶处理（不锈钢）

b：叶片表面随形磨、打磨

c：按叶片坐标，坐标投影检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线

d：钻两端中心孔

e：粗加工叶片柄部

f：叶片坐标检测、记录、重新划叶片零度线

g：探伤检查

h：精加工叶片柄部

I：钻定位孔或铣键槽

j：叶片坐标检测、记录

k：叶片表面数控加工

l：叶片称重分组和转子体装配

m：加工叶片外球形

n：校静平衡

与常规叶片加工方式相比，数控机床加工方式增加了叶片表面坐标检测和数控加工的工艺流程。

数控机床有三轴、四轴、五轴几种形式。三轴数控机床仅有X、Y、Z三个坐标，铣刀位置不调整，宜加工一般要求的工件。四轴和五轴数控机床除有X、Y、Z三个坐标外，还有刀头旋转的坐标，可以调整加工误差，工件加工精度很高。数控机床在加工方法上又有2.5轴、三轴联动、四轴联动、五轴联动的不同加工。运转速度上又可分为传统的低速铣床和现代的高速铣床。数控机床配置有CAD/CAM/CAE软件，可以按设计的曲面型线，仿型加工。数控加工采用不同的加工方式和加工工艺，其达到的精度、效果也不相同。

3.3 两种加工方式比较

虽然传统的低速铣床也可加工叶片的曲面，但难以控制叶片的型线，尤其在叶片比较薄的地方，传统的低速铣床在切削力的作用下，产生振动和弹性退让，降低了加工精度。一般传统三轴铣床加工表面粗糙较差和存在着加工死角，通常在工艺上还要进行大量的表面打磨。数控机床将叶片型线输入控制箱内，可以随意控制和调整铣刀的加工，用直线、圆弧命令逼近零件，控制刀位轨迹使叶片表面的实际曲线与设计的曲线完全一致，精加工后的叶片表面不用打磨，便达到设计要求。

数控机床加工的叶片型线和精度，根据编制的设计程序控制加工，可以不再对叶片表面进行检测。数控机床的精度由有关部门按规定期限定期进行检验，所以它的可靠性和精度远高于常规叶片加工后的检测方式。

4 太浦河水泵叶片加工

太浦河泵站斜150轴伸泵叶轮直径4.1米，每个叶轮有三个叶片，每个叶片重～1.95t，共18个叶片。为保证水泵叶片的加工质量，无锡水泵厂选择了富春江水工机械厂的五轴联动数控机床，它的加工效果非常好。

数控机床加工的太浦河水泵叶片，叶片加工精度实测数值：

叶片正面波浪度0.4～0.8/100，集中区域0.5～0.8/100，并均匀分布。

叶片背面波浪度0.4～1.2/100，其中≤1/100的区域占总面积的87.7%。

叶片表面粗糙度1.6～5.3μm，集中分布区域2.6～3.8μm。

实测2502个点坐标，其坐标误差-3～+4mm，绝对值≤3mm的占90.67%。

按要求每个叶片重量误差≤39kg。实测18个叶片，重量误差0～35kg，其中≤25kg的占88.89%，≤10kg的占50%。

坐标误差即为叶片允许误差，叶轮直径4.1m，允许误差为±6.15mm。

5 数控机床加工的经济性

数控机床的价格比较贵，所以加工的费用比常规加工的要高。加工费用由机床折旧费、日常维护费、操作人员和管理人员费、加工中的正常损耗如刀具、电、气、冷却液等费用构成。最简单的计算方法是单位工时价格×工时数。工时包括软件计算工时和装夹、换刀等工时。确定数控加工的方法非常丰富，从2.5轴至5轴联动，速度从低速至高速、工艺变化很多，刀位轨迹变化多，为有良好的经济性，应根据不同加工件的产品质量要求，选定最优数控加工程序和经济的加工方法。

比如，加工余量的确定是为了保证叶片能加工出来，应根据叶片大小、厚度，选择合适的叶片单面加工余量，太浦河水泵叶片的尺寸可放5～13mm余量；叶片根部、进出口边圆角等处可考虑以磨代铣降低费用。为了经济、高效又高精度的加工叶片，加工精度可通过人机交互设定。粗加工时三轴联动重切削加工去除大量表面余量，精加工时采用五轴联动高速加工，消除加工死角及薄壁处的振动和弹性退让，表面加工后不用打磨。在运行软件上可以首先用CAD三维设计、造型叶片，修改叶片表面缺陷，对表面光滑处理。然后用CAM灵活设计加工方法、确定加工参数、刀具等，进行刀轨的校核、编辑、优化、模拟仿真以获得最佳加工刀位轨迹，通过后处理程序生成加工程序。

太浦河水泵的叶轮直径4.1m，每个叶片重1.95t，由于委托外厂数控机床加工，每个叶片费用近8万元。0Cr13Ni4Mo的材料比较硬，如叶片铸造余量留得比较大，将增加数控机床的加工量和加工工时数。控制叶片的铸造质量，可以控制加工费用。

6 结束语

太浦河水泵叶片采用数控机床加工，叶片表面取得了很高的加工精度，保证了产品质量。随着我国经济实力的增加和机械加工的进步，水轮机制造厂已普遍使用数控机床，使水轮机叶片的加工水平大大提高，这也是水泵行业发展方向。

工程建设单位和设计单位，应该根据工程的重要性和特殊性，对水泵叶片的加工提出明确要求。对重点工程和特殊要求的水泵，采用数控机床加工水泵叶片。