摘要：特型导叶应用在高水头有较高要求的水轮机机组中，对导叶的结构有特殊的要求，造型复杂，质量高，材质要求严格。为此，采用数控加工技术完成特型导叶的加工，保证了导叶形状准确和高质量。

      1、 引言

     活动导叶是水轮机导水机构中的核心部件，是控制水流量的关键，相当于开关的作用，控制水流量的大小。活动导叶形状相对复杂，要求加工的精度高。而特型导叶是活动导叶的一种，相对形状更加复杂，尤其是轴头和法兰的过渡部分，采用的是大变半径值过渡，要求约束相切，保证各部分光滑过渡，尽量减小对水流的影响，同时保证轴头部分的强度。由于特型导叶的结构复杂，过渡部分较大，形状要求严格，手工铲磨无法达到设计的要求。采用数控机床加工可以有效地保证特型导叶的型线要求，对水轮机导水结构的质量有利。

       2、 特型导叶理论模型的构造

      2.1 特型导叶的截面线

     特型导叶的截面线主要是样条曲线。工程应用上采用的是三次样条曲线，保证样条曲线的连续性和二次可导型。如图1，导叶截面线的曲率变化是型面质量的一种表示，对于导水的部件而言，要求截面线的曲率梳方向一致，并且所有刺均向外，这种要求可以有效保障导叶的型面没有凹陷处，防止导叶工作中出现气蚀等表面缺陷。

      截面线的构造质量直接决定导叶型面的质量，关键是对样条曲线的控制，一般表示样条曲线连续性有三个概念：（1）G0 位置连续，两组曲线在端点重合，连接处的切线方向和曲率均不一致，这种连续性会有一个很尖锐的挠角。（2）G1 切线连续，两组曲线端点重合且切线方向一致，可以看到曲率梳在接触点位置在一条直线上，不会有尖锐的边接缝，但是，连接处曲率有突变，在视觉上还有明显的差异。（3）G2 曲率连续，在G0、G1 的基础上，相接触的曲率也相同，曲率梳在接触处的刺长度和方向都一致，没有尖锐的接缝和曲率突变，视觉光滑流畅。G3 曲率变化率连续，具有G0、G1、G2 的特征，在连接处曲率的变化是连续的，同时，曲率变化可以用一次方程表示为一条直线。事实上，切线连续能够满足大部分基础工业（航空和航天、制造业、造船业）。

      2.2 导叶瓣体

      如图2，通过拉伸的方式完成，形成直纹面的实体导叶瓣体。根据设计提供的过渡截面的结构，构造出过渡的曲面，过渡面与导叶瓣体的相接触部分要求与导叶瓣体是相切的约束，将过渡面与导叶的瓣体进行布尔运算，完成联合的计算，最终形成特型导叶的三维实体模型。

      2.3 特型导叶理论型面分析

      如图3，为了验证导叶型面的构造质量，检查型面的连续性，可以通过斑马线（也叫做高光测试）分析，斑马线实际上是模拟一组平行的光源照射到所要检测的表面上所观察到的反光效果。从斑马线分析图中可以看出，所有的斑马线平滑，在拐角处有尖角，达到G1 的标准，在数学上的解释是曲面处处连续，并且二阶导数连续。

        3 、特型导叶的数控加工

       特殊导叶质量要求较高，采用整体锻造材料加工完成，保证材质的质量。首先利用车床完成导叶轴的加工，以加工好的导叶轴作为基准来加工导叶的型面。利用圆筒夹具固定导叶，使用带转台的数控机床一次性装夹完成导叶型面的全序数控加工，如图4。

       3.1 特殊导叶的开粗加工

      由于是整锻的材料，已经将轴端车削完成，顶部是整块的方料，必须进行快速的开粗加工，去除多余的材料，提高加工的效率。这里采用等高型腔铣削的方式进行高速切削。工件本身的结构是下部加工的空间比上部大，底部有夹具固定，切削的刀路的干涉区域相对较大，会出现四周刀路的不可预测性，为了保证刀路的安全，采用封闭轮廓的控制方式，限定刀路在指定的区间内。高速切削就要保证刀路的平稳和连续，所以，设定刀具进入方式是随型斜向切入工件的模式，避免出现直接切入工件的撞击和刀路的突变。控制每层的切深是0.5mm，完成小的切削量，大的进给量高速切削要求（如图5）。

      高速切削是1990 年代迅速走向实际应用的先进加工技术，通常指高主轴转速和高进给速度下的铣削。铣削速度和进给速度的提高，可提高材料的去除率，对复杂的型面加工可以直接达到零件表面质量的要求，进而大大提高加工的生产率。高速铣削的切削力小，有较高的稳定性，可以高质量地加工出薄壁的零件。特型导叶的过渡曲面的底部，理论厚度是0mm，非常不利于加工，因此在造型时就要构造出工艺厚度0.5mm，通过高速切削技术完成薄壁的加工，如图6。

      3.2 特殊导叶的半精加工

      如图7，半精加工的目的是去除工件的开粗切削对导叶型面带来的尺寸影响，由于开粗加工的主要目的是去除多余材料，必然出现一些剩余的阶梯状材料，而半精加工就是将这些阶梯状多余材料去掉，同时保证精加工的余量均匀。半精加工开始就要避免出现跳刀的现象，跳刀会在导叶型面上形成痕迹，刀路不连续，对加工的质量会产生较大的影响。

      3.3 特殊导叶的精加工

      如图8，精加工时，剩余材料已经均匀，没有突变的区域，依据高速切削理论，可以实现高速切削，精加工的刀路非常密，可以大幅度提高产品的表面质量。

       4、 理论与实际的比较

      如图9，特型导叶的形状比较复杂，理论造型方面要解决截面线的曲率问题和过渡曲面约束相切的问题，并且，对理论模型的质量要进行分析，找出缺陷进行修改，保证表面质量的连续和光滑，避免出现尖角。

      特型导叶的数控加工技术依据高速切削的理论，实现了高主轴转速和高进给速度下的铣削，提高了加工效率和精度，同时避免了薄壁处的变形。经过多次工厂的实践，终于完成了特型导叶的数控加工技术从理论到实践的飞跃。