杨 敏
转轮室是水轮机的重要过流部件之一，其主要的作用是确保内部的流态均匀，以保证机组运行的水力效率、稳定性。而转轮室流面的尺寸通常由模型实验确定，故设计的基本参数都是满足要求的。所以，保证其性能良好的关键，主要就在于加工生产环节。要求产品的实际精度要与理论参数一致，误差要在合理的范围内。而由于流道自身结构是属于弧形，并非规则形状，且精度要求比较高，传统的普通机床加工无法满足要求。因此，选用加工精度非常高的数控机床来操作，是一种保证质量的行之有效的方法。鉴于此，本文提出了基于FANUC数控加工系统的仿真设计，拟在实际操作前，先在计算机上实现仿真操作流程，提前预判加工的工序和找到容易出错的地方，在实际生产中加以纠正，以顺利完成产品的加工。
1 转轮室模型基本尺寸概况
现以某电站的轴流转浆式水轮机设计为例。已知其电站的水头H、流量Q、机组功率P等参数，并以此为依据，进行模型试验，可以确定主要的流道尺寸（如图1所示）。
图1转轮室流道尺寸
图2筒体剖面形状
由图1所示转轮室的流道型线，而转轮室的形状可以看作流道型线往外壁加厚，然后围绕中心轴旋转一圈的筒体。根据筒体的剖面形状，大体可以将其定义为三个部分:（1）直线环（上环）；（2）弧度环（中环）；（3）斜线环（下环）。因此，在设计中可以采用较为简单的锥型结构，即外壁采用线段型的钢板型线（如图2所示）。
2 有限元分析
转轮室结构确定之后，需要选定钢板厚度，继而才能根据厚度尺寸进行数控工艺安排。本实例中，根据经验设计，拟取加工后的厚度为12 mm的钢板。因此，该规格的板材能否满足要求，需要对其进行强度数值模拟计算来进行判断。结合转轮室结构特点（即形状为环形），沿圆周方向均匀对称。所以，不需要对整个模型进行强度核算，取而代之的是只对模型进行1/4的采样分析即可。强度分析时，对整个模型进行六面体非结构化网格划分[2]。沿内表面加载1 000 N的均布载荷，计算方法采用工程中，最常用的欧拉法，计算公式如下：
式中，t为计算迭代时间。
y为函数的解析解。
通过强度计算可以得出，当加载1 000 N的均布载荷时，其位移变形量很小（约在4.5×10-5mm左右），几乎可以忽略。因此可以得出结论，采用12 mm的钢板，强度完全满足要求。3 F AN U C数控加工仿真
数控机床的加工,主要由刀具的运动、工件的动作两部分构成。因此，在具体的操作流程中，需确定机床坐标系的方位。一般的原则是：假设工件始终处于静止状态，而刀具则是处于持续运动状态。这样的结果，有利于操作人员不考虑机床上二者的详细运动条件，便能够根据零部件的具体设计图纸，安排出合理的工艺流程。
3.1 数控加工工艺的安排
转轮室的基本结构确定后，便可以展开数控加工的过程，在该过程中，先需要进行数控加工仿真，以便了解工序的合理性以及加工的精度误差。具体的数控加工工艺流程可分为以下几个步骤：
1）毛坯件的选取。根据加工后的尺寸，可以初步选取毛坯件为15 mm，材料为Q235A的钢板。
2）加工方式的选定。加工方式的选定，通常由两种方法：（1）先加工各单独的环形筒体，再拼焊在一起；（2）先将各毛坯件焊接起来，再整体进行数控加工。根据转轮室的具体结构可知，主要的加工难点在中环上。因此，本文拟选择方法（2）进行数控加工。
3）导入模型，选择定位，数控编程加工。
3.2 导入零件模型
在FANUC数控加工系统中，首先需要将转轮室的零件毛坯模型放置在指定位置，然后再定义毛坯的尺寸、形状、材料等参数，以便为后续加工步骤建立一个呈几何相似的仿真模型，继而实现精确的数控系统仿真。该步骤的具体操作是在“导入零件模型”模块中实现，即先绘制好转轮室的三维实体焊接模型，再将其导入置于机床台面上，然后再通过小键盘调整模型位置。
3.3 车床选刀
数控车床选刀步骤，即是针对转轮室的形状特点，对需要加工的位置进行刀具的选择。比如，对于上环和下环的加工而言，形状规则，属于点位控制状态，选择圆柱铣刀即可。而对于中环而言，形状复杂，故选择以点接触的钻头为主。数控仿真系统中通常允许同时安装8把刀具，这样可同时加工中环的多个剖切面，提高效率。在加工方式的选择上，对于筒体而言，主要是内表面的加工，故再该项指令的选择中，只需作出对应的选择即可。
3.4 车床对刀操作
车床对刀工序，即是建立转轮室部件和机床坐标系之间的关系过程。在该转轮室的对刀操作当中，可以采用试切法进行。具体的操作步骤是：（1）原点的选取。在数控车床上，参考点的定义原则是一般设在卡盘端面与主轴中心线的交点为原点；（2）用内容3.3中所选择的刀具先试切转轮室的内表面；（3）通过计算得到中环的喉部尺寸到中心点的坐标值。而刀具的参考点则是分别定义在X方向和Z方向，即移动到正确位置，X，Z的坐标值随之变化。
3.5 伺服系统形式的确定
FANUC数控加工系统的仿真中，通常采用的动力源电机类型为伺服电机。因此，其控制的形式需要进行确定。通常情况下，加工出的尺寸会有偏差，故系统需要反馈输出参数，并进行适时修正（如改变电压、电流等）。所以在选择控制类型中，反馈环节必不可少，故本文采用的伺服系统控制形式为闭环控制系统。
上述基本工序完成之后，就可以进入程序编辑页面，开始输入程序指令，进行仿真运作。本文的仿真结果和设计值的精度比较，如下表1所示。
表1仿真计算结果尺寸偏差对比
由表1可以看出，通过FANUC数控加工系统的仿真过程，其加工结果均在允许偏差以内，基本满足设计的要求。因此可以得出结论，上述章节3.1所安排的工艺路线是合理的。故在实际的数控加工生产过程中，其流程可予以采纳。根据该加工流程可得到轮转室数控加工的实物。
4 结语
在某电站轴流转桨式水轮机转轮室的设计中，选取了一定厚度的钢板，并利用有限元方法校核了模型的强度，以此结构为基础提出了相应的数控加工工艺路线。然后，利用FANUC数控加工系统进行数值模拟仿真，结果的合理性表明，在该产品的数控加工工序是满足精度要求的，可以投入实际操作。最后，按照既定工序生产处了性能良好的转轮室。为今后同类产品的生产加工，提供了一个高效、可行的方法。
