水电能源行业在国家战略性新兴产业发展规划中占有重要地位,高水头水力发电必须采用冲击式水轮机组,其中的关键部件水斗转轮的设计及整体数控加工技术目前在我国上尚不完善,其存在的问题如下:如何在保证水斗水力性能的前提下实现水斗的整体数控加工;如何进行水斗插铣加工稳定性预测进而优化铣削参数;如何解决水斗插铣过程超长刀柄(长径比最高可达1:20)的加工颤振问题进而提高水斗加工效率和质量,本文针对这些问题开展了如下研究。为实现面向制造的水斗结构优化,针对斗型线与射流相互作用展开了基于CFD(计算流体动力学)的数值模拟分析,优化了水斗的水力性能。同时,也展开了水斗型面及水斗根部曲率均匀度、斗根深度和斗根厚度的结构优化设计,使得水斗设计即满足水力性能和强度特性,同时又能具有较好的数控加工工艺性。通过全部水斗根部结构优化,水斗综合应力、交变应力都有了大幅度降低。针对水斗插铣加工时刀具长径比大易产生切削振动问题,进行了切削力预报及切削动力学方面的研究。基于切削原理建立了插铣切削力预测模型,通过与有限元分析结果比对和实际切削验证,该模型具有较高的预测精度;基于振动理论建立了插铣加工颤振三维稳定域方程,得到了影响水斗插铣加工过程各因素对加工稳定性的影响规律,上述工作为水斗的插铣加工工艺的优化提供了手段。根据水斗结构和插铣加工工艺性特点,建立了刀柄振动解析模型,采用有限元方法研究了刀柄几何结构参数、带孔及锥柄结构、刀柄材料等因素对刀柄变形和振动影响规律,研制了新型结构的抑振刀柄,经实际切削加工应用证明该刀柄具有较好的抑振效果,此项工作对大长径比切削加工及其刀具设计有重要的指导意义。通过对水斗插铣过程中切削厚度的解析计算,从加工效率优先的角度实现了转轮数控加工的区域规划。针对冲击式水轮机转轮在整体加工过程中的关键工艺问题提出了优化的解决方案。实际加工效果表明,采用此工艺加工出的水斗质量和效率都处于领先水平,此研究结果可为整体转轮数控加工产业化提供了重要的技术支撑。通过综合考虑水斗转轮的设计与制造的关键问题,集成研究成果形成了具有自主知识产权的新工艺,为我国水轮机组整体转轮的高效高品质数控加工提供了理论指导及实用技术支持。