汽輪機葉片集成加工工藝研究與實踐*

楊　莉，趙松濤，吳　偉

(1.四川工程職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 德陽　618000；2.東方電機有限公司，四川 德陽　618000)

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汽輪機葉片集成加工工藝研究與實踐*

楊莉1，趙松濤1，吳偉2

(1.四川工程職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 德陽618000；2.東方電機有限公司，四川 德陽618000)

摘要：葉片是汽輪機、航空發(fā)動機、鼓風機等設備的核心零部件之一，它的主要作用是將動能轉換為機械能，葉片型面的設計和制造水平與汽輪機等設備的效率有緊密聯系。同時，它也是機械制造中一種典型的難加工零件。針對汽輪機葉片的加工特點，為提高葉片加工質量和效率，用小法拉利五軸數控機床對動葉片進行集成加工，主要從集成加工工藝以及機床各軸精度對集成加工的影響進行分析和研究，得出了機床精度統一的重要性和集成加工的優(yōu)勢。

關鍵詞：汽輪機葉片；數控加工；集成加工；工藝分析

0引言

葉片在汽輪機中承擔著把蒸汽的熱能轉化為機械能的重要任務，是汽輪機中最重要的零部件之一[1]，傳統的加工較難達到要求且效率低，如今的葉片制造企業(yè)已逐漸使用數控機床來加工復雜的葉片型面。有關面向葉片型面加工的數控技術也成為葉片現代制造技術的關鍵[2]。葉片一般所處的環(huán)境較惡劣，需要有較高的強度、抗腐蝕、抗疲勞和抗沖擊能力[3]，因而葉片的質量要求很高。其次，葉片形狀復雜，對其加工要求也越來越高，傳統的加工方法存在效率低、勞動強度大等缺點。

目前，國外的一些先進企業(yè)，如日立、阿爾斯通等公司均已先后實現了集中工序加工[4]，葉片的加工質量更穩(wěn)定，所需設備和人工更少、成本更低。國內企業(yè)一般采用多軸(3、4、5軸)加工中心代替?zhèn)鹘y加工方法。針對汽輪機葉片的加工工藝難點，如材料屬難加工材料、切削加工時切削熱和變形大、結構復雜、精度要求高等，本文主要對葉片集成加工工藝進行了探討，并采用優(yōu)于一般三軸數控機床所不能加工或很難一次裝夾完成加工自由曲面的小法拉利五軸加工中心進行了驗證，從而為提高葉片加工質量提出了更有效的方法。

1葉片及加工分析

汽輪機葉片被美喻為汽輪機的心臟[5]，其曲面復雜，曲率與撓度的變化劇烈，總體結構也比較復雜，零件種類繁多。葉片的型面可分為直曲面和彎扭曲面。直曲面葉片從葉根到葉冠的型線為等截面，彎扭曲面由三維自由曲面組成，因此葉片的高精度標準使其加工技術和設備要求都非常高。

數控加工技術可以提高復雜型面產品的制造能力和效率[6]。在葉片制造企業(yè)中，廣泛使用多軸數控加工中心，不僅提高了葉片的加工精度和加工質量、而且也縮短了生產周期。

數控機床具有加工精度高的優(yōu)點，為縮短葉片在數控機床上的加工工時，現在通過改進工藝，使用普通機床進行去毛坯余量工序，盡量利用數控機床完成葉片型面的精加工工序。

2葉片的集成加工工藝分析

2.1工藝分析

葉片的數控加工流程包括葉片的建模過程和數控加工過程兩部分，其中加工部分主要有葉根、葉冠、氣道型面及其它型面，而葉片加工工藝難點主要存在三個方面：①毛坯鍛造為模鍛，常用的材料為不銹鋼制造，如1Cr13、2Cr13等，其熱硬性好、強度高、韌性大、加工易變形，加工難度大。②葉片的切削變形大，刀片易磨損。③葉片結構復雜，多為變截面扭曲葉片，加工精度和加工工藝要求高[7]。針對以上工藝難點，提出了集成加工工藝方案：下料—粗加工(銑削)—線切割—精加工(銑削)—銼削—拋光—清整—檢查—探傷—測頻。下面對傳統加工和集成加工的工藝路線相比較，以分析集成加工工藝的特點。

2.2傳統加工工藝分析

對于葉片型面的數控加工,傳統的方法主要是用球頭或鼓形銑刀在多軸數控機床上完成[8]。在傳統的加工工藝中，一件葉片需要經過數十道工序加工。其加工特點是大量使用普通機床逐序進行加工。如表1所示為大多數動葉片的傳統加工工藝路線。

表1　傳統加工工藝路線

續(xù)表

在現今葉片加工的發(fā)展趨勢下，產品要求生產周期大大縮短，這種傳統的加工工藝已經嚴重制約了產品的生產周期和產品的質量。這些突出的缺陷表現在以下幾個方面:

(1)物料轉運周期長。因工序分散，物料在生產過程中,不停的從上工序(機床)轉移到至下工序(機床)，從而導致物料轉運周期加長。

(2)生產周期長。工序分散，校模次數增加，從而導致生產周期變長。

(3)質量的穩(wěn)定性不能得到保證。操作工的技能差異、重復定位、裝夾方式、各機床精度及差異、刀具的使用等等綜合因素，使質量控制十分困難，同批次的不合格品率高。

(4)加工工藝可混序加工。工序分散帶來的另一個問題就是可混序加工，會導致同序定位基準發(fā)生轉移，從而影響其他工序的正常加工。

2.3集成加工工藝分析

表2　集成加工工藝路線

如表2所示是改進后的集成加工工藝路線，與傳統工藝工序相比，葉片集成加工(對小法拉利設備上所加工的核電一、二級比較)基本上是將傳統工藝中葉根的內徑向面、背徑向面、葉根兩肩、進出氣側、葉根銷孔，葉冠的內、背徑向面、進出氣側，汽道型面集中到集成加工的粗精兩道工序中完成。它的優(yōu)勢主要表現在以下幾個方面：

(1)物料轉運周期短，轉運次數降低。

(2)生產周期大大縮短。

(3)工序集中，重復定位誤差、裝夾誤差等得到有效的控制。

(4)加工精度、質量由高精度數控設備和數控程序來控制，減少人為因素干擾。

(5)操作工人勞動強度大大減輕。

(6)工序校模周期縮短。

以上分析表明，傳統的加工工序步驟多、效率低，采用集成加工，使工序減少的同時能達到精度要求，不僅增加了加工過程的柔性和可控性，而且能縮短時間、提高效率，精加工過程充分利用五軸加工技術，避免了切削變形的發(fā)生。

3集成加工分析

集成加工主要是將傳統機床的加工方法進行改進，以減少加工工序，且能實現零件的高精度和高效率的一種加工方法。加工過程中存在機床的非線性誤差與機床各軸精度對集成加工的影響。以下針對這兩種因素進行分析。

3.1機床的非線性誤差分析

小法拉利機床是數控五坐標加工機床，即五軸數控機床。該機床剛性好、精度高，針對五軸加工中的非線性誤差問題，國內外學者進行了深入研究[9]。機床旋轉軸的運動是五軸加工中非線性誤差的重要影響因素[10]。下面以雙轉臺五坐標機床為例，分析非線性誤差的理論模型。

機床運動坐標X、Y、Z的計算即是刀心C0經過工件轉動后在機床坐標系O、XYZ中的位置。

(1)

式子中的A表示刀具相對于工件繞X軸逆時針轉動A角，C表示刀具相對于工件繞Z軸逆時針轉動C角。一般情況下，由于在CAM中工件坐標系能夠較為方便地移動與設置，為減少參數設置及計算方便，將工件坐標系與機床加工坐標系設置為同一坐標系[11]，即d=0。

如圖1所示，五坐標加工過程中，(pw0,uw0)與(pw1,uw1)為兩個相鄰刀位點數據，(X0,Y0,Z0,A0,B0,)與(X1,Y1,Z1,A1,B1,)是對應的兩個刀位點機床各軸的運動坐標，且運動過程按線性插補進行。

圖1　非線性誤差示意圖

當機床線性插補運動時，其合成運動使刀位點實際運動pw(t)偏離編程直線pwL(t)，兩者間的最大偏移量εmax即可近似作為非線性誤差的估計。

(2)

將ε(t)對參數t求導，設t=ts時，ε(t)具有最大值，則最大誤差：

(3)

公式(3)可轉化為：

(4)

由于系統采用非線性插補方式，則可得出下式：

(5)

由式(1)可推導出刀位點的實際運動軌跡pw(t)為：

(6)

把式(5)和式(6)帶入式(4)，就可求得這一程序段內的非線性誤差[12]。

相比雙轉臺五坐標機床，小法拉利機床的各軸精度對集成加工也有一定的影響，通過在前置處理中根據工件形狀,采用適合的刀具、走刀方式和刀軸控制方式等生成高質量的刀位文件,以控制非線性誤差的產生，在后置處理中分析刀位文件,根據機床的結構特點進行誤差的檢測和校驗,對刀位點采取自適應加密的方式，從而達到減小非線性誤差的目的。

3.2機床各軸精度對集成加工的影響

(1)機床X軸與工件X1軸

如圖2所示，主軸沿著機床的X向導軌所運行的那條線即為機床的X軸，而工件的A軸的旋轉中心點與尾座的頂針的中心所連的線即為工件的X1軸。

圖2　機床X軸與X1軸示意圖

從理論上和實踐中都證實到這兩個軸是必須要平行的。否則會產生圖3和圖4的兩種情況。第一，不滿足XZ平面條件時，如圖3所示，所要加工的物料兩相對平面的平行度或角度無法合格,其中線1、2代表加工平面在A軸為0°和180°的關系；第二，不滿足XY平面條件時，就會產生如圖4所示的效果，圖3中線1、2表示在標準加工好的情況下，圖4中線3、4表示為A軸旋轉90°加工時會產生的錯誤效果。

圖3　A軸誤差分析

圖4　A軸旋轉加工誤差分析

(2)機床Y軸的零點對集成加工的影響

Y軸零點，即為主軸中心線與X1軸重合時即為Y軸的零點。

如圖5所示，如果Y軸零點有誤差時，加工物料會造成A軸為0和180時產生錯位現象，理論上分析會產生雙倍尺寸的誤差效果。

圖5　Y軸誤差分析

(3)機床Z軸的零點對集成加工的影響

Z軸零點就是機床所設定的參考零點(小法拉利為主軸端面)與X1軸重合時就為Z軸的零點。它的主要影響為：在用正確刀具參數和程序時，無法加工出正確的尺寸。

(4)機床C軸的零點對集成加工的影響

C軸零點就是主軸的軸心線與X軸垂直時即為C軸的零點。它的主要影響為：在刀具沿著X方向銑平面時會造成內凹面；如沿Y向銑平面時會造成所銑平面呈傾斜的狀態(tài)。

(5)機床B軸對集成加工的影響

B軸為零時需注意：第一，使其A軸中心線與X軸平行，否則在用不同的工裝時會造成X軸與X1軸的不平行，如圖6所示；第二，A軸軸心線要與尾座頂尖中心重合。

圖6　B軸誤差分析

通過提高和控制機床各軸精度可以減少對集成加工的影響。

實際加工中，集成加工定位基準的選擇只需做到裝夾不憋勁，有余量就可以。其次，集成加工是全加工，測量基準由加工人員現場測量，而編程基準與物料基準應做到集成加工的加工基準(機床的X1軸)與編程建模的X軸重合。在生產控制中，集成加工工序減少，使物料的運轉周期縮短，而工序集中優(yōu)勢，縮短了生產周期。

4結束語

本文針對汽輪機葉片的集成加工工藝進行了分析，在綜合比較了傳統加工與集成加工工藝路線的基礎上，闡述了集成加工的優(yōu)勢。其次，對加工中機床的非線性誤差和機床各軸精度對集成加工的影響進行了分析。研究表明，葉片的加工需要選擇合理的加工工藝基準、工藝流程、加工方法，做好對機床的精度統一，對提高生產準備(校模)效率，保證產品質量有著重要的作用。將集成加工應用于生產實際，實現了葉片加工的高精度和高效率，是目前一種有效的加工方法。

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Research and Practice of Integrated Processing Technology for Steam Turbine Blade

YANG Li1, ZHAO Song-tao1，WU Wei2

(1. Mechanical and Electrical Engineering Department ,Sichuan Engineering Technical College , Deyang Sichuan 618000,China; 2. Dong Fang Electric Machinery Co., Ltd.,Deyang Sichuan 618000,China)

Abstract：Blade is one of kernel components of equipment including steam turbines, aero-engines, air-blowers, and so on. Its main function is to convert kinetic energy to mechanical energy. Design and manufacturing level of blade molded surface have close connection with efficiency of equipment including steam turbines, and so on. At the same time, it is also a typical and difficult processing part in machine manufacturing. Aiming at processing characteristics of steam turbine blades, in order to enhance processing quality and efficiency of blades, moving blades are carried out integration processing with small Ferrari five-axis NC machine tools. The paper mainly analyzes and researches the influence of integration processing craft and precision of each axis of machine tools towards integrated processing. It gets the importance of machine tool accuracy unification and advantages of integrated processing.

Key words：steam turbine blade；numerical control machining；integration processing；technology analysis

中圖分類號：TH162；TG506

文獻標識碼：A

作者簡介：楊莉(1982—)，女，四川德陽人，四川工程職業(yè)技術學院講師，工學學士，研究方向為機械設計與制造，(E-mail) 303967178@qq.com。

*基金項目：四川省重點項目：重大水電設備構件系統研究與平臺開發(fā)(2008GZ0149)

收稿日期：2015-07-19；修回日期：2015-09-06

文章編號：1001-2265(2016)02-0134-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.038