某型空氣透平進氣段渦殼加工工藝設計

孔祥洪 胡建軍

東方汽輪機有限公司 四川德陽 618000

某型空氣透平是透平通流技術研究創新所必須的基礎研究平臺，是實現透平核心技術重大突破的所必備的基礎設施。該機組為軸向進氣，無噴嘴結構。為提高機組效率，其軸承等零件需安裝在進氣段渦殼內。

進氣段渦殼為焊接結構件，外形為流線形，內部安裝汽封、軸承，結構復雜。通過對該渦殼加工工藝性分析，選擇合適的加工設備，設計合理的工藝流程、數控程序，并制作少量專用工裝，加工出合格產品，滿足了生產需要[1]。

1 結構特點

進氣段渦殼結構簡圖如圖1所示。

圖1 某型空氣透平進氣渦殼結構簡圖

進氣段渦殼為焊接結構件，安裝在透平進氣段軸承座外部，外部為流線型，內部有汽封結構、軸承結構，軸承座支撐筋需穿過渦殼支撐于汽缸內部，且支撐筋有型線。為滿足安裝要求，整個零件由進氣渦殼上半、下半、導流器上半、下半4部分組成，導流器上半與進氣渦殼上半把接成一體，導流器下半與進氣渦殼下半把接在軸承座上，導流器上下半有連接螺栓。工件上下半外形一致，內部結構不對稱。安裝汽封圈用T型槽需與機組通流部件同軸。

進氣渦殼整體外形尺寸：Φ829×880，重525Kg，整體外形表面粗糙度Ra3．2。四部分需把合后加工外形，加工后的壁厚理論值為18mm，連接螺栓規格為M10，工件剛性差，連接螺栓把緊力小，不足以克服工件變形。

2 機械加工工藝方案設計

2.1 總體加工方案的制定及結構設備選擇

根據進氣段渦殼結構及工藝性分析，工件加工工藝的關鍵控制點有三處：

（1）焊接薄壁件變形控制；

（2）進氣渦殼橢球面整體加工及精度保證；

（3）安裝汽封圈用T型槽與機組通流部件同軸度控制。

為保證精加工后尺寸穩定，考慮焊接時按工件結構分為四件焊接，粗加工時將導流器與渦殼上下半分別搭焊為整圓，并整體進爐熱處理，熱處理后再拆開上下半，檢查變形情況。粗加工留量不宜過大，但也需留足。綜合考慮工件結構、外形尺寸等因素，定粗加工余量為單邊4mm。

進氣渦殼橢球面整體加工，需進行設備選型并設計夾具。根據現有設備，可選用臥車或立車加工。如選擇臥車加工，則工件成懸臂狀態，但機床轉速高，表面粗糙度易保證；如選擇立車加工，工件裝夾簡單，狀態好，但整體加工時工件與芯座高度之和約920mm，需要在Φ2．5m立車加工，工作臺最高轉速較低，靠近工件中心部分表面粗糙度下降。最終確定采用Φ1．6m立車粗加工、臥車精加工的工藝方案，兼顧加工效率與加工精度。工件裝夾需設計芯座，避免裝夾變形，保證外形加工無接刀；設計工藝連接板，代替連接進氣渦殼下半與進氣段下半的軸承座[2]。

T型槽如按進氣渦殼本身中心加工，因進氣渦殼與機組進氣段軸承座等接配產生的誤差累積，可能與進氣段內孔不同心。需將進氣渦殼與機組進氣段對中、接配后，按機組進氣段內孔、端面找正后加工T型槽。

根據以上分析及現有設備情況，確定加工設備及分工：

數控立車，型號SVT160×10/8L-NC，最大車削直徑1．6m，最大加工高度1m，最高轉速315r/min，數控系統為SINUMERIK 840D。粗車外形、精加工內孔、端面。

數控臥車，型號CKQ61100，最大車削直徑1m，最大車削長度1．4m，最高轉速710r/min，數控系統FANUC 0i-TC。精車外形。

數控鏜銑臥式床，型號TK6513/20，主軸直徑Φ130mm，回轉工作臺2m×2m，最大加工高度2m，數控系統為SINUMERIK 840D。各接配面、連接螺栓孔、銷孔加工；穿支撐筋橢圓孔加工。

數控落地鏜銑床，型號TK6916B，主軸直徑Φ160mm，回轉工作臺2．5m×3m，固定工作臺4m×5m，最大加工高度3m，數控系統為SINUMERIK 840D。機組各段接配后T型槽加工。

2.2 進氣渦殼加工簡要工藝流程

根據進氣渦殼總體加工方案的細化，設計了某型空氣透平進氣渦殼加工的詳細工藝方案，分為導流器、進氣段渦殼兩部分。設備SVT160×10/8L-NC簡寫為SVT160；TK6513/20間寫為TK6513[3]。

2.2.1 導流器加工簡要流程

（1）焊接毛坯來料，在端面焊工藝壓板搭子并搭焊上下半。

（2）SVT160：車外形，單邊留4mm精加工余量。

（3）熱處理。

（4）鉗工分開上下半。

（5）劃線，檢查工件變形，確認加工余量。

（6）TK6513：銑準水平中分面。

（7）鉗工去除端面搭子。

（8）在上下半水平中分面外側焊壓板搭子。

（9）TK6513：分別銑準上下半垂直端面，鉆端面上連接孔。

導流器外形加工安排在進氣段渦殼與導流器把合后加工。

2.2.2 進氣段渦殼加工簡要流程

（1）接毛坯來料，對齊上下半，搭焊成整體。

（2）SVT160：車外形、內孔，均單邊留4mm精加工余量。

（3）熱處理。

（4）鉗工分開上下半。

（5）劃線，檢查工件變形，確認加工余量。

（6）TK6513：銑準水平中分面，加工中分面連接螺栓孔，加工上下半立車基準。

（7）合并上下半，裝中分面定位銷及連接螺栓。

（8）SVT160：車準大端面、內孔，T型槽不加工。

（9）鉗工分開上下半。

圖3 連接板示意圖

圖4

（10）TK6513：分別銑準上下半兩側垂直端面，鉆端面上連接孔。

（11）鉗工：將導流器上下半、渦殼上下半把合為整體并定位在芯座上。

（12）CKQ61100：夾芯座，車準橢圓外形。

（13）TK6513：立放，銑下半穿支撐筋的橢圓孔見圖2。

圖2 下半穿支撐筋的橢圓孔示意圖

（14）鉗工：拆開各零件及工裝，各零件安裝在進氣段工作位置。

（15）TK6916B：找機組軸線，鏜準進氣段渦殼內安裝氣封圈用T型槽。

（16）鉗工：機組解體，清理。有了詳盡、合理的工藝流程，工件加工各項指標達到了設計要求。

3 工裝設計

（1）連接板。根據圖紙及技術要求，工件橢圓外形需整體加工。工件的工作狀態是渦殼下半與導流器下半把緊在軸承座上，渦殼上半與導流器上半接配后與渦殼下半把緊。加工時需設計一個連接板代替軸承座。設計出連接板如圖3。其中連接板厚度尺寸需按渦殼下半與導流器下半實際測量尺寸配車準，保證間隙在0．05mm以內。

（2）芯座。整體加工外形，裝夾必須設計一個芯座，該芯座與工件有剛性連接，并有起吊結構，如圖4。其中芯座定位圓尺寸需按渦殼內孔實際測量尺寸配車準，保證間隙在0．05mm以內。為提高工件時剛性，定位圓長度有45mm，并留有10mm導向用倒角。側面M16起吊孔，作為工件與芯座整體接配后吊裝在臥車加工用；中心M30螺孔穿螺桿、搭壓板將渦殼與芯座壓緊。

4 橢圓數控程序設計

該工件的外形加工需編制橢圓的車削程序，支撐筋的橢圓孔需編制橢圓的銑削程序。

橢圓車削可采用宏程序，也可采用參數編程。為使程序易懂、粗、精加工通用，采用了R參數手工編程。根據橢圓的參數方程，以R參數控制進行條件跳轉，用直線插補擬合橢圓曲線。

X=bsin（α）

Z＝asin（α）

其中b為橢圓短軸，a為橢圓長軸，α為角度參數。零點設置：X零點：回轉中心，Z零點：橢圓起始端面，刀尖編程。

以下為工件外形橢圓段精車程序清單：

粗車時，修改a、b值即可準確留量；調整步長以調整加工尺寸精度和表面粗糙度。參數編程簡單、易懂，粗加工留量準確，加工精度也能滿足工件精加工需求。

橢圓銑削程序編制的思路與此相同，配合數控鏜床的旋轉工作臺，反復調用橢圓加工子程序，完成5個橢圓孔加工，不再詳述。

5 結語

通過進氣段渦殼加工工藝流程、工裝、數控程序的研究，結合相關制造經驗，研究總結出了一套完整的加工技術，解決了技術難題，實現了工件的經濟、高效加工。