小機(jī)組轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽加工工藝分析

陳留濤，何超，陳杰，馬榮波，姜宏誠(chéng)

（中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司,武漢 430205）

0 引言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根槽有各種形狀，一部分是采用樅樹型輪槽結(jié)構(gòu)，這種輪槽承載截面按照等強(qiáng)度分布，有效工作面積大，承載能力強(qiáng)，因此在汽輪機(jī)低壓級(jí)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。樅樹型輪槽根據(jù)等強(qiáng)度要求，按輪槽中心線和轉(zhuǎn)子中心線的相互位置不同可分為直槽、斜槽和圓弧槽3種形式[4]。轉(zhuǎn)子樅樹型直槽承載能力相對(duì)其他兩種較小，當(dāng)載荷較大時(shí)，多采用樅樹型斜槽和圓弧槽結(jié)構(gòu)。近年來，一些學(xué)者對(duì)于樅樹型葉根與輪緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究較為全面，靳亞峰[5]使用有限元仿真分析方法研究發(fā)現(xiàn)了斜齒樅樹型葉根各齒載荷分布與角度變化關(guān)聯(lián)較小；張明輝等[6]研究了基于三維熱彈性接觸的樅樹型葉根和輪緣最大等效應(yīng)力降低的方法,并獲得了一些成果。這些理論研究成果顯著，實(shí)際加工制造與理論研究有一定差別。樅樹型圓弧槽因工藝設(shè)計(jì)和加工過程較為復(fù)雜、裝配面多、加工效率低等特點(diǎn)，改進(jìn)空間很大。

目前樅樹型圓弧槽的加工方法一直是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加工的重點(diǎn)與難點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的輪槽對(duì)刀具的設(shè)計(jì)和工裝的選用有較高的要求，在上汽、哈汽和東汽的大型機(jī)組轉(zhuǎn)子中應(yīng)用廣泛，中小機(jī)組的應(yīng)用較少。在行業(yè)內(nèi)通常需要專用的鏜銑床來完成加工制造，除此以外，設(shè)備的精度和加工方法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有直接的影響。因此研究樅樹型圓弧槽的加工工藝具有重要的意義。

1 樅樹型圓弧槽的加工工藝及難點(diǎn)分析

樅樹型圓弧槽是轉(zhuǎn)子葉根槽結(jié)構(gòu)的一種，轉(zhuǎn)子一級(jí)由多個(gè)重復(fù)相同的輪槽構(gòu)成，沿轉(zhuǎn)子中心線面向葉輪端面看去，輪槽截面形似樅樹，如圖1所示，葉根槽由4個(gè)齒組成規(guī)則的型線結(jié)構(gòu)，沿圓弧槽軌跡的垂直面結(jié)構(gòu)截面如圖2所示，加工的截面主要技術(shù)條件為：1）葉根槽的根部與理論尺寸誤差小于0.08 mm；2）輪槽節(jié)距最小實(shí)體尺寸與最大實(shí)體尺寸小于0.114 mm；3）輪槽承載面區(qū)域粗糙度Ra1.6 μm；4）輪槽承載面最小加工誤差為0.013 mm；5）輪槽非承載面最小加工誤差為0.127 mm。

圖1 樅樹型圓弧槽主視圖

圖2 樅樹型圓弧槽截面示意圖

以上加工尺寸的公差要求極為嚴(yán)格，給加工增加了較大的難度。此外整體轉(zhuǎn)子有多級(jí)葉輪，葉輪之間開檔較小，樅樹型輪槽呈圓弧分布時(shí)，拉削方法在此無法使用，只能采用銑削的加工方法。

結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn)，銑刀的中心走刀軌跡呈規(guī)則的圓弧狀，銑削過程中銑刀的中心線軌跡能否和圓弧槽的中心線理論尺寸保持一致也是加工過程中另一難題，使用剛性合適的鏜銑床尤為重要。

圖3 圓弧槽俯視結(jié)構(gòu)圖

2 工藝方案及加工過程

2.1 轉(zhuǎn)子裝夾方案

針對(duì)整鍛轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，樅樹型圓弧槽加工在數(shù)控落地鏜銑床上完成，采用TK13800數(shù)控立臥回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作為電控驅(qū)動(dòng)裝置。使用機(jī)械分度裝置提高轉(zhuǎn)子分度的準(zhǔn)確性，分度盤卡槽與加工輪槽數(shù)量一致，如圖4所示，轉(zhuǎn)子軸頸分別落在相應(yīng)軸瓦上，由液壓壓緊裝置固定。轉(zhuǎn)子落位后，調(diào)整分度盤使插銷在彈簧回復(fù)力作用下自由插入分度盤齒槽內(nèi)，槽內(nèi)深度大于8 mm，分度銷半插入狀態(tài)觀察銷與齒槽兩側(cè)間隙應(yīng)均勻，全插入狀態(tài)下分度銷與齒槽兩側(cè)應(yīng)均貼合，滿足以上要求后拔出分度銷卡住。壓緊轉(zhuǎn)子后再次檢查分度銷是否能夠順利插入8 mm，且在分度銷半插入狀態(tài)觀察分度銷與齒槽兩側(cè)間隙均勻，同時(shí)全插入狀態(tài)下分度銷兩側(cè)間隙不大于0.02 mm，如圖5所示。

圖4 樅樹型輪槽分度

圖5 分度插銷檢查

轉(zhuǎn)子調(diào)整水平前，先校正轉(zhuǎn)子體前后兩支撐座，在鏜床主軸上放置百分表，調(diào)整底部調(diào)整墊鐵使得側(cè)面垂直方向偏差不大于0.03/200 mm；調(diào)整油箱底部的調(diào)整墊鐵使得兩支撐座高度差不大于0.05 mm，上端面水平面到鏜床工作臺(tái)的距離1100 mm。待支撐座校正后，將轉(zhuǎn)子體落至兩支撐座軸瓦上放置，校正轉(zhuǎn)子體并精調(diào)前、后支撐座，使轉(zhuǎn)子體沿鏜銑床導(dǎo)軌及地面水平方向在0.03 mm之內(nèi)，檢查轉(zhuǎn)子體輪面垂直度應(yīng)在0.03 mm之內(nèi)。

2.2 刀具選型設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子樅樹形圓弧槽由于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和較高的精度要求，使用樅樹型成型銑刀，材料為粉末高速鋼,一個(gè)圓弧槽由一組刀具完成，每組刀具包括粗銑刀、加深刀、上半部半精刀、下半部半精刀、精銑刀，如圖6所示。

圖6 一組樅樹型輪槽成型銑刀

其中，精銑刀是由樅樹型成型銑刀和端面銑刀通過螺栓把合在一起形成。刀具使用順序依次為：粗銑刀、加深刀、上半部半精刀、下半部半精刀、精銑刀。通過前期試塊的工藝試驗(yàn)和論證，鏜銑床FBC160rh設(shè)備與工裝均能滿足加工要求，具備樅樹型圓弧槽的加工基礎(chǔ)。

2.3 對(duì)刀方案

加工轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽前，先實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子直徑為D1，轉(zhuǎn)子理論直徑為D2，為了提高樅樹型輪槽型線與外圓小平面的形位公差，在成型銑刀加工輪槽前，先由平面銑刀銑一個(gè)平面，以轉(zhuǎn)子徑向外圓對(duì)刀，平面刀進(jìn)刀深度為：L=(D1-D2)/2-0.10。

平面銑完后，以該平面為基準(zhǔn)，每組樅樹型銑刀刀尖對(duì)刀，進(jìn)刀深度為：C=k+0.1，式中，k為刀具設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線至刀尖的距離，如圖7所示。

圖7 樅樹型斜槽刀具切深方案

本方案需要注意的是，對(duì)刀次數(shù)多，要求操作者具有良好的職業(yè)習(xí)慣和一定的操作經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確對(duì)刀，又要避免因?qū)Φ秱稗D(zhuǎn)子體本體，確保外觀質(zhì)量完好。

2.4 切削參數(shù)的設(shè)計(jì)

通過對(duì)成型刀具的特性和復(fù)合材料的分析，綜合考慮數(shù)控落地鏜銑床的加工性能和精度，計(jì)算得出銑刀最小直徑處線速度為7 m/min。平面銑刀直徑為φ50 mm，粗銑刀與半精銑刀走刀量為15 mm/min，試驗(yàn)過程中經(jīng)過適當(dāng)調(diào)整，最終確定了樅樹形圓弧槽的刀具切削參數(shù)如表1所示。

表1 樅樹型圓弧槽刀具切削參數(shù)表

樅樹型銑刀切削參數(shù)要求精確，加工過程中要求操作規(guī)范，切削參數(shù)過大或者刀具抖動(dòng)都可能會(huì)引起刀具斷裂，銑削前先校正粗銑刀徑向跳動(dòng)小于0.01 mm，跳動(dòng)不均勻會(huì)導(dǎo)致刀具切削過程中受力平衡。輪槽最后一步銑削是由精銑刀和平面銑刀把合一起完成。為了保證精銑輪槽的準(zhǔn)確性，開始銑平面前徑向單邊預(yù)留0.10 mm余量，加工過程中粗銑刀和半精銑刀進(jìn)刀深度增加0.10 mm，在轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽加工到設(shè)計(jì)要求時(shí)，最后一步0.10 mm余量由精銑刀加工去除。這樣設(shè)計(jì)加工參數(shù)既保證了樅樹型圓弧槽徑向尺寸的準(zhǔn)確性，又確保了圓弧槽與基準(zhǔn)平面的形位公差滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 刀具走刀軌跡的設(shè)計(jì)

鏜銑床Z軸以平面刀銑過的XY平面為基準(zhǔn)對(duì)刀，加工樅樹型圓弧槽時(shí)XY平面以中間輪槽基準(zhǔn)線和轉(zhuǎn)子中心線交點(diǎn)為零點(diǎn)，機(jī)床坐標(biāo)歸零，刀具在XY平面方向運(yùn)動(dòng)軌跡為半徑R148.17 mm的圓弧，銑刀中心的起點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)軌跡起的起點(diǎn)，坐標(biāo)為（-81.31，-24.302），軌跡終點(diǎn)坐標(biāo)為（+88.69，-29.409），銑刀起點(diǎn)到終點(diǎn)連接的圓弧線即為XY平面上銑刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8所示。加工平面對(duì)完刀后，Z軸方向在銑刀起點(diǎn)進(jìn)刀深度調(diào)整到位，銑刀轉(zhuǎn)速按照切削參數(shù)執(zhí)行，然后再完成XY平面的銑削過程，需要注意的是，銑刀在加工接近輪盤之前和加工完遠(yuǎn)離輪盤后需要留有足夠的行程余量，方便機(jī)床主軸退刀。

圖8 圓弧槽XY面走刀行程

3 工藝試驗(yàn)

3.1 輪槽數(shù)控加工工藝流程

開展工藝試驗(yàn)，事先完成機(jī)床的數(shù)控編程，并仔細(xì)核對(duì)數(shù)控程序參數(shù)與切削參數(shù)表數(shù)據(jù)完全一致。校正好轉(zhuǎn)子的水平，將成型銑刀裝夾在機(jī)床主軸上，找正機(jī)床主軸Z向零點(diǎn)，平面刀對(duì)刀，Z軸置零點(diǎn)，按照表1給定實(shí)測(cè)外圓進(jìn)刀深度鏜銑平面。工藝試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 樅樹型圓弧槽工藝試驗(yàn)

工藝試驗(yàn)的具體加工流程為：粗銑刀對(duì)刀，以平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，進(jìn)刀深度參照表1切削參數(shù)表取30.143 mm；加深刀對(duì)刀，以平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，進(jìn)刀深度參照表1切削參數(shù)表取33.584 mm；上半部精刀對(duì)刀，以平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，進(jìn)刀深度同粗銑刀一致，參照表1切削參數(shù)表取30.143 mm；下半部精刀對(duì)刀，以平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，進(jìn)刀深度參照表1切削參數(shù)表34.942 mm；精銑刀對(duì)刀，以平面為基準(zhǔn)零點(diǎn)，進(jìn)刀深度為35.192 mm，把合的平面銑刀帶光預(yù)先留下的基準(zhǔn)平面0.10 mm余量。一個(gè)輪槽精銑完成后，使用通規(guī)對(duì)加工后的輪槽進(jìn)行檢查，并且檢查相鄰輪槽之間的弦長(zhǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 輪槽加工結(jié)構(gòu)模擬分析

考慮到圓弧槽復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及加工制造過程，為了滿足樅樹型圓弧槽的要求，更直觀全面地了解圓弧槽可能存在的干涉或者過切問題。基于以上疑問進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，更直觀地發(fā)現(xiàn)加工制造可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)待加工輪槽外徑與寬度數(shù)據(jù)和工藝試驗(yàn)產(chǎn)品一致。圓弧槽三維輔助設(shè)計(jì)結(jié)果如圖10所示。

圖10 樅樹型圓弧槽三維模型

結(jié)合三維結(jié)構(gòu)與工程圖可以看出，圓弧槽進(jìn)汽邊與出汽邊的輪槽節(jié)距與基準(zhǔn)線處的節(jié)距均不一致，如圖11所示。

圖11 理論弦長(zhǎng)示意圖

通過三維模擬分析可知，樅樹型圓弧槽在輪槽基準(zhǔn)線處的節(jié)距最大，同樣的型線在基準(zhǔn)線處節(jié)距為37.89 mm，左視圖進(jìn)汽邊節(jié)距為37.68 mm，右視圖出汽邊節(jié)距為37.76 mm，相鄰輪槽基準(zhǔn)平面交于一條直線。以上數(shù)據(jù)為輪槽加工完后的檢查提供了的理論依據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在鏜銑床和成型刀具組進(jìn)行工藝試驗(yàn)后，分析研究試驗(yàn)的過程和結(jié)果，從而提高樅樹型圓弧槽的加工能力。工藝試驗(yàn)所使用的試驗(yàn)轉(zhuǎn)子直徑為φ794.21 mm，輪盤寬度為90 mm。樅樹型圓弧槽加工過程中，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)控制相鄰輪槽夾角為6°，連續(xù)加工3個(gè)輪槽，結(jié)果如圖12所示。

圖12 樅樹型圓弧槽加工結(jié)果

樅樹型圓弧槽相鄰輪槽截面相交于一條水平直線，檢查3個(gè)輪槽順銑面承載面與非承載面粗糙度約為Ra1.6 μm，完全符合設(shè)計(jì)要求，逆銑面粗糙度較順銑面粗糙度略差，經(jīng)過分析，理論上逆銑面的確要差于順銑面，這是銑刀旋轉(zhuǎn)切削的結(jié)構(gòu)決定。檢查輪槽進(jìn)汽邊的節(jié)距與出汽邊的節(jié)距，與三維輪槽模擬結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了銑刀弧形走刀的準(zhǔn)確性。使用通規(guī)檢查輪槽順利通過，滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)床的剛度和刀具的使用時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)輪槽表面粗糙度有一定的影響，相同條件下，刀具使用過的時(shí)間越短，輪槽的表面越光滑。以上工藝試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該工藝方案的準(zhǔn)確性，為產(chǎn)品的可靠加工提供了重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)語

經(jīng)過本文的工藝方案加工后的轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通規(guī)順利通過，弦長(zhǎng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，輪槽走刀軌跡和設(shè)計(jì)值一致，滿足了設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了整鍛轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽的加工，過程中使用的銑削參數(shù)，如主軸轉(zhuǎn)速、走刀量是根據(jù)數(shù)控落地鏜銑床實(shí)際加工能力和轉(zhuǎn)子材料作出適當(dāng)調(diào)整得來，從而給產(chǎn)品加工提供了重要的參考依據(jù)，試驗(yàn)證明本文的加工工藝方案可行。為整體轉(zhuǎn)子樅樹型圓弧槽的加工提供便捷條件，減少了轉(zhuǎn)子加工時(shí)間，縮短了機(jī)組生產(chǎn)周期。