汽轮机叶片集成加工工艺研究与实践*

杨　莉，赵松涛，吴　伟

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳　618000；2.东方电机有限公司，四川 德阳　618000)



汽轮机叶片集成加工工艺研究与实践*

杨莉1，赵松涛1，吴伟2

(1.四川工程职业技术学院 机电工程系，四川 德阳618000；2.东方电机有限公司，四川 德阳618000)

摘要：叶片是汽轮机、航空发动机、鼓风机等设备的核心零部件之一，它的主要作用是将动能转换为机械能，叶片型面的设计和制造水平与汽轮机等设备的效率有紧密联系。同时，它也是机械制造中一种典型的难加工零件。针对汽轮机叶片的加工特点，为提高叶片加工质量和效率，用小法拉利五轴数控机床对动叶片进行集成加工，主要从集成加工工艺以及机床各轴精度对集成加工的影响进行分析和研究，得出了机床精度统一的重要性和集成加工的优势。

关键词：汽轮机叶片；数控加工；集成加工；工艺分析

0引言

叶片在汽轮机中承担着把蒸汽的热能转化为机械能的重要任务，是汽轮机中最重要的零部件之一[1]，传统的加工较难达到要求且效率低，如今的叶片制造企业已逐渐使用数控机床来加工复杂的叶片型面。有关面向叶片型面加工的数控技术也成为叶片现代制造技术的关键[2]。叶片一般所处的环境较恶劣，需要有较高的强度、抗腐蚀、抗疲劳和抗冲击能力[3]，因而叶片的质量要求很高。其次，叶片形状复杂，对其加工要求也越来越高，传统的加工方法存在效率低、劳动强度大等缺点。

目前，国外的一些先进企业，如日立、阿尔斯通等公司均已先后实现了集中工序加工[4]，叶片的加工质量更稳定，所需设备和人工更少、成本更低。国内企业一般采用多轴(3、4、5轴)加工中心代替传统加工方法。针对汽轮机叶片的加工工艺难点，如材料属难加工材料、切削加工时切削热和变形大、结构复杂、精度要求高等，本文主要对叶片集成加工工艺进行了探讨，并采用优于一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工自由曲面的小法拉利五轴加工中心进行了验证，从而为提高叶片加工质量提出了更有效的方法。

1叶片及加工分析

汽轮机叶片被美喻为汽轮机的心脏[5]，其曲面复杂，曲率与挠度的变化剧烈，总体结构也比较复杂，零件种类繁多。叶片的型面可分为直曲面和弯扭曲面。直曲面叶片从叶根到叶冠的型线为等截面，弯扭曲面由三维自由曲面组成，因此叶片的高精度标准使其加工技术和设备要求都非常高。

数控加工技术可以提高复杂型面产品的制造能力和效率[6]。在叶片制造企业中，广泛使用多轴数控加工中心，不仅提高了叶片的加工精度和加工质量、而且也缩短了生产周期。

数控机床具有加工精度高的优点，为缩短叶片在数控机床上的加工工时，现在通过改进工艺，使用普通机床进行去毛坯余量工序，尽量利用数控机床完成叶片型面的精加工工序。

2叶片的集成加工工艺分析

2.1工艺分析

叶片的数控加工流程包括叶片的建模过程和数控加工过程两部分，其中加工部分主要有叶根、叶冠、气道型面及其它型面，而叶片加工工艺难点主要存在三个方面：①毛坯锻造为模锻，常用的材料为不锈钢制造，如1Cr13、2Cr13等，其热硬性好、强度高、韧性大、加工易变形，加工难度大。②叶片的切削变形大，刀片易磨损。③叶片结构复杂，多为变截面扭曲叶片，加工精度和加工工艺要求高[7]。针对以上工艺难点，提出了集成加工工艺方案：下料—粗加工(铣削)—线切割—精加工(铣削)—锉削—抛光—清整—检查—探伤—测频。下面对传统加工和集成加工的工艺路线相比较，以分析集成加工工艺的特点。

2.2传统加工工艺分析

对于叶片型面的数控加工,传统的方法主要是用球头或鼓形铣刀在多轴数控机床上完成[8]。在传统的加工工艺中，一件叶片需要经过数十道工序加工。其加工特点是大量使用普通机床逐序进行加工。如表1所示为大多数动叶片的传统加工工艺路线。

表1　传统加工工艺路线

续表

在现今叶片加工的发展趋势下，产品要求生产周期大大缩短，这种传统的加工工艺已经严重制约了产品的生产周期和产品的质量。这些突出的缺陷表现在以下几个方面:

(1)物料转运周期长。因工序分散，物料在生产过程中,不停的从上工序(机床)转移到至下工序(机床)，从而导致物料转运周期加长。

(2)生产周期长。工序分散，校模次数增加，从而导致生产周期变长。

(3)质量的稳定性不能得到保证。操作工的技能差异、重复定位、装夹方式、各机床精度及差异、刀具的使用等等综合因素，使质量控制十分困难，同批次的不合格品率高。

(4)加工工艺可混序加工。工序分散带来的另一个问题就是可混序加工，会导致同序定位基准发生转移，从而影响其他工序的正常加工。

2.3集成加工工艺分析

表2　集成加工工艺路线

如表2所示是改进后的集成加工工艺路线，与传统工艺工序相比，叶片集成加工(对小法拉利设备上所加工的核电一、二级比较)基本上是将传统工艺中叶根的内径向面、背径向面、叶根两肩、进出气侧、叶根销孔，叶冠的内、背径向面、进出气侧，汽道型面集中到集成加工的粗精两道工序中完成。它的优势主要表现在以下几个方面：

(1)物料转运周期短，转运次数降低。

(2)生产周期大大缩短。

(3)工序集中，重复定位误差、装夹误差等得到有效的控制。

(4)加工精度、质量由高精度数控设备和数控程序来控制，减少人为因素干扰。

(5)操作工人劳动强度大大减轻。

(6)工序校模周期缩短。

以上分析表明，传统的加工工序步骤多、效率低，采用集成加工，使工序减少的同时能达到精度要求，不仅增加了加工过程的柔性和可控性，而且能缩短时间、提高效率，精加工过程充分利用五轴加工技术，避免了切削变形的发生。

3集成加工分析

集成加工主要是将传统机床的加工方法进行改进，以减少加工工序，且能实现零件的高精度和高效率的一种加工方法。加工过程中存在机床的非线性误差与机床各轴精度对集成加工的影响。以下针对这两种因素进行分析。

3.1机床的非线性误差分析

小法拉利机床是数控五坐标加工机床，即五轴数控机床。该机床刚性好、精度高，针对五轴加工中的非线性误差问题，国内外学者进行了深入研究[9]。机床旋转轴的运动是五轴加工中非线性误差的重要影响因素[10]。下面以双转台五坐标机床为例，分析非线性误差的理论模型。

机床运动坐标X、Y、Z的计算即是刀心C0经过工件转动后在机床坐标系O、XYZ中的位置。

(1)

式子中的A表示刀具相对于工件绕X轴逆时针转动A角，C表示刀具相对于工件绕Z轴逆时针转动C角。一般情况下，由于在CAM中工件坐标系能够较为方便地移动与设置，为减少参数设置及计算方便，将工件坐标系与机床加工坐标系设置为同一坐标系[11]，即d=0。

如图1所示，五坐标加工过程中，(pw0,uw0)与(pw1,uw1)为两个相邻刀位点数据，(X0,Y0,Z0,A0,B0,)与(X1,Y1,Z1,A1,B1,)是对应的两个刀位点机床各轴的运动坐标，且运动过程按线性插补进行。

图1　非线性误差示意图

当机床线性插补运动时，其合成运动使刀位点实际运动pw(t)偏离编程直线pwL(t)，两者间的最大偏移量εmax即可近似作为非线性误差的估计。

(2)

将ε(t)对参数t求导，设t=ts时，ε(t)具有最大值，则最大误差：

(3)

公式(3)可转化为：

(4)

由于系统采用非线性插补方式，则可得出下式：

(5)

由式(1)可推导出刀位点的实际运动轨迹pw(t)为：

(6)

把式(5)和式(6)带入式(4)，就可求得这一程序段内的非线性误差[12]。

相比双转台五坐标机床，小法拉利机床的各轴精度对集成加工也有一定的影响，通过在前置处理中根据工件形状,采用适合的刀具、走刀方式和刀轴控制方式等生成高质量的刀位文件,以控制非线性误差的产生，在后置处理中分析刀位文件,根据机床的结构特点进行误差的检测和校验,对刀位点采取自适应加密的方式，从而达到减小非线性误差的目的。

3.2机床各轴精度对集成加工的影响

(1)机床X轴与工件X1轴

如图2所示，主轴沿着机床的X向导轨所运行的那条线即为机床的X轴，而工件的A轴的旋转中心点与尾座的顶针的中心所连的线即为工件的X1轴。

图2　机床X轴与X1轴示意图

从理论上和实践中都证实到这两个轴是必须要平行的。否则会产生图3和图4的两种情况。第一，不满足XZ平面条件时，如图3所示，所要加工的物料两相对平面的平行度或角度无法合格,其中线1、2代表加工平面在A轴为0°和180°的关系；第二，不满足XY平面条件时，就会产生如图4所示的效果，图3中线1、2表示在标准加工好的情况下，图4中线3、4表示为A轴旋转90°加工时会产生的错误效果。

图3　A轴误差分析

图4　A轴旋转加工误差分析

(2)机床Y轴的零点对集成加工的影响

Y轴零点，即为主轴中心线与X1轴重合时即为Y轴的零点。

如图5所示，如果Y轴零点有误差时，加工物料会造成A轴为0和180时产生错位现象，理论上分析会产生双倍尺寸的误差效果。

图5　Y轴误差分析

(3)机床Z轴的零点对集成加工的影响

Z轴零点就是机床所设定的参考零点(小法拉利为主轴端面)与X1轴重合时就为Z轴的零点。它的主要影响为：在用正确刀具参数和程序时，无法加工出正确的尺寸。

(4)机床C轴的零点对集成加工的影响

C轴零点就是主轴的轴心线与X轴垂直时即为C轴的零点。它的主要影响为：在刀具沿着X方向铣平面时会造成内凹面；如沿Y向铣平面时会造成所铣平面呈倾斜的状态。

(5)机床B轴对集成加工的影响

B轴为零时需注意：第一，使其A轴中心线与X轴平行，否则在用不同的工装时会造成X轴与X1轴的不平行，如图6所示；第二，A轴轴心线要与尾座顶尖中心重合。

图6　B轴误差分析

通过提高和控制机床各轴精度可以减少对集成加工的影响。

实际加工中，集成加工定位基准的选择只需做到装夹不憋劲，有余量就可以。其次，集成加工是全加工，测量基准由加工人员现场测量，而编程基准与物料基准应做到集成加工的加工基准(机床的X1轴)与编程建模的X轴重合。在生产控制中，集成加工工序减少，使物料的运转周期缩短，而工序集中优势，缩短了生产周期。

4结束语

本文针对汽轮机叶片的集成加工工艺进行了分析，在综合比较了传统加工与集成加工工艺路线的基础上，阐述了集成加工的优势。其次，对加工中机床的非线性误差和机床各轴精度对集成加工的影响进行了分析。研究表明，叶片的加工需要选择合理的加工工艺基准、工艺流程、加工方法，做好对机床的精度统一，对提高生产准备(校模)效率，保证产品质量有着重要的作用。将集成加工应用于生产实际，实现了叶片加工的高精度和高效率，是目前一种有效的加工方法。

[参考文献]

[1] 谢永慧,刘象拯,张荻.汽轮机叶片三维参数化特征造型研究[J].汽轮机技术, 2005,47(1):52-54.

[2] 章泳健,潘毅,孟涛.汽轮机叶片数控加工中CAD 技术的应用[J].机械设计与制造工程,2000,29(4):44-45.

[3] 韩庆瑶,朱长月,乐英.汽轮机叶片的参数化造型及数控编程研究[J].机械设计与制造2010(2):183-185.

[4] 甘娜,李启山,钟成明,等.汽轮机动叶片集中工序加工工艺研究[J]. 现代制造工程,2014(6):76-80.

[5] 陈光明.基于并联机床的汽轮机叶片数控加工技术研究[J].机床与液压,2010,38(11):26-30.

[6] 刘书华.数控机床与编程[M].北京:机械工业出版社,2001.

[7] 陈光明,张旭阳.汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术研究[J].制造业自动化,2011,33 (9):93-98.

[8] 于源,贠敏,王小椿.汽轮机叶片五轴数控加工的一种实用方法[J].小型微型计算机系统,2002,23(10):1278-1280.

[9] W Anotaipaiboon,S S Makhanov.Mininization of the kineamtics error for five-axis machining[J].Computer Aided Design, 2011,43(12):1740-1757．

[10] 赵延国,赵吉宾,邹强,等.参数曲面五轴加工轨迹优化方法[J].组合机床与自动化加工技术,2014(12):1-4.

[11] 何永红,齐乐华,赵宝林.双转台五轴数控机床后置处理算法研究[J].制造技术与机床,2006(1):9-12.

[12] 杨伟平.五轴数控加工中非线性误差研究及控制[D].杭州:浙江大学,2010.

(编辑赵蓉)本刊欢迎订阅!

欢迎在线投稿!

欢迎刊登广告!

http:∥www.zhjcz.com.cn

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

中图分类号：TH162；TG506

文献标识码：A

作者简介：杨莉(1982—)，女，四川德阳人，四川工程职业技术学院讲师，工学学士，研究方向为机械设计与制造，(E-mail) 303967178@qq.com。

*基金项目：四川省重点项目：重大水电设备构件系统研究与平台开发(2008GZ0149)

收稿日期：2015-07-19；修回日期：2015-09-06

文章编号：1001-2265(2016)02-0134-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.02.038