1092 mm 葉片加工工藝研究

甘 娜 李啟山 鐘成明 王龍清 李啟元

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

葉片是汽輪機(jī)最精細(xì)、最重要、加工難度最大的零件之一，其末級(jí)動(dòng)葉片作用是將蒸汽的動(dòng)能和部分熱能在環(huán)形葉柵汽道內(nèi)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子上的機(jī)械能，其運(yùn)行狀況對機(jī)組的安全和可靠性起決定性的影響。

1092 mm 動(dòng)葉片是某超超臨界機(jī)組所用的末級(jí)動(dòng)葉片，該級(jí)別葉片的材料采用有先進(jìn)材料特性的末級(jí)葉片材料，該類材料具有耐高溫、抗蠕變、抗疲勞、高強(qiáng)度、耐腐蝕、抗氧化、膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，加上該動(dòng)葉片工況的特殊性，對切削加工工藝要求非常嚴(yán)格，極大地增加了加工的難度［1］。如果該動(dòng)葉片加工質(zhì)量不好，將會(huì)破壞整圈連接結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械阻尼，增大動(dòng)應(yīng)力，從而影響機(jī)組的功率，而傳統(tǒng)的工藝方法和手段無法滿足該型葉片的加工要求［2］。

本文在對1092 mm 動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代制造工藝手段，結(jié)合先進(jìn)的工藝裝備，制定了切實(shí)可行的加工工藝流程，并對加工的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行論述，解決了該類復(fù)雜葉片制造中的技術(shù)難題，經(jīng)實(shí)踐證明方案切實(shí)可行，對同類高精度復(fù)雜零件加工有很好的借鑒意義。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1092 mm 動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1092 mm 動(dòng)葉片的葉根為八叉叉形葉根，連接件結(jié)構(gòu)采用具有較大阻尼的自帶圍帶結(jié)構(gòu)型式。該級(jí)別葉片總長1315.59 mm，其中汽道部分長1092.2 mm，整個(gè)汽道型面中弦寬最寬處為281.6 mm，弦寬最窄處為174.4 mm，這樣使得葉片型面較寬并且薄而長，剛性差，非常容易變形。該級(jí)別葉片的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，葉根部分的過渡變半徑圓角、凸臺(tái)、葉冠圍帶裝配面帶徑向角度的型線，這些是造型以及加工中的難點(diǎn)。由于葉冠圍帶以及凸臺(tái)部分都要參與裝配，裝配要求很高，所以要求葉根、凸臺(tái)、葉冠的一致性很高，這樣一來，加工難度更大。

2 加工工藝流程設(shè)計(jì)

加工工藝流程是直接影響加工產(chǎn)品質(zhì)量的核心要素，對于批量化生產(chǎn)的工件而言，工藝流程的好壞更是成敗的關(guān)鍵，只有好的工藝流程才能加工出好的產(chǎn)品。1092 mm 動(dòng)葉片作為超超臨界百萬機(jī)組的末級(jí)葉片，具有末級(jí)葉片的一切特性，其毛坯材料選用最新型的末級(jí)葉片的專用材料，其硬度、強(qiáng)度、韌性相比之前同類型葉片材料提高了60%左右，導(dǎo)致了機(jī)械加工難度大，給葉根型線到汽道各部分的加工所采用的刀具、加工方法均帶來巨大的難題。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該葉片還需進(jìn)行噴丸和進(jìn)汽邊等離子淬火防水蝕處理措施，這樣也會(huì)導(dǎo)致葉片的變形。該葉片優(yōu)良的材質(zhì)、過長的汽道、特殊的結(jié)構(gòu)等都是加工的難點(diǎn)，必須有好的工藝流程才能達(dá)到技術(shù)要求。通過對之前類似葉片加工的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以及本級(jí)別葉片的特性分析，選擇合適的葉片毛坯方案，制定合理的工藝流程，選擇、設(shè)計(jì)合理的工裝，從而達(dá)到了成功加工該葉片的目標(biāo)，并通過批量加工驗(yàn)證了此流程的可用性［3］。

2.1 毛坯的選擇

葉片毛坯類型的選擇直接影響葉片的加工質(zhì)量和制造成本。汽道長度大于300 mm 的葉片毛坯通常采用模鍛或精鍛。綜合葉片加工、毛坯制造能力及葉片批量等因素，1092 mm 動(dòng)葉片選用模鍛毛坯。該毛坯有3 個(gè)頂針孔，在葉根端面有2 個(gè)，葉冠端面1 個(gè)，用三頂針檢查毛坯余量。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

2.2.1 澆方箱

毛坯來料后，以三頂針作為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)專用頂針孔夾具來澆方箱，并且通過型線密封樣板來控制葉片長度方向的位置。三頂針定位澆注方箱的方式，在之前的其他產(chǎn)品中已經(jīng)運(yùn)用，已證明這種方式可以作為可靠的定位基準(zhǔn)來加工。

2.2.2 加工定位基準(zhǔn)

以方箱為定位基準(zhǔn)，將葉根進(jìn)、出汽側(cè)精銑到位，再加工葉冠工藝頭。拆除方箱后，精加工葉根內(nèi)徑向面，然后將葉根兩肩按尺寸精銑到位。至此，后工序所需的加工基準(zhǔn)已全部加工完成。

2.2.3 粗、精銑汽道、凸臺(tái)、葉冠型線

該級(jí)葉片汽道長且薄，彎扭變化較大，加工中會(huì)發(fā)生變形的情況。為盡量避免變形，將粗、精加工程序分開，先在5 坐標(biāo)機(jī)床上粗加工，型面部分留余量2.5 mm。由于葉冠是最易發(fā)生變形的位置，所以在葉冠處留余量3.5 mm。粗加工后從機(jī)床上卸料，靜置釋放應(yīng)力，再校形，消除粗加工導(dǎo)致的變形問題。然后再上5 坐標(biāo)機(jī)床精銑汽道、凸臺(tái)、葉冠型線，通過三坐標(biāo)檢測機(jī)以及綜合量具的檢測，達(dá)到產(chǎn)品圖樣的要求。

2.2.4 精加工葉根型線、葉冠端面以及葉根凹槽、背徑向面等部位，鉆葉根銷孔

該動(dòng)葉葉根為八叉叉形葉根，在此工序中改進(jìn)了葉根成型銑刀，換成鑲刀片式成型刀。

2.2.5 噴丸、等離子淬火葉片噴丸，等離子淬火，防水蝕措施采用焊司太立合金片，焊接位置在進(jìn)汽邊處。

2.2.6 校形

葉片等離子淬火后需測量葉片變形情況，并最終進(jìn)行校形處理。

通過以上的工藝流程，不難看出，加工工藝主要采用了粗、精加工分開，粗加工后釋放應(yīng)力、校形，然后再精加工的模式，并通過工序中的多次校形，最大程度地避免加工過程導(dǎo)致的葉片變形，保證葉根、型面、凸臺(tái)、葉冠的一致性以達(dá)到裝配要求。

3 加工技術(shù)難點(diǎn)

3.1 造型

3.1.1 葉根的造型

該葉片葉根部分造型是一大難點(diǎn)。此葉根與型面的過渡圓角為變徑圓角，該圓角結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用普通的等徑圓角構(gòu)造方法無法繪制出符合圖樣要求的圓角。下面就Cimatron E 軟件葉根圓角部分的造型進(jìn)行簡單介紹。

首先在各截面位置上根據(jù)各段圓弧Ra的圓心高度建立相應(yīng)的位置線，再將此位置線連成曲面，然后將此曲面向下平移對應(yīng)半徑值。在平移后的曲面上作出與汽道背弧之間的Rb以及Ra的曲面圓角，而最困難的是汽道進(jìn)、出汽側(cè)部分的圓角。在Cimatron E 軟件中建曲面有一個(gè)特殊的功能:線-面圓角，在進(jìn)、出汽邊圓角部分的造型中，使用了此功能，再通過裁剪、組合、混合等功能，最終作出符合產(chǎn)品圖樣以及加工要求的葉根圓角［4］。

3.1.2 凸臺(tái)和葉冠部分的造型

凸臺(tái)部分造型時(shí)首先做出凸臺(tái)頂面，再將其生成至汽道的柱面。凸臺(tái)部分的難點(diǎn)在于凸臺(tái)與汽道之間的過渡，為保證兩者之間過渡的圓滑性，我們將倒圓角做到從凸臺(tái)頂面邊緣部分開始，保證了光滑過渡，如圖2a 所示。

葉冠部分其內(nèi)徑向裝配面處有徑向角度，導(dǎo)致在造型時(shí)不能直接用拉伸的方式，我們采用的方式是首先直接拉伸出無徑向角度的面，再按照徑向角度做輔助面，在輔助面上作切除實(shí)體，最終做出符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的造型，如圖2b 所示。

3.2 葉片的材料

該葉片材料是一種先進(jìn)的末級(jí)葉片材料，也是一種高強(qiáng)度等級(jí)的材料，相對以前的動(dòng)葉片材料來說，其材料的硬度更硬，具有粘性，韌性更強(qiáng)。此材料為筆者公司首次加工，從葉根型線到汽道各部分的切削所采用的刀具、加工方法均帶來巨大的難題。在刀具選擇上，不能采用常規(guī)的刀具，必須根據(jù)此級(jí)葉片的材料情況來專門設(shè)計(jì)。如鉆葉根銷孔時(shí)，對鉆頭的材料、切削刃的各種角度參數(shù)做了新的調(diào)整，選擇了一種最適合加工這種材料的技術(shù)參數(shù)。在其他部位加工時(shí)，我們采用了減低切削速、減小每齒進(jìn)給量的方式，盡量避免加工過程中的打刀，同時(shí)盡量減小加工變形。

3.3 葉根型線的加工

該葉根為8 叉叉形葉根，由于叉數(shù)增多，增大了切削面積，導(dǎo)致加工時(shí)所需切削力很大。對于叉形葉根的加工，常規(guī)方式是采用高速鋼成型銑刀。在加工1092 mm葉片時(shí)，根據(jù)葉片材料以及切削面積增大的情況，在銑刀的材質(zhì)選擇上有了變化，使用了硬質(zhì)合金刀片式成型銑刀，如圖3 所示。當(dāng)?shù)毒卟捎糜操|(zhì)合金時(shí)，其切削速度比用高速鋼提高兩倍以上，切削加工出的工件表面質(zhì)量和尺寸精度也大大提高。鑲片式刀具磨損后更換刀片即可，刀體可重復(fù)使用，避免了刀具的重磨時(shí)間，降低刀具成本，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了加工效率。對刀片進(jìn)行表面涂層，可以把基體材料的高強(qiáng)度和韌性等特點(diǎn)，與表層的高硬度和耐磨性結(jié)合起來，從而使其具有更好的切削性能，提高刀具使用壽命，使加工的產(chǎn)品表面質(zhì)量較好，加工效率較高，加工穩(wěn)定性較強(qiáng)。

3.4 汽道、凸臺(tái)以及葉冠型線的加工

為了最大限度地減小加工變形，型面部分采用粗、精加工分開的方式，粗銑后靜置消除應(yīng)力，校形，再上5 坐標(biāo)機(jī)床精加工。由于該葉片精度要求高，凸臺(tái)、葉冠部分的裝配要求也很高，所以加工時(shí)必須選用高性能機(jī)床，并且一次性加工汽道及葉冠。加工時(shí)葉根傳動(dòng)盤上安裝定位框架，葉根內(nèi)徑向面和兩肩作為定位基準(zhǔn)，裝夾后用塞尺檢測葉根內(nèi)徑向面是否完全貼合，而葉冠四爪卡盤夾緊葉冠工藝頭，只做輔助支撐，不參與定位，這樣使定位基準(zhǔn)與裝配時(shí)的基準(zhǔn)一致，避免了由于操作者的人為原因以及前工序的誤差導(dǎo)致的錯(cuò)位。

在軟件選擇上，近年來，國外的一些通用商業(yè)CAD/CAM 軟件除具有普通五軸數(shù)控編程功能外，還將葉片類零件的多軸數(shù)控編程視為系統(tǒng)中比較重要的應(yīng)用模塊，開發(fā)出葉片專用加工策略。與Cimatron E等通用型軟件相比［5］，專用軟件有針對葉片不同部位加工的專門策略，加工方式合理，效率較高，代表了國際葉片加工行業(yè)的先進(jìn)理念以及發(fā)展方向，很適合這種復(fù)雜型面的加工。下面介紹如何應(yīng)用葉片專用加工軟件在兩種不同類型五軸機(jī)床上實(shí)現(xiàn)對1092 mm 動(dòng)葉片的加工。

3.4.1 C.B.Ferrari 機(jī)床加工

C.B.Ferrari 機(jī)床產(chǎn)自意大利，是世界先進(jìn)的五坐標(biāo)加工機(jī)床之一，其CAM 部分使用配套的專用葉片編程軟件TS80，這種軟件針對葉片不同部位有專門的加工策略。

葉身部分的加工采用專用加工卡片CO -PLANAR FOR BLADES 編制，螺旋進(jìn)給加工，5 軸銑削，由于1092 mm 葉片的材料硬度高，韌性強(qiáng)，較難加工，經(jīng)過對比試驗(yàn)，最終選定使用φ16 mm 的整體硬質(zhì)合金刀頭式球頭刀加工，該刀具采用小步距，大切深的方式，保證了加工質(zhì)量。

葉根、葉冠與汽道的相貫面加工采用軟件的專用加工卡片編制，刀具均選用球頭刀，采用4 軸銑削模式，刀具主軸偏擺一個(gè)固定角度，以球頭刀端點(diǎn)接觸銑削加工，避免主軸與夾具干涉。

凸臺(tái)部分采用軟件的凸臺(tái)專用加工卡片編制，半精加工使用φ20 mm 的鑲刀片球頭刀，加工時(shí)采用4軸方式，既保證余量均勻，又提高加工效率，生成的刀路軌跡如下圖所示;精加工時(shí)使用φ16 mm 的整體硬質(zhì)合金球頭刀，采用螺旋銑削的方式，一層層均勻銑削，每刀的切削余量均勻，保證加工的表面質(zhì)量，其刀路軌跡如圖4 所示。

對于凸臺(tái)部分的汽道型面加工，TS80 軟件也有其專用的加工策略卡片。汽道按照凸臺(tái)中心分成左右兩部分，加工運(yùn)算時(shí)自動(dòng)避讓凸臺(tái)，避免刀具干涉，如圖5 所示。

3.4.2 Liechti 機(jī)床加工

Liechti 機(jī)床產(chǎn)自瑞士，也是世界知名的五坐標(biāo)加工機(jī)床之一，其CAM 部分使用專用葉片編程軟件Turbosoft+。根據(jù)此機(jī)床剛性好的特性，我們選用了與C.B.Ferrari 機(jī)床完全不同的刀具方案。

葉片造型完成后，將曲面轉(zhuǎn)換成IGS 格式讀入軟件。汽道部分的半精加工，使用鑲方刀片的φ32 mm玉米銑刀，這種刀具不僅端面，而且側(cè)刃也可參與加工。對于相貫面等部位，可利用側(cè)刃去掉部分余量，效率更高。最后精加工使用φ28 mm 的鑲圓刀片的牛鼻銑刀，保證表面加工精度，提高加工效率。

針對葉根圓角部分的加工，由于造型使用的軟件是Cimatron E，設(shè)計(jì)好的曲面轉(zhuǎn)化為IGS 格式的文件讀入軟件，而葉根處復(fù)雜的變徑圓角造型導(dǎo)致最后讀入的曲面發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，曲面之間的相切關(guān)系已發(fā)生改變。所以使用軟件編制程序時(shí)葉根圓角部分不能夠直接將曲面按IGS 格式讀入，只有在Cimatron E 中將葉根部分首先按截面位置處理成點(diǎn)云，最終以文本文檔格式讀入點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后生成圓角曲面［6］。

葉根圓角生成后，針對這個(gè)部位的加工，軟件也有兩個(gè)專門的解決策略:

(1)Blade spiralmilling between one limit and one u-position;

(2)Fillet spiralmilling between one limit and one u-position.

我們選擇了第二種策略，控制一個(gè)限制面以及汽道的軸向位置，并使刀具主軸偏轉(zhuǎn)一定角度，避免干涉，選用φ25 mm 的鑲刀片球頭刀進(jìn)行了該部位的加工。

凸臺(tái)部分加工采用了軟件的兩種專用凸臺(tái)加工策略:STL 5 axis level 和STL 5 axis floor。這兩種策略就凸臺(tái)部分以及凸臺(tái)處的汽道部分分別進(jìn)行了定義，第一種針對凸臺(tái)，第二種針對凸臺(tái)處的汽道。粗、精加工均采用同樣的策略，通過調(diào)整刀具每齒進(jìn)給量、步距等參數(shù)來進(jìn)行。由于凸臺(tái)與汽道之間的過渡圓角為R11.2 mm，則選用了φ20 mm 的硬質(zhì)合金鑲片球頭刀。該刀具的刀片設(shè)計(jì)了相應(yīng)的螺旋角，可進(jìn)行較大余量的切削。磨損后更換刀片，而刀體可以重復(fù)使用，盡量減少了由于刀具磨損對產(chǎn)品精度的影響，保證產(chǎn)品尺寸。凸臺(tái)處的加工在此軟件中分成了幾個(gè)不同的部位分別加工。首先凸臺(tái)的柱體部分采用層切式加工，保證每刀均勻切削，刀軸偏轉(zhuǎn)角度自動(dòng)計(jì)算，避免干涉。此刀路只加工凸臺(tái)柱體部分，凸臺(tái)頂面作為另外的面單獨(dú)加工。針對凸臺(tái)處的汽道，按內(nèi)、背弧以及進(jìn)、出汽側(cè)分別加工。汽道處螺旋加工，加工時(shí)刀具自動(dòng)計(jì)算偏轉(zhuǎn)角度，避免和凸臺(tái)之間的干涉。另外，進(jìn)、出汽邊也單獨(dú)加工，如圖6 所示。

葉冠型線的加工:首先建立輔助面，將葉冠連成完整的整圈面，用φ32 mm 的玉米銑刀將葉冠型面整圈粗銑，均勻留余量。對于圍帶裝配面的“V”型處，由于余量較大，所以單獨(dú)將φ32 mm 銑刀傾斜相應(yīng)角度，并利用側(cè)刃去掉多余的余量，最后再使用球頭刀將每個(gè)面單獨(dú)精銑。

綜上所述，針對兩種不同類型的5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，需采取不同的加工方式及刀具策略。由于上述兩種機(jī)床都有對應(yīng)的專用葉片編程軟件，導(dǎo)致針對不同部位的加工方案會(huì)有不同。而兩種機(jī)床在結(jié)構(gòu)上也有不同，第一種機(jī)床采用的是蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，另一種采用的是力矩電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，并且后者的機(jī)床剛性更好，這樣一來我們在配置刀具時(shí)就會(huì)根據(jù)具體情況最終有了不同的方案。

4 結(jié)語

1092 mm 葉片是目前火電機(jī)組中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的葉片之一，幾乎集合了葉片的所有難點(diǎn)。要制造高質(zhì)量的該類產(chǎn)品，必須制定科學(xué)合理的工藝方案，并合理應(yīng)用葉片專用加工軟件，正確設(shè)計(jì)和選用現(xiàn)代工藝裝備和五軸聯(lián)動(dòng)加工設(shè)備。我們通過精心的組織與設(shè)計(jì)工藝、工裝和加工程序，及時(shí)的現(xiàn)場跟蹤及服務(wù)，加工出的產(chǎn)品完全能滿足產(chǎn)品圖樣的要求，目前已成功裝配了兩根轉(zhuǎn)子。通過對該級(jí)別葉片的加工工藝方案的研究，掌握了此類型葉片的加工技術(shù)，對同類型零件制造有重要參考價(jià)值。

［1］陳洪濤，黃遂，傅攀，等.切削條件對超臨界材料加工影響規(guī)律研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(6):86 -89.

［2］田欣利，佘安英，林允森，等.葉片多軸數(shù)控加工方法與關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(6):124 -127.

［3］周濟(jì)，周驗(yàn)紅.數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［4］思美創(chuàng)(北京)科技有限公司.Cimatron E 中文培訓(xùn)手冊CAD 篇［M］.北京:思美創(chuàng)(北京)科技有限公司，2012.

［5］思美創(chuàng)(北京)科技有限公司.Cimatron E 中文培訓(xùn)手冊CAM 篇［M］.北京:思美創(chuàng)(北京)科技有限公司，2012.

［6］胡育輝.數(shù)控機(jī)床編程技術(shù)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2006.