細長型可轉(zhuǎn)靜葉制造研究

邱興林， 鄒 斌

(東方汽輪機有限公司， 四川德陽 618000)

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設(shè)計與制造

細長型可轉(zhuǎn)靜葉制造研究

邱興林， 鄒 斌

(東方汽輪機有限公司， 四川德陽 618000)

通過對某模化可轉(zhuǎn)葉片采用材料力學(xué)的變形理論及穩(wěn)定性理論進行受力分析，從而論證了加工制造的可行性。研究了可轉(zhuǎn)葉片的加工過程及加工工藝，從而嚴(yán)控了其變形并保證了氣道型面的精度。

汽輪機； 葉片制造； 車銑復(fù)合； 變形控制； 精度

可轉(zhuǎn)靜葉葉身薄而寬，葉柄細而長。從機械加工的角度來看，要達到其要求的參數(shù)指標(biāo)難度很大。機械制造應(yīng)分析材料自身的變形、加工過程的變形，并且要選擇合理的機械加工工藝方案和最優(yōu)化的切削參數(shù)。在新一代燃氣輪機的研發(fā)過程中，正是這種可轉(zhuǎn)靜葉的制造成為了其研發(fā)進程的瓶頸。攻克該葉片的制造，原型機制造的難題將會迎刃而解。筆者對可轉(zhuǎn)靜葉的加工制造過程，進行材料的變形分析、零件的穩(wěn)定性分析，以及機械加工方案的選擇、孔及型線等特征加工時刀具和切削參數(shù)的選擇進行論述，并對遇到的問題提出應(yīng)對辦法。

1 可轉(zhuǎn)靜葉簡介

該葉片總長約300 mm，屬于小型葉片。葉身型面是扭曲變截面曲面，氣道長度占葉片總長的30%，整個氣道型面中弦長最寬處約為總汽道長度的一半，此處截面的最大厚度不足5 mm，弦長最窄處為40 mm，出氣邊最小的厚度為0.41 mm，型線輪廓度誤差±0.02 mm，進氣角的輪廓度要求0.02 mm，型線位置度要求型線中心的偏差在直徑為0.05 mm的圓內(nèi)，葉片翹曲每12 mm小于0.02 mm。這樣葉片型面較薄，從而易變形，其成品外形見圖1，其中定位孔在裝配中找正有重要作用。

圖1 葉片成品外形圖

2 加工工藝方案

葉片來料屬于圓棒料，其毛坯尺寸為直徑d×長度L=67 mm×430 mm，材料檢驗組別為690(σ0.02)-IIICf，根據(jù)材料手冊查得，該材料屬于耐熱不銹鋼，彈性模量E=216 GPa，適用于制作高溫段工作的葉片。

由上述數(shù)據(jù)可以得出，該棒料的長度直徑比i=L/d=430/67=6.42>6，根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)知識得知，該棒料屬于細長型棒料。故先需要對其進行力學(xué)性能分析。

2.1 毛坯的變形分析

在來料沒有施加除自重以外的其他荷載時，它的受力變形等效圖見圖2，其所示力學(xué)模型利用撓曲線方程[1]進行計算。

圖2 棒料變形受力分析圖

(1) 根據(jù)來料的屬性計算均布荷載q。

其中：G為棒料所受重力，N；q為棒料的均布荷載，N/m；ρ為材料相對密度，kg/m3；g為重力加速度，一般為9.8 m/s2；V為棒料的體積，m3；A為棒料的橫截面積，m2。

(2)根據(jù)撓曲線方程EIω″=M(x)求出[2]變形量ω。

①F1=F2=G/2=57.92 N

②I=πd4/64=9.89×10-7m

其中：F1,F2為支座反力，N；I為棒料的慣性截面矩，m4。

(1)

兩邊同時積分可得：

(2)

(3)

式中：E為彈性模量，GPa；C1，C2為積分常數(shù)；ω為變形量，m；ω′為ω的一階導(dǎo)數(shù)。ω″ 為ω的二階導(dǎo)數(shù)。

根據(jù)邊界條件：

當(dāng)x=0時，ω=0，可得C2= 0；當(dāng)x=L時，ω=0，可得C1=-qL3/24；

故原撓曲線方程可整理為：

(4)

當(dāng)x=L/2時，ω取得最大值ωmax，代入可計算得出：ωmax=-5.613×10-7m。

由上述分析可知，來料的棒料變形量很小，可以繼續(xù)加工。

2.2 毛坯的穩(wěn)定性分析

根據(jù)實際加工情況，會采取兩端夾緊的方式進行。對其失穩(wěn)的分析可以等效為兩端固定的壓桿臨界力[3-4]的計算，其力學(xué)模型見圖3。

圖3 棒料的壓桿臨界力受力圖

根據(jù)壓桿臨界力[5]的影響因素：(1)桿的材料屬性；(2)桿的橫截面積；(3)桿的長度；(4)桿的支承方式，以及材料力學(xué)關(guān)于壓桿臨界力的理論知識可知：

4.56×104kN

其中：Fcr為桿的臨界壓力，kN；μ為桿的支承系數(shù)，兩端固定取μ=0.5。

由上述分析可知，來料的棒料不容易失穩(wěn)，具有加工制造的可行性。

2.3 工藝方案分析

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合分廠現(xiàn)有的設(shè)備條件，采用車銑復(fù)合加工中心集成加工。由于該產(chǎn)品屬于細長型零件，故在精車柄部和精銑氣道型線時，用托盤將葉片托住，減少變形量。實踐中該產(chǎn)品主要的工藝流程有：預(yù)粗加工→粗加工→半精車各部及粗型線→精車各部→精銑各部。

預(yù)粗加工工序盡可能多地去余量，為精加工作準(zhǔn)備，較均勻地留量，預(yù)粗加工后的形狀見圖4。粗車加工單側(cè)留2 mm余量，氣道型線銑成對稱方形，保證精車時旋轉(zhuǎn)的動平衡。

圖4 粗加工圖

粗加工工序主要是氣道型面粗加工，法向均勻留量1 mm；粗車各部尺寸留量1.5 mm。此工序采用雙驅(qū)機床兩端方形工藝頭定位夾緊。兩端裝夾方式見圖5，兩端方工藝頭銑成相同尺寸，并設(shè)計專用傳動裝置方便加工。

圖5 葉片端部的裝夾方式

半精車各部及粗銑型線工序仍然在雙驅(qū)機床上用相同的傳動裝置進行，半精車圓柄各部留量0.3 mm，氣道型線單側(cè)放量0.2 mm。

隨著物料從毛坯逐漸加工成成品，物料的剛性開始變差，變形也越大，故在精加工工序需要采取特別的工藝手段。精車各部工序?qū)⒛苘囅鞯牟课煌瓿删?，精銑各部工序則是將能銑削的部位完成精銑。不同的是，精加工工序在柄部增加使用托盤，以減少變形量。精加工用的支承見圖6，在右端的柄部增加使用了中心架，增加了產(chǎn)品的支承點，以減少加工變形量。

圖6 葉片加工的中心架支承

上述加工方案經(jīng)vericut系統(tǒng)仿真[6]后無過切、無碰撞，具備實物加工條件。氣道部分仿真效果見圖7，根據(jù)產(chǎn)品圖的表面質(zhì)量要求選擇合理的銑削方式。

圖7 加工策略虛擬仿真(氣道部分)

通過以上加工方案，解決了產(chǎn)品剛性差、加工過程易變形的難題，車銑復(fù)合中心的加工能力也得到了證實。

3 加工難點

3.1 孔的加工

圖8 孔的位置度及直徑產(chǎn)品圖

d=6 mm的孔先直徑放量0.15 mm銑削加工，再采用鉸刀鉸孔，鉸刀需根據(jù)機床的定位精度進行修磨。本產(chǎn)品這樣的孔不多，數(shù)十只葉片只需一把刀就能完成。鉸刀的修磨見圖9，修磨需要一定技能的工人師傅來完成。

圖9 鉸刀的修磨

位置度測量可以在機床上用杠桿表，也可以用三坐標(biāo)儀。最后得出兩種檢測結(jié)果基本一致，誤差可以控制在0.01 mm以內(nèi)，見圖10。

圖10 機床檢測與三坐標(biāo)檢測對比

其中機床檢測結(jié)果=數(shù)顯-銷半徑。三坐標(biāo)中的X向代表水平徑向方向，Z向代表產(chǎn)品的長度方向，Y向代表豎直徑向方向。

直徑的檢測采用內(nèi)徑千分表或通規(guī)，見圖11。內(nèi)徑千分表和通規(guī)檢測均屬于相對測量，加工的實物經(jīng)檢測，符合要求。

圖11 孔直徑的兩種檢測方式

3.2 外環(huán)密封槽粗糙度的控制

密封槽粗糙度產(chǎn)品圖見圖12。由于切槽時滿吃刀，密封槽的粗糙度難保證，減少進給量至0.05 mm，切出的密封槽基本可以滿足要求。個別葉片如達不到要求，采用尼龍帶拋光，效果對比圖見圖13。

圖12 密封槽粗糙度產(chǎn)品圖

圖13 密封槽效果對比圖

3.3 葉型外端過渡處尺寸及角度的測量

葉型外端過渡處的產(chǎn)品圖見圖14。對于過渡處尺寸及要求的公差帶，用標(biāo)準(zhǔn)量具根本無法準(zhǔn)確測量，工藝部門最后決定過渡處的尺寸設(shè)計專用樣板，通過比較其漏光來檢測，既控制了公差，又保證了產(chǎn)品的一致性。

圖14 過渡處的產(chǎn)品圖

3.4 型面的控制

型線輪廓度誤差為(-0.03～+0.05) mm，由于物料袖珍，拋光余量可適當(dāng)少，于是機加工時控制在(-0.01～+0.06) mm以內(nèi)，型線最大厚度誤差控制在(0.0～0.1) mm以內(nèi)。

型面加工時精型面選擇刀具D4R2，相冠面D6R3；主軸偏轉(zhuǎn)角度均為10°；主軸轉(zhuǎn)速分別S6000，S3600；進給速度均為F1200；型面銜接過渡部分≤0.01 mm；型面檢測全部用三坐標(biāo)儀檢測。

型面加工計算刀軌[7]及加工后的氣道型面效果見圖15。經(jīng)反復(fù)測試，型面最大厚度與三坐標(biāo)檢測結(jié)果一致。

圖15 氣道部分計算刀路及實物型線效果

4 結(jié)語

該葉片屬于細長型葉片，加工時變形大，故在半精型線后，需梳理加工位置及步驟，將其余各部精加工完再精加工型線，以減少變形引起型線接刀錯位。

對于精度高、要求高的產(chǎn)品按雙工藝頭裝夾集成加工，且要求工藝頭一次加工成型；對于型面要求高的產(chǎn)品，優(yōu)先采用球頭刀高轉(zhuǎn)速、小余量切削效果會更好。在型面最大厚度的加工中預(yù)先仿真，經(jīng)仿真測試后加工出實物，與三坐標(biāo)檢測結(jié)果一致。此法如條件允許可推廣用于火電、核電葉片。

[1] 錢濟成, 徐道遠, 劉麗麗, 等. 材料力學(xué)[M]. 南京: 河海大學(xué)出版社, 1993.

[2] 范欽珊, 王波, 殷雅俊. 材料力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[3] 孫訓(xùn)方, 胡增強. 材料力學(xué)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2002.

[4] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 3版. 北京: 高等教育出版社, 1992.

[5] 宋子康, 蔡文安. 材料力學(xué)[M]. 上海: 同學(xué)大學(xué)出版社, 1998.

[6] CREVELING C M. Tolerance design: a handbook for developing optimal specifications[M]. Berlin: Prentice Hall, 1997.

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

Study on the Manufacture of a Long and Thin Variable Stator Blade

Qiu Xinglin, Zou Bin

(Dong Fang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, Sichuan Province, China)

Model analysis was conducted on a variable stator blade using deformation theory and stability theory involved in the mechanics of materials, so as to demonstrate the manufacturing feasibility of the blade. Meanwhile, to minimize the deformation and guarantee the precision of airway surface, the machining process and procedures were also studied for the variable stator blade.

steam turbine; blade manufacture; turning-milling compound; deformation control; precision

2016-07-14；

2016-09-03

邱興林(1983—)，男，工程師，從事汽輪機葉片的加工制造工藝研究。E-mail: qiuxinglin2005@126.com

TK263.3

A

1671-086X(2017)03-0166-05