汽輪機(jī)葉片典型性加工質(zhì)量異常研究與應(yīng)用

邊成明

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

1 前言

眾所周知， 葉片是汽輪機(jī)的心臟， 其復(fù)雜的曲面造型必然成為加工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)， 特別是葉片的葉身型面、 凸臺(tái)、 以及葉身與葉冠和葉根連接處的弧面加工就需要由數(shù)控五軸設(shè)備來(lái)進(jìn)行加工。 正所謂要求越高， 加工就越難， 而在加工中又無(wú)法避免出現(xiàn)這樣那樣的質(zhì)量異常情況[1]， 如型線厚度不一致主要是2 個(gè)旋轉(zhuǎn)同步軸中心不一致導(dǎo)致； 葉片表面異常小凹坑主要是主軸旋轉(zhuǎn)軸機(jī)械間隙或者是應(yīng)用非力矩電機(jī)形式的傳動(dòng)間隙造成； 相鄰加工區(qū)域接刀不平主要是葉片加工中應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形或者是主軸端面到旋轉(zhuǎn)中心距離不準(zhǔn)確導(dǎo)致； 進(jìn)出汽邊過(guò)切是一個(gè)相對(duì)更加復(fù)雜的故障， 可能是參數(shù)設(shè)置不合理、 程序中翻邊速度過(guò)快、 各軸機(jī)械精度異常等導(dǎo)致。 以上所述的各種典型性情況的解決方案涉及很廣， 本文只能進(jìn)行簡(jiǎn)單概述， 無(wú)法大篇幅進(jìn)行介紹。 本文以一個(gè)典型案例來(lái)對(duì)型線出現(xiàn)異常深紋路的解決方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2 案例介紹

2.1 故障現(xiàn)象

某臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)立式加工中心（其基本結(jié)構(gòu)包括X、 Y、 Z 3 個(gè)直線軸， 一個(gè)工件旋轉(zhuǎn)軸A， 一個(gè)主軸旋轉(zhuǎn)軸C）加工葉片時(shí)， 葉身型線部位不同位置總會(huì)產(chǎn)生深淺不一的條紋，如圖1 所示， 對(duì)產(chǎn)品外觀質(zhì)量有明顯影響， 對(duì)常規(guī)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)影響不大（拋光量足夠）， 對(duì)核電、 燃機(jī)產(chǎn)品而言就完全無(wú)法滿(mǎn)足質(zhì)量要求。 此故障對(duì)該設(shè)備的加工范圍、質(zhì)量、 效率都造成不同程度的影響， 根據(jù)上述情況， 決定對(duì)該設(shè)備故障進(jìn)行一次深度剖析研究，將其根治。

圖1 葉身內(nèi)弧加工情況

2.2 解決方案

根據(jù)上述產(chǎn)品質(zhì)量異?，F(xiàn)象， 結(jié)合設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、 現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)以及葉片加工質(zhì)量異常的相關(guān)研究， 進(jìn)行了以下解決步驟。

2.2.1 Z 軸重力平衡系統(tǒng)檢查

Z 軸為垂直軸， 在上下移動(dòng)過(guò)程中需要對(duì)其重力進(jìn)行補(bǔ)償， 以免電機(jī)承受過(guò)大負(fù)荷， 同時(shí)也為Z 軸定位精度的穩(wěn)定性提供一個(gè)有力保障。

該系列設(shè)備Z 軸采用的是液壓平衡系統(tǒng)， 使用2 個(gè)液壓平衡油缸實(shí)現(xiàn)其重力平衡。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查Z 軸的平衡壓力為180 Pa（正常為170～200 Pa），符合設(shè)定要求， 且通過(guò)Z 軸頻繁的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)后， 該壓力也能穩(wěn)定在180 Pa 左右， 故排除其為故障源。

2.2.2 X 軸絲杠軸承更換

X 軸在移動(dòng)過(guò)程中明顯感覺(jué)有發(fā)顫的癥狀（其他軸無(wú)此癥狀）， 運(yùn)行時(shí)負(fù)載也很不穩(wěn)定， 波動(dòng)范圍很大， 考慮到既然是故障深度剖析， 無(wú)論其是否為故障源都先對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)修復(fù)。 拆下X 軸絲杠檢查發(fā)現(xiàn)該絲杠磨損較為嚴(yán)重， 在對(duì)其進(jìn)行更換后， X 軸運(yùn)行平穩(wěn)， 達(dá)到精度要求， 但在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試加工后發(fā)現(xiàn)故障并沒(méi)有顯著變化， 排除X 軸的可能性； 同時(shí)對(duì)X 軸絲杠進(jìn)行抹油密封，可作為應(yīng)急使用。

2.2.3 A 軸圓光柵檢查

在排除有明顯不良癥狀的X 軸后， 把焦點(diǎn)集中在A 軸， 首先懷疑A 軸圓光柵是否有些許松動(dòng)， 造成系統(tǒng)檢測(cè)誤差， 影響A 軸傳動(dòng)精度， 檢查發(fā)現(xiàn)沒(méi)有明顯松動(dòng)痕跡， 稍許緊固了一些， 在試加工后故障沒(méi)有顯著改善， 故排除A 軸圓光柵的可能性。

2.2.4 C 軸傳動(dòng)系統(tǒng)修復(fù)

從故障現(xiàn)象分析， C 軸傳動(dòng)間隙也可能造成此故障的產(chǎn)生， 故進(jìn)行C 軸傳動(dòng)系統(tǒng)的檢查與修復(fù)工作。 檢查中發(fā)現(xiàn)C 軸渦輪長(zhǎng)期運(yùn)行部位有明顯磨損， 如圖2 所示， C 軸運(yùn)行時(shí)的偏擺角度在±95°左右， 而加工一般在±45°以?xún)?nèi)， 那么說(shuō)明蝸輪使用的最大度數(shù)在190°以?xún)?nèi)， 這樣就可在裝配時(shí)人為的將其換向180°，讓無(wú)磨損部位來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)[2]。但在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試加工后發(fā)現(xiàn)故障只有輕微變化，不過(guò)C 軸傳動(dòng)精度的穩(wěn)定性得到明顯改善。

圖2 渦輪磨損狀況

2.2.5 軸定位及重復(fù)定位精度檢查

總結(jié)上階段的工作內(nèi)容， 從故障現(xiàn)狀分析，焦點(diǎn)就集中在Z 軸和A 軸的機(jī)械傳動(dòng)上， Z 軸絲杠更換在技術(shù)上沒(méi)有問(wèn)題， 主要問(wèn)題是從各個(gè)方面及經(jīng)驗(yàn)判斷， Z 軸沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何異常， 且拆解費(fèi)時(shí)費(fèi)力。 而A 軸從購(gòu)買(mǎi)至今只更換過(guò)一次， 技術(shù)難度大（力矩電機(jī)），同時(shí)前端軸承購(gòu)買(mǎi)周期長(zhǎng)，擔(dān)心拆開(kāi)后沒(méi)有備件， 但是A 軸絕對(duì)是需要重點(diǎn)考慮， 故先申請(qǐng)對(duì)該臺(tái)設(shè)備進(jìn)行Z 軸和A 軸的激光檢測(cè)， 報(bào)告見(jiàn)圖3， 為下一步計(jì)劃做一個(gè)指導(dǎo)。

圖3 軸激光精度報(bào)告

從圖3 可以看出： A 軸定位精度及重復(fù)定精度比較理想， 似乎和前期的判斷不相符合， Z 軸定位精度及重復(fù)定精度不太理想， 與同類(lèi)型其他設(shè)備比較， 定位及重復(fù)精度差距較大， 而且從運(yùn)行曲線分析， 也比較符合故障現(xiàn)象。

2.2.6 Z 軸絲杠更換

從激光精度報(bào)告分析Z 軸可能存在問(wèn)題， 對(duì)Z 軸的絲杠進(jìn)行更換， 它不是故障源， 不過(guò)對(duì)絲杠進(jìn)行了抹油密封以作備用。

2.2.7 A 軸機(jī)械拆解及修復(fù)

通過(guò)以上工作， 必須要對(duì)A 軸進(jìn)行相應(yīng)處理，嘗試拆解A 軸， 從圖紙上可以看到它的前后端各有一套軸承， 如果是前端軸承損壞的話， 那么拆卸及裝配難度將非常大（永磁同步電機(jī)， 永磁片磁力非常大， 不小心可能會(huì)拆壞）， 如果是后端軸承的話難度將小不少， 因?yàn)檫@樣便不需要將電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子分離。 A 軸后端軸承拆下后發(fā)現(xiàn)也沒(méi)有太明顯異常， 但有些許磨損及油泥比較重， 決定先將其更換。

2.2.8 調(diào)試及參數(shù)設(shè)定

在A 軸裝配完成后進(jìn)行試轉(zhuǎn)， 有失速現(xiàn)象，需要對(duì)A 軸進(jìn)行同步角度的匹配， 在取得法拉利E580 系統(tǒng)A 軸同步角調(diào)整的方法后， 成功完成了A 軸同步角調(diào)試。

2.2.9 試加工

圖4 為修復(fù)后葉身的加工情況， 從圖4 可以看到， 在對(duì)A 軸調(diào)整后， 試加工的產(chǎn)品外觀質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍， 進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)， 完全滿(mǎn)足質(zhì)量要求。

圖4 修復(fù)后葉身加工情況

3 結(jié)束語(yǔ)

本次修復(fù)徹底解決了該臺(tái)設(shè)備不能加工高質(zhì)量產(chǎn)品的問(wèn)題， 拓展了產(chǎn)品的加工范圍， 同時(shí)也對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了一次全面檢查修復(fù)工作， 保證設(shè)備整體性能， 大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

（1）準(zhǔn)確有效利用激光干涉儀的數(shù)據(jù)， 激光干涉儀給出的數(shù)據(jù)結(jié)果和最終故障源合不上拍， 最終會(huì)對(duì)修復(fù)產(chǎn)生了誤導(dǎo)。 不過(guò)理性分析， 不同故障場(chǎng)合對(duì)激光數(shù)據(jù)需求不同， 比如五軸的聯(lián)動(dòng)精度問(wèn)題激光是很難驗(yàn)證的， 單軸的精度補(bǔ)償可能會(huì)比較有效， 但是這樣對(duì)技術(shù)人員處理故障的技能要求就非常高了。

（2）本文對(duì)葉片加工過(guò)程中出現(xiàn)異常深紋路的解決提供了一套完整的解決方案， 并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果， 但并不代表此類(lèi)問(wèn)題的所有解決方法就囊括其中， 這個(gè)需要根據(jù)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、 加工工藝、 加工程序、 加工品種的不同提出所有不同的解決思路。