一種基于多工序協(xié)同的型線位置度綜合誤差控制加工方法研究

熊小聰 李啟元 王龍清 劉波 周云波 胥家良 包興進 董強

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 前言

1 400 mm 長度等級的鈦合金葉片（以下簡稱葉片A） 是公司為提高市場競爭力， 自主研發(fā)的百萬機組末級超長葉片。 該葉片運用于某1 000 MW 等級超超臨界二次再熱機組， 是目前國內(nèi)最長的用于火電機組的全轉(zhuǎn)速鈦合金葉片。 葉片為“樅樹型葉根、 整體凸臺、 整體CCB 圍帶” 結構（見圖1）， 葉身細長， 整體剛性弱， 制造過程中葉身型面極易產(chǎn)生較大變形。 因該葉片材料特殊，采用機械校形來滿足型面位置度設計要求的方式已不適用， 需通過研究新工藝方法保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

圖1 葉片結構示意圖

1 優(yōu)化補償加工方法研究

1.1 方案可行性分析

樅樹形葉片以葉根榫齒作為基準進行裝配（見圖2）， 葉片制造時型面檢測基準應同裝配基準一致。 葉片機械加工時采用“先汽道后葉根” 加工方案[1]（見圖3）， 當葉根榫齒加工前物料處于充分變形狀態(tài)時通過調(diào)整葉根加工方法實現(xiàn)產(chǎn)品最終狀態(tài)型面位置度優(yōu)化調(diào)整。

圖2 葉片裝配

圖3 “先汽道后葉根” 葉片加工

葉片未加工葉根榫齒前， 以葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面及端面缺口作為檢測基準（見圖4）， 根據(jù)3-2-1 原則建立檢測坐標系， 獲取葉片各截面型面位置數(shù)據(jù)。 葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面的矢量方面決定檢測坐標系的方向， 實際檢測坐標系將決定各截面位置檢測數(shù)據(jù)， 故通過調(diào)整構建實測坐標系平面的空間位置可以使截面檢測結果發(fā)生改變。 葉身榫齒以葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面為定位進行加工， 加工完成后以葉根榫齒建立的實測坐標系同葉根背面、 葉根出汽側(cè)面構建的坐標系理論上一致， 故通過調(diào)整葉根加工可調(diào)整葉片最終型面位置度。

圖4 三坐標檢測基準

1.2 綜合誤差控制算法

物料經(jīng)三坐標檢測后， 可得到各截面型面偏移數(shù)據(jù)STACK X 和STACK Y（見圖5）， 將截面高度和X 向偏移量STACK X 組成坐標點集， 將截面高度和Y 向偏移量STACK Y 組成坐標點集。 當是一個N點的集合， 其中橫坐標｛xk, ｝是確定時可以求得滿足均方根誤差E2（f）最小的擬合曲線y=Ax,+B【2】。 通過分別求取X 向和Y 向的最小二乘擬合曲線， 根據(jù)直線斜率A 推算葉根加工時葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面與原始狀態(tài)的角度差異， 定制葉根加工調(diào)整方案。

圖5 最小二乘擬合曲線

最小二乘擬合直線方程：Y=AX+B， 誤差函數(shù)（見圖6）為：

分別對A，B求偏導并置零， 求取關于A，B的線性方程組：

1 450 mm 葉片加工時， 采用的擬合直線曲線為y=ax， 故線性方程組為：

圖6 點（Xk,Yk）與最小二乘擬合直線Y=AX+B 的離差距離

利用MATLAB 編程實現(xiàn)單只葉片已知點集坐標的擬合直線方程y=ax求解， 獲取加工所需的傾斜度a。

2 實施方案

2.1 三坐標數(shù)據(jù)提取與擬合曲線求解

利用Blade 分析軟件將三坐標檢測結果導出為*.CSV 格式輸出， 數(shù)據(jù)中包含型線位置度、 輪廓度、 最大厚度等檢測數(shù)據(jù)； 基于EXCEL 平臺開發(fā)“三坐標檢測結果趨勢分析” 軟件， 對*.CSV 格式文件進行自動讀取， 以表格的形式對數(shù)據(jù)匯總、分析， 并可實現(xiàn)結果是否符合設計標準的自動判斷及合格率分析， 快速生成曲線擬合所需點集的數(shù)據(jù)文件。 基于MATLAB 平臺開發(fā)基于最小二乘擬合曲線解析算法， 求解每只葉片的X、 Y 向擬合曲線； 利用EXCEL 表格公式計算功能對結果進行二次評估及明確現(xiàn)場加工調(diào)整方案。 構建基礎數(shù)據(jù)統(tǒng)計、 分析、 優(yōu)化計算、 調(diào)整數(shù)據(jù)復核的數(shù)據(jù)處理流程， 如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 工藝方案

葉根齒形以葉根中間體背平面、 葉根出汽側(cè)面定位進行加工， 因型線位置調(diào)整涉及X、 Y 兩個方向， 故通過臥加設備實施定制的葉根兩側(cè)加工方案來實現(xiàn)對X 向截面位置度的調(diào)整， 通過磨床設備調(diào)整加工時葉根背平面的角度來實現(xiàn)Y 方向截面位置度的調(diào)整。 經(jīng)兩側(cè)加工和齒形磨削工序協(xié)同， 最終實現(xiàn)型線位置度綜合誤差控制的加工調(diào)整。

以葉根背平面為主定位進行裝夾（見圖8）， 加工前對葉根出汽側(cè)面進行找正后整體旋轉(zhuǎn)擬合分析角度進行兩側(cè)面加工， 達到調(diào)整檢測坐標系X向矢量偏差的目的。 加工后對葉片型面進行再次三坐標檢測， 結果顯示： 截面X 位置度數(shù)據(jù)得到明顯改善并與預測結果比較相近（見圖9）， 具有實施的可行性。 磨削榫齒型線時可采用類似方法對Y 方向截面位置度進行調(diào)整。

圖8 葉根側(cè)面加工夾具方案

圖9 X 向偏差調(diào)整結果

3 結論

通過實施基于多工序協(xié)同的型線位置度綜合誤差控制加工方法， 已加工的400 多件1 400 mm長度等級的鈦合金葉片型線位置度均符合產(chǎn)品設計標準要求。 該加工方法在特定條件下可以避免采用傳統(tǒng)機械校形， 改善葉片型線位置度的同時讓葉片本體應力水平更加均勻， 有利于避免應力腐蝕導致的葉片開裂。