燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉葉頂加工專(zhuān)用臥式磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要：重型燃機(jī)透平旋轉(zhuǎn)葉片葉頂加工是葉片成型的關(guān)鍵工序，該工序加工精度決定了葉片頂部與其他部件裝配間隙，該間隙大小可能會(huì)影響燃機(jī)運(yùn)行做功效率，所以葉頂距轉(zhuǎn)子中心回轉(zhuǎn)半徑關(guān)鍵尺寸需要準(zhǔn)確控制。然而，不同規(guī)格功率的燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)葉片回轉(zhuǎn)半徑各不相同，需設(shè)計(jì)一種能適合不同回轉(zhuǎn)半徑葉片葉頂加工的自動(dòng)化設(shè)備。針對(duì)耐高溫鎳基合金材料葉片加工特性硬化、熱導(dǎo)性能差、切削力大等特點(diǎn)和傳統(tǒng)CNC及電火花加工效率低、刀具損壞快、加工成本較高等問(wèn)題，采用磨加工工藝與數(shù)字化控制相結(jié)合的方法開(kāi)發(fā)一種磨削全自動(dòng)化加工設(shè)備。該設(shè)備可以自動(dòng)精確模擬不同規(guī)格燃機(jī)葉片回轉(zhuǎn)中心實(shí)現(xiàn)不同回轉(zhuǎn)半徑的變化，同時(shí)可以模擬葉片繞轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)動(dòng)作；通過(guò)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)葉片擺動(dòng)大小角度的控制、可自動(dòng)變換角度的磨削進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同角度形狀葉頂?shù)哪ハ骷庸ぁＴ囼?yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且加工精度足夠滿(mǎn)足葉片葉頂加工公差，可用于批量生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；透平旋轉(zhuǎn)葉片；磨削加工；設(shè)備設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TG659" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： １６７３－２３４０（２０24）０1－００73－０7

Abstract： The processing of the blade tip of heavy-duty gas turbine rotating blades is a key procedure in blade shaping. The accuracy of this process determines the gap between the blade tip and other components， which may affect the working efficiency of the gas turbine. Therefore， the critical dimension of the blade tip distance from the rotor center rotation radius needs to be precisely controlled. However， the rotation radii of rotating blades vary across different specifications and power ratings of gas turbines， necessitating the design of automated equipment capable of accommodating blade tips with varying rotation radii. Given the hardening characteristics， poor thermal conductivity， and high cutting force associated with machining high-temperature nickel-based alloy blades， and considering the low efficiency， rapid tool wear， and high cost of traditional CNC and EDM processing， a grinding process combined with digital control has been developed to create a fully automated grinding device. This equipment can automatically and accurately simulate the rotation center of gas turbine blades of different specifications， achieving changes in rotation radius， and can also simulate the swinging motion of the blade around the rotor center. Through digital control， the angle of blade swing and the grinding feed mechanism for different angles can be controlled to achieve grinding of blade tips with different angular shapes. Experimental verification has shown that the functionality of this device meets design requirements and the processing precision sufficiently meets the tolerances for blade tip processing， allowing it to be used in mass production.

Key words： machining of gas turbine; turbine rotating blades; grinding processing; equipment design

透平動(dòng)葉是重型燃機(jī)熱通道中的關(guān)鍵部件，該部件在燃機(jī)運(yùn)行時(shí)高速旋轉(zhuǎn)將空氣壓縮并噴出從而產(chǎn)生推力[1-3]。旋轉(zhuǎn)動(dòng)葉做功時(shí)葉頂與其他部件之間的間隙大小會(huì)影響熱通道密封性，導(dǎo)致空氣壓縮熱效率降低，從而影響燃?xì)廨啓C(jī)的最終效率[4-6]，因此，葉片葉頂加工是葉片制造過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序。目前該工序主要采用傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心[7-8]或者電加工[9-11]進(jìn)行加工，因葉片為耐高溫鎳基合金，切削性能差，導(dǎo)致零件加工效率低、成本較高，而且各葉片差異性大，使得工藝開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，所以傳統(tǒng)的加工方式均不是理想的方案。

隨著透平動(dòng)葉市場(chǎng)需求增加，公司對(duì)透平動(dòng)葉葉頂加工提質(zhì)增效，對(duì)效率低、成本高的葉頂成型工序進(jìn)行改造，改造目標(biāo)如下：1）合格率高于90%；2）工序加工節(jié)拍為5 min/件；3）加工直接耗材成本低于30元/件；4）具備兼容性，需兼顧不同規(guī)格回轉(zhuǎn)半徑葉片的葉頂加工，減少開(kāi)發(fā)周期。

綜合考量生產(chǎn)效率、自動(dòng)化程度、加工精度、加工成本等因素，本研究采用磨加工與CNC數(shù)控控制相結(jié)合的工藝方案設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化設(shè)備：既能利用磨削特點(diǎn)加工葉片耐高溫鎳基合金材料，又能利用CNC數(shù)控控制適用不同半徑葉片的葉頂加工。最后經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，從精度、效率、成本角度來(lái)看，該自動(dòng)磨削設(shè)備達(dá)到改造要求。

1" "葉頂加工技術(shù)要求

不同規(guī)格葉片的加工示意圖如圖1所示。該工序需要對(duì)不同半徑及角度的葉片葉頂進(jìn)行加工，且需滿(mǎn)足精度、效率、成本等生產(chǎn)要求，主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

1）工件材質(zhì)為鎳基高溫合金，傳統(tǒng)加工方式效率低，且加工成本高；

2）每種葉片加工半徑不一樣，若對(duì)每種半徑葉片分別定制設(shè)備，則通用性差，且成本較高；

3）工件加工節(jié)拍為5 min/件，對(duì)設(shè)備自動(dòng)化要求較高；

4）工件長(zhǎng)度尺寸L精度為±0.1 mm，距轉(zhuǎn)子中心回轉(zhuǎn)半徑R精度為±0.5 mm，要求較高，實(shí)現(xiàn)較有難度。

綜上，從效率、成本、精度、通用性考量，需設(shè)計(jì)一種能適合不同回轉(zhuǎn)半徑葉片的葉頂自動(dòng)化加工設(shè)備。

2" "葉頂加工工藝設(shè)計(jì)

葉片的葉頂加工是葉片成型的關(guān)鍵工序，葉頂圓弧半徑R及葉片高度L尺寸精度要求較高。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)透平動(dòng)葉葉頂加工常用的方法有：電加工[9-11]、銑加工[7-8]和磨削加工[12-13]。其中，電加工一般需要根據(jù)不同動(dòng)葉葉頂形狀制造不同的電極，導(dǎo)致加工開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，通用性差，且電加工會(huì)產(chǎn)生電腐蝕層，增加后道處理，加工效率較低。銑加工使用CNC全自動(dòng)數(shù)控設(shè)備[14-15]，通用性好，自動(dòng)化程度高，可以降低人工操作強(qiáng)度，同時(shí)可以保證葉頂加工精度；但是葉片為耐高溫鎳基合金材料[16-18]，加工受熱時(shí)硬化嚴(yán)重且切削力大導(dǎo)致刀具受損嚴(yán)重[19-20]，使得加工刀具成本升高且加工效率降低。磨削加工在加工時(shí)可以使磨粒呈游離狀態(tài)，磨削速度快，可以加工淬火鋼及刀具不能加工的硬性材料，適合高精度、高硬度、切削性能差等特性材料的加工。綜上，本研究采用磨削工藝實(shí)現(xiàn)葉頂圓弧加工的方案，工藝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。工藝過(guò)程如下：將待加工葉片1通過(guò)夾具5固定在設(shè)備移動(dòng)工作臺(tái)7上；選擇待加工葉片加工程序和移動(dòng)半徑，回轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)2和磨削機(jī)構(gòu)4模擬實(shí)現(xiàn)如圖2所示葉頂距轉(zhuǎn)子中心半徑R；半徑擺動(dòng)機(jī)構(gòu)3通過(guò)連接桿6連接轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)2，實(shí)現(xiàn)葉頂繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)；移動(dòng)Y軸工作臺(tái)7實(shí)現(xiàn)葉頂切削進(jìn)給，加工結(jié)束后取下葉片。該工藝方案除人工上下料外，其余均為全自動(dòng)運(yùn)作，大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

3" "設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1" "設(shè)備總體布局

結(jié)合圖1葉片不同回轉(zhuǎn)半徑特性、葉片耐高溫材料、自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率等因素分析，確定如圖3所示總體布局方案。設(shè)備采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由床身、可變半徑回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、磨削動(dòng)力機(jī)構(gòu)、進(jìn)給工作臺(tái)、數(shù)控滑臺(tái)等組成。該結(jié)構(gòu)磨削動(dòng)力機(jī)構(gòu)4與模擬轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心組成5分別安裝在一體式床身1上，且用數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)，可以有效保證葉片葉頂回轉(zhuǎn)半徑R的準(zhǔn)確性，設(shè)備重復(fù)定位精度可以控制在0.05 mm以?xún)?nèi)。擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)組成6與模擬轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心組成5由連接桿7連接，令安裝在擺動(dòng)機(jī)構(gòu)上的工作臺(tái)8可實(shí)現(xiàn)繞模擬轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)，同時(shí)工作臺(tái)8有獨(dú)立伺服驅(qū)動(dòng)單元，可以保證葉片在葉頂圓弧擺動(dòng)加工時(shí)能獨(dú)立進(jìn)給系統(tǒng)，可有效控制葉片長(zhǎng)度L。

3.2" "可變半徑模擬機(jī)構(gòu)（A軸）

該機(jī)構(gòu)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格葉片的回轉(zhuǎn)半徑快速轉(zhuǎn)換，以完成葉片葉頂磨削過(guò)程?？勺儼霃交剞D(zhuǎn)模擬機(jī)構(gòu)遵循平臺(tái)化緊湊型設(shè)計(jì)要求，所有零件組成精密協(xié)調(diào)連接，如圖4所示。

方案中可變半徑模擬機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)葉頂至燃機(jī)轉(zhuǎn)子中心距離。磨削機(jī)構(gòu)4為葉頂加工位，回轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)1模擬轉(zhuǎn)子中心。回轉(zhuǎn)中心機(jī)構(gòu)1和磨削機(jī)構(gòu)4分別安裝于A軸滑臺(tái)2和Z軸滑臺(tái)3（見(jiàn)圖4），通過(guò)移動(dòng)滑臺(tái)距離來(lái)實(shí)現(xiàn)不同葉頂半徑變化，且滑臺(tái)采用伺服電機(jī)和高精密滾珠絲桿直連結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可有效保證實(shí)際移動(dòng)距離精度。該設(shè)備模擬回轉(zhuǎn)半徑范圍最小為1 000 mm，最大回轉(zhuǎn)半徑取決于A軸與Z軸行程，依據(jù)公司的加工葉片需求（見(jiàn)圖1），一級(jí)與三級(jí)葉片葉頂半徑分別為1 030、1 580 mm，所以本研究設(shè)備設(shè)計(jì)最大半徑為1 700 mm，除滿(mǎn)足現(xiàn)生產(chǎn)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)葉片葉頂外，半徑在1 000～1 700 mm范圍內(nèi)的葉片都可以加工。如需適應(yīng)更大回轉(zhuǎn)半徑葉片，可以通過(guò)加大A軸與Z軸行程來(lái)滿(mǎn)足更大回轉(zhuǎn)半徑葉片的葉頂加工。同時(shí)A軸滑臺(tái)和Z軸滑臺(tái)結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠直連，以減少傳動(dòng)誤差。經(jīng)測(cè)試，A軸和B軸重復(fù)定位精度在±0.05 mm之間。該設(shè)備精度完全能滿(mǎn)足葉片半徑R（± 0.5 mm）和L（± 0.1 mm）的精度要求。

3.3" "半徑擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)（X軸）

該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)葉片可繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)，要求擺動(dòng)角可控、能模擬回轉(zhuǎn)半徑，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1）擺動(dòng)角控制" "驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)部件X軸拖板2與回轉(zhuǎn)拖板6由交叉滾子軸承4連接，將Y軸拖板8安裝在回轉(zhuǎn)拖板6上，用連接桿9連接Y軸拖板8與回轉(zhuǎn)中心1，用連接桿固定座10固定，X軸拖板2由伺服絲杠3驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)X軸直線運(yùn)動(dòng)。因Y軸拖板8與回轉(zhuǎn)中心1由連接桿9連接，且Y軸拖板8連接著交叉滾子軸承4，可以令工作臺(tái)11在X軸拖板2直線運(yùn)動(dòng)時(shí)繞回轉(zhuǎn)中心1擺動(dòng)，擺動(dòng)角度大小取決于X軸拖板運(yùn)動(dòng)行程。

2）模擬旋轉(zhuǎn)葉片半徑" "安裝交叉滾子軸承4在X軸拖板2上，其余部件全部安裝在交叉滾子軸承4上，X軸拖板2由伺服絲杠3驅(qū)動(dòng)。因安裝在交叉滾子軸承4上的部件與回轉(zhuǎn)中心1由連接桿9連接，當(dāng)X軸拖板2直線運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)使交叉滾子軸承上的部件繞回轉(zhuǎn)中心1旋轉(zhuǎn)，同時(shí)安裝在交叉滾子軸承4上的部件與X軸拖板2的相對(duì)距離隨著X軸拖板2移動(dòng)發(fā)生變化。如圖5所示，X軸拖板 2停留在標(biāo)記1和標(biāo)記2處，相對(duì)距離分別對(duì)應(yīng)距離1和距離2。為實(shí)現(xiàn)不受半徑影響的自適應(yīng)補(bǔ)償功能，在回轉(zhuǎn)拖板6與安裝工作臺(tái)Y軸拖板之間增加一組直線導(dǎo)軌7，有效補(bǔ)償交叉滾子軸承上的部件在X軸拖板2移動(dòng)時(shí)受回轉(zhuǎn)半徑影響產(chǎn)生的距離變化。經(jīng)測(cè)試，X軸設(shè)計(jì)最快進(jìn)給速度為5 m/min，加工速度為2 000 mm/min，零部件加工余量為3 mm，每次加工切削量為0.1 mm/次，需加工30次，加工行程為250 mm，每次循環(huán)時(shí)間為7.5 s，計(jì)算得出每件加工時(shí)間約為4 min，能滿(mǎn)足設(shè)定目標(biāo)工序節(jié)拍時(shí)間5 min的要求。

3.4" "可自動(dòng)變換角度磨削機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

可自動(dòng)變換角度的磨削機(jī)構(gòu)如圖6所示。磨削單元總成包含砂帶11、砂帶支架12、砂帶支架13、支撐桿14、固定座15、主動(dòng)輪7、松緊輪8、從動(dòng)輪9和導(dǎo)桿氣缸10，均固定于中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4上，通過(guò)中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4實(shí)現(xiàn)磨削總成角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。磨削單元總成動(dòng)力傳遞軸與中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4中心同軸設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)可以令中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4繞動(dòng)力旋轉(zhuǎn)軸6中心旋轉(zhuǎn)時(shí)不影響伺服電機(jī)5給砂帶旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，伺服電機(jī)5與動(dòng)力旋轉(zhuǎn)軸6直連，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸6與主動(dòng)輪7間的皮帶連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。磨削單元總成和中空旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4通過(guò)固定支架2安裝在Z軸拖板1上，由伺服驅(qū)動(dòng)3實(shí)現(xiàn) Z軸進(jìn)給。

4" "設(shè)備運(yùn)行試驗(yàn)

4.1" "功能性測(cè)試

通過(guò)運(yùn)行所設(shè)計(jì)的自動(dòng)化設(shè)備，對(duì)多個(gè)不同半徑葉片進(jìn)行葉頂加工來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的臥式燃?xì)鈩?dòng)葉葉頂磨削的各項(xiàng)性能，驗(yàn)證設(shè)備能否執(zhí)行各項(xiàng)部件功能及是否符合設(shè)計(jì)要求。圖7（a）為加工后零件，圖7（b）為試驗(yàn)設(shè)備，圖7（c）為臥式葉頂磨削設(shè)備設(shè)計(jì)效果圖。

4.2" "設(shè)備性能及穩(wěn)定性測(cè)試

考慮該設(shè)備屬于加工設(shè)備，所以采用機(jī)器能力指數(shù)（machine capability index，Cmk）衡量設(shè)備性能及穩(wěn)定性。一般設(shè)備合格要求為Cmk不小于1.67。為了保證設(shè)備能力試驗(yàn)準(zhǔn)確性，盡量減少不可控因素，我們對(duì)同一批次50個(gè)葉片按照葉頂加工工藝流程在設(shè)備上進(jìn)行連續(xù)加工，設(shè)備由同一人員操作，加工完成后測(cè)量葉片數(shù)據(jù)并記錄，圖8為測(cè)量數(shù)據(jù)分布。表1為測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看到測(cè)試設(shè)備精度完全滿(mǎn)足透平葉片葉頂加工精度，Cmk為1.68，說(shuō)明該設(shè)備性能及穩(wěn)定性達(dá)到合格要求。

4.3" "葉頂生產(chǎn)合格率測(cè)試

在設(shè)備投入生產(chǎn)后，選取300件生產(chǎn)零件進(jìn)行檢查。經(jīng)檢測(cè)，其中超公差零件為15件，合格零件為285件，檢測(cè)合格率為95%，滿(mǎn)足改造要求。

4.4" "葉頂直接生產(chǎn)耗材成本測(cè)試

采用砂帶磨削試驗(yàn)測(cè)試砂帶壽命。為了保證砂帶壽命試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，盡量減少不可控因素，選取100件同一批次且葉頂被加工余量為3 mm的葉片進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)100件葉片加工完成后，砂帶損耗量為20條，每條砂帶成本價(jià)為100元，耗材總價(jià)為2 000元，平均耗材成本為20元/件，遠(yuǎn)低于公司對(duì)此工序限定的最高成本30元 /件。

5" "結(jié)論

本研究基于燃?xì)廨啓C(jī)透平動(dòng)葉運(yùn)行原理及燃機(jī)透平高溫零部件的材料屬性，將磨削與數(shù)控自動(dòng)控制聯(lián)合應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一款高效一體化葉頂自動(dòng)磨削設(shè)備。因設(shè)備自動(dòng)化程度高，對(duì)操作人員技能要求低，只需更換夾具就可適應(yīng)不同透平動(dòng)葉在同一設(shè)備上完成葉頂加工，能較好地提高設(shè)備的利用率，同時(shí)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備生產(chǎn)節(jié)拍為4 min/件，高于公司制定的要求，合格率為95%，且各項(xiàng)功能均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備已投入透平動(dòng)葉維修生產(chǎn)中。

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（責(zé)任編輯：仇慧）

收稿日期： 2023-07-11 接受日期： 2023-09-07

第一作者簡(jiǎn)介： 成李峰（1990— ）， 男， 工程師。

* 通信聯(lián)系人： 謝凡（1985— ）， 男， 工程師， 主要研究方向?yàn)楣I(yè)燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件修理和新件制造工藝。E-mail：wltaly@163.com