摘要：汽轮机是将蒸汽能量转换为机械功的旋转式动力机械,又称蒸汽透平机械。主要作为发电设备的原动机,也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机排汽或中间抽汽作用满足生产和生活的供热需要。本文首先分析了计算机集成叶片测量系统，然后分析了叶片的集成加工工艺分析，其中包含着工艺分析以及传统工艺等。
关键词：汽轮机；集成；加工工艺；叶片
利用蒸汽热能在蒸汽轮机内绝热膨胀后通过汽轮机动叶片推动转子,将机械能转化为电能。随着CAD/CAM技术的广泛应用,显著提高了汽轮机叶片的设计和制造水平,缩短了研制和生产周期,大大降低了制造成本,推动了汽轮机技术的不断进步。
叶片毛坯主要形式有:方钢、模锻、精锻、精铸等类型。叶片毛坯选用原则主要根据汽道长度进行,小于200mm,一般选择方钢;汽道长度大于200mm而小于450mm时,一般选择模锻和精铸毛坯;汽道长度大于450mm时,一般选择精锻毛坯。精铸叶片夹沙严重,气孔间隙多。经统计,精铸毛坯的批量合格率常常低于50%。而模锻叶片则具有金属流线连续、综合机械性能好、加工余量小、生产周期短等优点。核电低压各级动叶片的汽道长度均在200mm以上。根据需要低压动叶片毛坯形式采用模锻方式。毛坯材质选用1Cr12Ni2W1No1V。
一、计算机集成叶片测量系统
（一）叶片测量夹持设计
目前三坐标测量以单件测量的方式进行,主要问题是没有采用专用夹具。产品在三坐标机上不定位,采用临时简单支撑进行测量,每次测量都需要手动建立坐标系。叶片夹持夹具是实现批量叶片三坐标测量机测量自动化的关键。因此,需设计开发相应叶片的三坐标检测夹具,将叶片粗定位到三坐标测量机上。
夹具设计应该满足以下几个基本条件:1装夹面要采用柔性材料,避免划伤工件或产生压痕;2由于采用柔性接触面,夹紧力变化会影响工件的定位位置,所以夹具采用气动夹紧;3叶片品种繁多,形状大小不同,一副通用夹具实现所有叶片的装夹,难度很大几乎不可能。所以以长线规则的方钢叶片作为试点产品,主要针对方钢叶片,设计其装夹。4考虑管理和使用的方便性,夹具的种类不要过多,争取5个系列实现方钢叶片全覆盖。5一个夹具既可以测量叶身截面,又可以测量叶根截面、叶冠、凸台,即实现全尺寸测量。6夹具在三坐标机的安装需要考虑快速化,实现更换夹具时间小于一分钟。
批量测量叶片时,将第一片叶片放在相应夹具上,并进行定位、夹紧。按照单件测量的方式进行六点定位建立粗坐标系。建立完成后,将该坐标系以特定的名称保存在计算机的特定位置。从第二片叶片开始每片叶片都将调用该粗坐标系,从而省略了每次测量叶片时手动六点建立坐标系的过程。为叶片测量自动化打下基础。
（二）叶片测量测控软件开发
开发测量管理软件,减少测量过程中的人工交互环节,并与PLM数据库系统集成。产品信息由扫描枪输入,程序自动加载,实现叶片检测过程全自动化。即自动建坐标系、自动检测、自动分析、自动出检测报告、自动保存等。对于批量检测,一个人可以操作5台以上三坐标测量机。测量控制软件应具有简易操作界面,信息化扫描接口,测量程序自动调用和加载,夹具坐标设置,测量机测量程序控制,测量报告按照命名规则自动命名并自动保存等功能。
二、叶片的集成加工工艺分析
叶身表面主要由三维自由曲面构成,叶身部位则由变截面组成。叶根是叶片与转子相连接部分,其结构保证在正常运行条件下叶片能牢靠地固定在转子上。根据叶根型线形状的不同,叶根可分为纵树型、菌型、T型和叉型。叶身以上部分称之为叶冠,叶片的组成方式不同,叶冠的结构也各不相同。动叶片技术要求和常规叶片一样,包括尺寸、形状、位置、表面粗糙度等几何参数和机械、物理、化学性能的技术要求。其加工性能主要取决于工艺方案,也受到毛坯和材料的影响。其精度要求主要集中在叶身表面、叶根和叶冠装配部位。叶根表面不允许有横向加工轨迹。叶身表面加工纹理应统一,且应保证叶片中心轴线与叶根心轴偏移量在0.12mm内。进出气边对气流影响很大,其圆度要求较高。铣削加工时,应考虑铣刀运动空间。
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（一）工艺分析
叶片的数控加工流程包括叶片的建模过程和数控加工过程两部分,其中加工部分主要有叶根、叶冠、气道型面及其它型面,而叶片加工工艺难点主要存在三个方面:1毛坯锻造为模锻,常用的材料为不锈钢制造,如1Cr13、2Cr13等,其热硬性好、强度高、韧性大、加工易变形,加工难度大。2叶片的切削变形大,刀片易磨损。3叶片结构复杂,多为变截面扭曲叶片,加工精度和加工工艺要求高。针对以上工艺难点,提出了集成加工工艺方案:下料—粗加工(铣削)—线切割—精加工(铣削)—锉削—抛光—清整—检查—探伤—测频。下面对传统加工和集成加工的工艺路线相比较,以分析集成加工工艺的特点。
（二）传统加工工艺分析
对于叶片型面的数控加工,传统的方法主要是用球头或鼓形铣刀在多轴数控机床上完成。在传统的加工工艺中,一件叶片需要经过数十道工序加工。其加工特点是大量使用普通机床逐序进行加工。在现今叶片加工的发展趋势下,产品要求生产周期大大缩短,这种传统的加工工艺已经严重制约了产品的生产周期和产品的质量。
这些突出的缺陷表现在以下几个方面:
1、物料转运周期长。因工序分散,物料在生产过程中,不停的从上工序(机床)转移到至下工序(机床),从而导致物料转运周期加长。
2、生产周期长。工序分散,校模次数增加,从而导致生产周期变长。
3、质量的稳定性不能得到保证。操作工的技能差异、重复定位、装夹方式、各机床精度及差异、刀具的使用等等综合因素,使质量控制十分困难,同批次的不合格品率高。
4、加工工艺可混序加工。工序分散带来的另一个问题就是可混序加工,会导致同序定位基准发生转移,从而影响其他工序的正常加工。
（三）集成加工工艺分析
与传统工艺工序相比,叶片集成加工(对小法拉利设备上所加工的核电一、二级比较)基本上是将传统工艺中叶根的内径向面、背径向面、叶根两肩、进出气侧、叶根销孔,叶冠的内、背径向面、进出气侧,汽道型面集中到集成加工的粗精两道工序中完成。它的优势主要表现在以下几个方面:1、物料转运周期短,转运次数降低。2、生产周期大大缩短。3、工序集中,重复定位误差、装夹误差等得到有效的控制。4、加工精度、质量由高精度数控设备和数控程序来控制,减少人为因素干扰。5、操作工人劳动强度大大减轻。6、工序校模周期缩短。
以上分析表明,传统的加工工序步骤多、效率低,采用集成加工,使工序减少的同时能达到精度要求,不仅增加了加工过程的柔性和可控性,而且能缩短时间、提高效率,精加工过程充分利用五轴加工技术,避免了切削变形的发生。
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论文作者:李鹏宇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
标签：叶片论文; 加工论文; 测量论文; 汽轮机论文; 夹具论文; 工序论文; 加工工艺论文; 《电力设备》2018年第22期论文;