摘要：汽轮机叶片是一种典型的复杂自由曲面，是汽轮机中的关键部件。其结构设计复杂，加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠性。为提高叶片加工质量和效率,提出一种集成数控加工工艺方案,并设计和仿真刀具轨迹。分别采用传统工艺和集成工艺加工叶片,其检测结果表明：采用集成工艺加工叶片时切削力小,加工精度高,加工成本低。
关键词：汽轮机叶片；集成数控；集成工艺加工
一、汽轮机与叶片的概况
汽轮机是用具有一定温度和压力的过热蒸汽为动力，并将蒸汽的热能转换为转子旋转的机械能的动力机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机，也可用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。
叶片是汽轮机、航空发动机、鼓风机等设备的核心零部件之一,它的主要作用是将动能转换为机械能,叶片型面的设计和制造水平与汽轮机等设备的效率有紧密联系。
二、叶轮加工工艺分析
1、叶轮材料与毛坯特点
由于其结构复杂，一般采用铸钢件毛坯。铸件毛坯切削余量比较多，若毛坯尺寸为4,1250～4,2000mm时，余量(单边)为23mm；若毛坯尺寸为4,800—4,1250mm时，余量(单边)为21mm。叶轮的材料为奥氏体不锈钢，含有Ni元素，而Ni的韧性很大，影响切削性能，刀具易因粘刀而损坏。奥氏体不锈钢还要进行10500C的固溶处理，其硬度一般在360～400HB之间，再加上奥氏体不锈钢铸造时产生的黑皮，所以其硬度较高，而且由于叶片的切削是不连续的，因此切削时易造成崩刀，所以叶轮加工对刀具要求比较高。
2、叶轮加工存在的问题
由于叶轮形状复杂，硬度高，所以其加工难度大。加工方法也纷繁多样，一般而言，叶轮加工存在如下问题。
（1）找正时间过长。切削时对工件的径向(指向工件回转轴的方向)作用力极容易使工件产生振动，发生位移，这时需要第二次找正。
（2）精度和工艺尺寸很难保证。叶轮叶片是外球形，精度要求比较高，再加上机床本身误差的影响，叶轮加工的精度很难保证。
（3）生产效率低。加工叶轮叶片时的安装、调整等，辅助时间和机动时间过长，尤其是单件生产。
（4）容易产生废品。加工的精度和工艺尺寸很难保证，使废品率提高，生产成本相应增加。
三、叶轮叶片加工工艺处理
1、基准面的确定
根据工艺要求，选择非加工面作为粗基准面。从图1所示的叶轮零件图可以看出，妒13mm和R50组成的成型面与叶片根部左上侧的45。斜面为非加工面，可以作为粗基准面。但由于其为非加工表面，所以作为基准面，校准是非常重要的，而且必须要求这两个面同轴。如果基准面校正不准，则会影响动平衡的去重。如果基准面校正偏差过大，动平衡去重过多，定会影响叶轮的强度，甚至会引起报废，因此为避免因去重造成不良影响，校正基准面和保证壁厚就显得尤为重要。
2、叶轮叶片加工工艺处理过程
由于叶片结构为3片式，而且是圆弧面，因此增厚左侧工艺凸台，并在上面加工6个M24的螺孔，用作装夹。在用左侧工艺夹具凸台夹紧时，先校正妒13mm和R50mm组成的成型面并作为基准，然后粗车61212.5mm外圆，和右端4,1212.5mm的大平面，再后以妒13mm和R50mm组成的成型面作为反向基准，校正左上侧450斜面的上、中、下三点(上、下两点可选在从外端30mm处，中点可选斜面中点位置)，最后再粗车切平左端工艺凸台平面。
若左右两端的平面由于铸造的原因而出现偏差，可以两面均留有一定的切削余量，这样可以减少由于铸造的偏差而造成的不平衡量过多而引起的零件报废。有了叶轮两端的基准，就可以按叶轮叶片机械加工工艺过程，进行后续的切削加工。
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四、叶片数控加工的工艺流程
1、叶片毛坯加工
毛坯的加工是叶片生产的第一道工艺，它加工的面要为之后的一整串生产工序提供基准，因此毛坯的加工也是比较重要的一个环节。它加工质量的好坏可以直接影响到之后的许多工序，以至于毛坯的基准面没有做准，那最后成型的叶片是也是报废的。叶片毛坯形状比较简单，主要是为了尽量使后面的工序变得简单，也易于加工尺寸到位。
2、叶根加工
叶根是叶片的主要装配部位，它的加工精度决定着装配质量，并直接影响着汽轮机的安全运行和效率。因此，叶根尺寸精度，粗糙度，技术要求都很高。汽轮机叶根是将叶片固定在叶轮或转鼓上的连接部分。它应保证在任何运行条件下的连接牢固，同时力求制造简单、装配方便。叶根种类目前可分为4种：
T形叶根：加工装配方便，多用于中长叶片。
菌形叶根：强度高，在大型机上得到广泛应用。
叉形叶根：加工简单，装配方便，强度高，适应性好。
枞树型叶根：叶根承载能力大，强度适应性好，拆装方便，但加工复杂，精度要求高，主要用于载荷较大的叶片。
这里的叶根种类是T形叶根，顾名思义，T形叶根的形状就像一个倒立的T形。他的加工可以分为两个部分，第一部分是叶根凹槽的加工，第二部分是叶根凹槽圆弧的加工。叶根槽的数控加工设备是立式加工中心，其精度要求较高，用三面刃铣刀分别进行粗精两次加工，夹具是强力电磁吸盘。第二部分的圆弧加工，加工设备是卧式数控圆弧双头铣床，刀具为立铣刀，由于先前已经把凹槽加工完成了，所以圆弧加工余量较少，只要进行一次走刀，便可以完成了。长期以来采用的电解、仿形、三联动等制造工艺，其生产效率非常低下，叶片型面精度难以保证，而且工艺复杂、劳动强度大、环境恶劣等特点，已不能满足技术进步的要求，也不能有效地保证叶片型面准确性和制造质量，更不能满足当今汽轮机市场竞争的要求。所以对于这种情况，用多轴联动数控加工中心对叶片型线进行快速加工就变得很有必要了，既可以提高加工效率，而且能大大提高精度。在以往的型面加工中多采用三坐标加工，其特征是加工轴线始终不变。三坐标曲面加工是通过逐行走刀来完成加工的。刀具沿各切削行的运动，近似地包络加工曲面，行距是影响加工质量和效率的主要因素。过大的行距将使表面残余过大，后续工序的工作量变大，过小的行距会使加工程序和时间的成倍增加。其中走刀方式和零件相对刀具的姿态是影响行距的重要因素。同时由于无旋转轴，三坐标数控机床在加工内、背型面时无法一次加工完成，需重新装夹叶片，并重新对刀，从而可能导致叶片内、背型面中心不重合，影响了叶片质量与加工效率。四轴联动加工则可解决上述问题，它是介于在三座标数控加工与五座标数控加工的一种加工方式。它是在三座标(X、Y、Z)基础上为某一轴(X轴或Y轴)增加一个回转轴(A轴或B轴)，这样在加工时不仅可以在X、Y、Z、三个方向上联动同时也能绕回转轴作回转运动。其加工范围较三座标数控加工大为提高。并能有效地控制刀具和曲面切削点法矢的夹角，从而使切削余量相对均匀，在型面扭转较大的叶片加工中有明显的优势；同时一次完成了叶盆、叶背、进排气边缘的加工，具有较高的加工精度。叶片的型面为自由曲面，毛坯为模锻件，需要进行半精加工和精加工。机床采用的是A轴旋转的连续加工方式，在半精加工中可以根据被加工的面生成偏置面。
结语
汽轮机叶片的制造工作量大，精度要求高，结构复杂，制造成本高，尤其是型面的加工，往往加工方法是采用多数控坐标联动加工，国内汽轮机制造业，由于受进口机床价格高，加工编程复杂等因素影响，五坐标联动加工中心应用还不广泛，所以在有些叶片制造领域，我们现在还落后与国外先进制造技术，中国在这上面还有很长的路要去走。我认为当前最重要的是改进工艺，研发更为先进的数控设备，培养更多的数控专业人才，这样我们在这条路上才能走的更快，更长。
参考文献
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论文作者:吕思佳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：加工论文; 叶片论文; 叶轮论文; 汽轮机论文; 毛坯论文; 精度论文; 数控论文; 《电力设备》2018年第20期论文;