技術(shù)

1引言

葉片是汽輪機的核心部件之一，它起著將蒸汽的動能轉(zhuǎn)換為機械能的作用。汽輪機效率的高低，很大程度上取決于葉片型面的設(shè)計和制造水平。目前，國內(nèi)外大型汽輪機葉片的型面加工均采用五坐標聯(lián)動機床(手工修磨的葉片除外)。如日本日立公司有70余根主軸的五坐標聯(lián)動加工中心，三菱公司有25根主軸的五坐標聯(lián)動加工中心等。

2五坐標聯(lián)動加工中心在葉片型面加工中的應(yīng)用

1)機床開發(fā)背景

汽輪機葉片的設(shè)計、制造能力是衡量一個透平廠研發(fā)能力的重要標志。葉片機械加工工作量大，精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。國內(nèi)外透平廠都非常重視葉片制造技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)汽輪機制造業(yè)，由于受進口機床價格高，加工編程復(fù)雜等因素影響，五坐標聯(lián)動加工中心應(yīng)用還不廣泛，如國內(nèi)主要汽輪機制造廠，其五坐標聯(lián)動機床的主軸總數(shù)僅為50余根，而航空發(fā)動機廠、鼓風機廠也僅有少量的幾臺。東方汽輪機廠原有的五坐標聯(lián)動的主軸遠不能滿足工廠生產(chǎn)要求。為滿足東汽廠葉片生產(chǎn)能力的需要，同時降低葉片制造成本，東汽廠領(lǐng)導(dǎo)本著振興民族機床工業(yè)的理念，經(jīng)過與北京機電院領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)、管理人員的多次論證，決定開發(fā)五坐標聯(lián)動加工中心以取代昂貴的進口設(shè)備。為減少投資風險，機電院首先開發(fā)一臺稍小規(guī)格五坐標聯(lián)動加工機床5C-VMC1250進行工業(yè)性試驗，在充分掌握五坐標聯(lián)動加工中心的性能特點、加工工藝要求、完善5C-VMC1250型五坐標聯(lián)動加工中心在使用中存在的問題的基礎(chǔ)上，進行大規(guī)格五坐標聯(lián)動加工中心XKH1600的批量生產(chǎn)。

2)葉片的加工工藝分析

葉片在工作中承受著高溫、高壓、極大的離心力和蒸汽的交變應(yīng)力。為了保證汽輪機的效率和葉片在使用中的安全性，葉片的材料都較為特殊，如材料中含Ni、V、N等成分，硬度在360HB以上，強度s0.02為800MPa以上，加工性較差，同時葉片汽道部分(通流部分)是一個光滑的空間曲面，其精度要求高，加工難度大。特別是大型汽輪機末級葉片(如40英寸動葉片)，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，葉型扭轉(zhuǎn)接近90°角，葉身中部有兩個空間的凸臺，葉根圓角部分由多個變直徑的圓弧組成，傳統(tǒng)的仿形銑、普通的三坐標或四坐標銑床都不能滿足加工工藝要求。用普通數(shù)控銑床加工一方面受葉片結(jié)構(gòu)的限制，刀具與工件容易產(chǎn)生干涉，另一方面加工效率低且為近似加工，加工質(zhì)量不能滿足要求，手工修整量較大，加工過程中需多次裝夾，使用多臺機床和專用工裝才能完成相應(yīng)的加工。目前，國內(nèi)外大型汽輪機葉片基本上都采用五坐標聯(lián)動機床加工，其加工效率比四坐標聯(lián)動機床高1倍以上，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾，完成包括型面、凸臺、葉冠、葉根圓角等多個空間曲面的加工，比四坐標機床可節(jié)省12～15道工序，比常規(guī)葉片加工方法節(jié)省25道工序，加工質(zhì)量穩(wěn)定，工藝流程合理，生產(chǎn)組織方便。這種加工工藝是葉片加工先進、合理、高效的工藝手段，也是葉片加工技術(shù)的發(fā)展方向。

3)XKH1600型五軸聯(lián)動加工中心在葉片加工中的應(yīng)用

a.40英寸葉片的結(jié)構(gòu)特點

目前XKH1600型五軸聯(lián)動加工中心加工的主要產(chǎn)品為600MW汽輪機末級動葉片(40英寸葉片)?，F(xiàn)以該型葉片為例，簡要介紹一下XKH1600五軸聯(lián)動加工中心加工這種葉片的情況。
圖140英寸葉片結(jié)構(gòu)簡圖

該葉片葉身彎扭變化較大，在葉根處型線的曲率較大，葉頂處型線比較平坦，葉根與葉頂?shù)男途€角度幾乎達90°。葉身的中間位置在內(nèi)背弧型面上各有一個凸臺。葉根圓角為非常復(fù)雜的混合曲面，葉根圓角在葉片高度方向上的各個位置，其R值是變化的，這給葉根圓角的造型和加工帶來了一定的難度。

b.加工內(nèi)容及加工狀況

首臺XKH1600型五坐標聯(lián)動加工中心于2003年11月投入使用。機床每天工作24小時(東汽工作安排為四班三運轉(zhuǎn))，每周停機8小時用于機床維修保養(yǎng)，月工作時間為680小時左右。在XKH1600加工40英寸葉片的加工內(nèi)容包括：葉身型面、內(nèi)背弧凸臺、葉根過渡圓角、葉冠過渡圓角及葉冠裝配面型線。各加工部位在機床上的加工形式見圖2～7。
圖2葉身加工簡圖圖3凸臺加工簡圖

圖4葉根平臺加工簡圖圖5葉根圓角加工簡圖

圖6葉冠型線加工簡圖圖7葉冠平臺加工簡圖

通過上述方式對40英寸葉片進行加工，其加工精度能夠滿足東方汽輪機廠的要求。自XKH1600五坐標聯(lián)動加工中心(5臺)投入使用以來，創(chuàng)造產(chǎn)值1100余萬元，加工產(chǎn)品合格率在95以上，與進口相應(yīng)規(guī)格的五坐標聯(lián)動加工機床相比生產(chǎn)效率約為進口機床的90。通過5C-VMC1250和XKH1600兩種規(guī)格五坐標聯(lián)動加工機床的使用，我們認為兩種型號的機床設(shè)計、制造是成功的，基本滿足了葉片加工工藝要求。其操作方便，服務(wù)及時有效，機床性價比高，達到了預(yù)期的目的。

3前景及展望

東方汽輪機廠與北京機電院的合作是成功的，<