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汽轮机叶片的结构特点与数控加工技术研究
Oct 29, 2012  来源:  作者:南京农业大学工学院 陈光明,张旭阳

      0引言
 
      叶片是汽轮机的核心关键零件,是汽轮机的心脏,叶片加工质量的好坏直接影响到汽轮机的工作效率以及可靠性。随着汽轮机设计要求的提高,叶片形状复杂,叶片加工要求也越来越高,特别是叶片型面加工一直是汽轮机叶片生产的瓶颈口,传统的叶片加工方式加工工艺原始、加工手段落后,工人劳动负荷大,作业环境恶劣,生产效率很难提高,加工质量难以保证。因此研究汽轮机叶片制造新技术、新工艺已势在必行,本文主要研究汽轮机叶片加工的新的工艺方案和加工手段,探讨了汽轮机叶片的数控加工技术。
 
      1汽轮机叶片结构特点分析
 
      1.1汽轮机叶片结构组成及其作用
 
      汽轮机叶片按功能作用的不同可分为动叶片(如图1所示)和静叶片(如图2所示)两种。
 
      动叶片安装在转子叶轮或转鼓上,接受喷嘴叶栅射出的高速汽流,把蒸汽的动能转换为机械
能,使转子旋转。叶片装于转子上如图3所示。动叶片与汽轮机转子相连接并随转子一起转动,是将汽流的动能转换为有用功的极其重要的零件;静叶片(又称导叶)与汽轮机静子相连接处于不动状态,作导向叶片,其主要作用是改变汽流的方向,引导蒸汽进入下一列动叶片。不同功率的汽轮机中,处于不同级的叶片因工作条件不同,动叶片与静叶片具有各不相同的结构、尺寸及固定方法。

 

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      动叶片的结构主要由叶身(叶型)、叶根、叶冠(叶顶)等组成,如图1所示。
 
      1)叶身:叶身是叶片的基本工作部分,又称为叶身型面,叶身结构复杂,多为扭转自由曲面。如图4所示为叶片型面,叶身型面分为内型面(或内弧)、背型面(或背弧)、进汽边圆角、出汽边圆角、叶根圆角、叶冠圆角、拉筋等几个部分,如图1所示。叶身型面是由若干个截面型线拟合而成的光滑复杂曲面,由一组等距或不等距平行截面型线组成的空间扭曲面,其中叶身部分的横截面称为叶型,其每一个横截面边缘叫型线,如图5所示,一条叶片截面型线由叶盆曲线内弧)、叶背曲线(背弧)、进汽边曲线和出汽边曲线四条曲线组成,型线的结构决定叶片的工作情况,有的型面为弯扭变截面或等截面弯扭曲面。

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      叶身可分为直叶片和扭叶片(如图6所示)。直叶片是叶根到叶冠的型线不变化,是等截面叶片。扭叶片是叶根到叶冠的型线不规则,是变截面叶片。由于叶片型面是由复杂的自由曲面组成,几何精度要求高,传统的加工方法无法满足叶片加工的精度要求,因而其型面的加工是制约叶片生产效率和产品质量提高的瓶颈。


      2)叶根:叶片通过叶根牢靠地固定在叶轮上,保证在任何条件下叶片不会松动。叶根的作用是紧固动叶片,使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用下,不至于从轮缘沟槽里拔出来。

      因此要求它与轮缘配合部分要有足够的强度且应力集中要小。常见的叶片的叶根结构形状如图7(所示,可以分为:叉形(直叉)、阶梯叉(等强度)、榫齿形、T形、菌形和纵树形(如图6所示)等。

 

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      3)叶冠:叶片外端的固定则称为叶冠。汽轮机的叶冠部分通常装有围带,它将若干个叶片联接成叶片组,围带的主要作用是:(1)用围带联接后,使叶片刚性增加;(2)可以改变叶片的自振频率,从而避开共振;能减小叶片的振幅,提高叶片的抗振性;(3)可以使叶片构成封闭槽道;并可装置围带汽封,减少叶片顶部的漏汽损失。
 
      叶片汽道的进、出汽边较薄,叶冠、叶根圆角较小。
 
      1.2汽轮机叶片与叶轮的装配
 
      如图8所示叶轮的结构一般由轮缘、轮体(轮面)和轮壳三部分组成。轮缘用来固定叶片,其具体结构与叶片的受力情况及叶根形状有关;轮壳是叶轮套于主轴上的配合部分,其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式,为了保证轮壳有足够的强度,轮壳部分一般都要加厚。轮体是叶轮的中间部分,它起着连接轮缘与轮壳的作用,其断面应根据受力情况来确定。叶轮按其轮体的断面型线可分为以下四种:等厚度叶轮、双曲线叶轮、锥形叶轮和等强度叶轮等。叶片的叶根与叶轮装配如图9所示。

 

      2汽轮机叶片CAD/CAM技术工作流程

 

      汽轮机叶片的三维实体造型和数控加工程序的编制是叶片加工关键技术。目前,CAD/CAM软件的发展,如PrO/EUGSoliderworks等相关三维软件的发展使得叶片设计摆脱了传统的二维设计和手工绘图,用三维软件进行叶片设计,克服常规设计的不足,提高了设计效率,缩短汽轮机叶片的开发周期。通过CAD/CAM软件根据三维造型生成数控加工指令,对实体模型进行模拟仿真加工,确定加工刀具路径、加工参数和刀具补偿的方法,然后生成数控机床(如加工中心)可识别的NC程序输入数控机床进行叶片数控加工。如图10为汽轮机叶片CAD/CAM技术工作流程图。其中例如采用基于Pro/E软件对叶片的三维造型步骤如图11所示。 

 

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      汽轮机叶片的结构一般比较复杂,其三维建模过程也相对复杂。叶片的三维建模主要分为叶身型面、叶根和叶冠建模等部分。首先进行叶身造型,其次进行叶根和叶冠造型,然后再将三者进行布尔运算相加到一起,最后进行附加结构的设计,这样便可形成一个完整的叶片。数控加工程序的编制是根据叶片三维模型的尺寸关系确定的,所以叶片三维模型建立的好坏,直接影响到数控加工程序的编制,最终也就影响到叶片的加工质量。通过CAD/CAM软件(如Pro/E、UG等)进行叶片的三维建模实例:如图12为某动叶片基于Pro/E某T形叶根的叶片三维造型图,如图13为基于UG某菌形叶根的叶片三维造型图。

 

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      3汽轮机叶片的数控加工技术
 
      3.1汽轮机叶片的数控加工工艺
 
      叶片数控加工是表征汽轮机叶片制造技术达到现代先进制造水平的重要标志之一。基于数控机床的汽轮机叶片的数控加工流程主要分为两大部分完成:1)叶片的CAD的建模过程;2)数控机床的加工过程。主要加工内容为叶片的叶身型面、叶根、叶冠及叶身与叶根、叶冠的交接面。目前叶片加工工艺难点主要表现在:1)汽轮机叶片的材料一般为不锈钢制造,为难加工材料。常用的有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等材料,这些材料强度高、韧性大、热硬性好、加工时极易变形,加工难度大。2)叶片切削加工特性主要表现为:切削力大,切削变形大,切削热大,刀片易磨损。3)叶片结构外形复杂,主要为变截面扭曲叶片,而且叶片种类变化多样,加工精度要求很高,加工工艺要求高。叶片机械加工工作量一般要占整台汽轮机冷加工工时的25%~40%,需要多轴(如四、五轴)联动的数控机床来加工。叶片加工其工艺过程一般如下图14所示。

  

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      根据叶片零件图,分析叶片的具体结构,确定叶片数控加工内容:主要有叶型曲面(内弧、背弧),进汽边圆角、出汽边圆角、叶根圆角、叶冠圆角等的加工。可将叶片加工分为四个大的加工区域:1)基准面加工区。在该区域内采用四坐标(或三坐标)卧式加工中心,同时加工出所有的基准面,如:叶根和叶顶的背面(或背径向面)、叶根两侧面、叶根端面、内径向面及叶顶顶针孔等。2)汽道型面加工区。在此区域内采用五坐标五联动加工中心,一次完成整个汽道型面加工,以代替在普通机床上多工序完成的工作,可大大提高加工效率和质量。3)叶根加工区。在此区域内完成叶根的加工,由于叶根品种多、变化大,要按不同的类型采用不同的机床和铣刀型式进行加工。4)叶冠加工区。在此区域内采用三坐标立式或卧式加工中心加工铆钉头、叶顶加厚截面等部位。
 
      叶片数控加工应正确地选择叶型曲面加工方案。在数控铣床、加工中心上加工叶片汽道型面时,为了避免刀具与被加工型面间发生干涉,刀具一般选用球头铣刀,叶型曲面加工方案常使用两种加工方案:1)如图15(a)叶片回转加工即刀具沿着叶片截面型线方向加工,数控机床必需增加一个转动轴来参与联动,加工时工件叶片回转,刀具沿工件叶片截面型线切削一周,横向进刀后再切削下一周。这种方案符合零件数据给出情况,便于加工后检验。由于叶型是光滑连续的曲面,所以用一刀成形的方法,生成沿型线连续的刀具轨迹,一次加工出内弧和背弧。叶型的准确度高,叶型表面加工质量较好。但要求刀轨的步长较小,否则在加工背弧时会出现过切现象,因此数控程序较长,加工效率相对较低。2)如图15(b)沿着叶片的辐射线方向加工,叶片不回转加工即刀具沿着叶片轴线加工。这种方案加工时每次近似沿直线加工,由于叶片型面在辐射方向上的曲率半径要远大于截面方向,因此刀轨可采用较大的步长,而且一般不会出现过切现象,加工程序短,切削加工的效率较高,但表面加工质量较差。

 

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      在数控加工前,可以通过CAD/CAM软件进行自动编程,并模拟仿真加工,这样,可以减少试加工时间,并减少不必要的损失。现在叶片制造通过改进工艺,将去毛坯余量工序改在普通机床上完成,缩短叶片在数控机床上的加工工时,尽量利用数控机床加工精度高的特性,完成叶片型面的精加工工序。
 
      3.2汽轮机叶片的数控加工编程步骤
 
      随着CAD/CAM技术的发展,数控自动编程技术能直接将零件的几何信息转化为数控加工程序,给汽轮机叶片的数控加工程序的编制带来了很大的方便。基于UG或Pro/E软件的叶片数控加工编程主要步骤包括如下内容:1)叶片零件三维造型;2)确定叶片数控加工工艺方案,选定数控机床、刀具、夹具和量具等;3)刀位计算并生成刀具运动轨迹;4)刀具运动轨迹加工仿真、干涉校验和编辑,并可以将加工数据和信息生成刀位源文件,刀位源文件主要包括刀具信息、加工坐标系信息、刀具位置和姿态信息以及各种加工辅助命令信息等;5)上述生成的刀位源文件还需要经过后置处理器,转变为机床能够接受的数控程序,通过后置处理程序将刀位文件转换成为数控机床可读的NC代码。在交互操作过程中,在图形方式下交互编辑刀具路径,生成适合具体机床的数控加工程序。
 
      在编制数控加工程序时,本着基准统一、减少走刀次数的原则,把叶片叶身型面、叶冠与叶根圆角、进、出汽边圆角的数控加工程序编制在一起。在叶片的加工中根据工艺的需要,一般选择叶根的中心轴线为加工坐标系的零点。由于目前叶片叶身型面设计越来越复杂,精度要求越来越高,因此数控加工程序也越来越复杂,出现错误的概率也随之增加。
 
      通常情况下,如果加工程序编制不恰当,可能出现下列问题:1)加工方案不合理,影响加工效率;2)刀具参数设置不当,如刀具半径选择过大,零件加工不完全,出现大的残留;刀具半径选择过小,切削效率较低;3)刀具与工件之间发生干涉或碰撞;4)刀具走刀路线、进退刀的方式不合理;5)刀位轨迹不正确,零件外形或尺寸错误;6)切削参数选择不当,如主轴转速、进给速度、步距等选择不合适;7)加工过程中刀具与工件之间发生过切现象;8)零点选择不恰当,无法找到对刀点。这些问题的出现往往会给实际零件的加工造成很多麻烦,诸如重新编制加工程序、加工后必须打磨零件、返修零件或工装、零件报废和延迟产品交付等。这样会从根本上削弱数控加工技术的可靠性并影响其推广应用。因此数控加工程序的实现、质量、效率很大程度上取决于所编程序的合理性,为避免上述问题出现,可利用UG或Pro/E软件加工仿真功能,可预先模仿加工过程,检查是否出现上述问题,这样在正式加工前就可以发现问题,从而可提高加工准备效率,缩短程序调试周期,加快生产过程。
 
      随着机床技术的发展,数控机床日益广泛地应用于叶片加工。总之,采用数控机床进行叶片数控加工的主要优越性表现在:1)能提高叶片加工质量,保证叶片型线更接近理论叶型。一次装夹完成多道工序,可减少装夹次数、基准统一,这样不仅可提高劳动生产率,更重要的是可减少装夹和定位误差,大大提高加工质量。2)能提高叶片加工效率。采用五坐标加工中心加工汽道型面,工序集中、工装少、效率高、精度高。3)采用加工中心加工叶片可以完成结构更复杂的叶片加工,如带冠弯扭叶片等,有效的解决了采用普通机床难以保证精度的关键。4)降低了工人的劳动强度。
 
      通过基于数控机床的汽轮机叶片的数控加工生产实践证明,叶片加工质量好,叶片加工效率高,较好地解决了叶片批量生产的质量和效率问题,在生产中取得了很好的效果,这为叶片等具有复杂曲面的零件加工提供了一种新的工艺方案和加工思路。
 
      4结束语
 
      本课题着重介绍运用Pro/E、UG等软件对汽轮机叶片进行三维造型和数控加工编程生成,为叶片的数字化设计制造(包括叶片型面的参数化设计、叶片型面数控编程及型面测具设计)提供强大的技术支持,也为今后对汽轮机叶片动态性能及疲劳损坏形式等的CAE分析奠定技术基础。
 
      随着汽轮机叶片加工要求的提高,加工误差的分析研究就显得越发重要,尤其是叶片加工中的变形问题。必须寻求有效的方式减少加工中的变形。比如,可以将机床的回转工作台改为双轴同步驱动,减少单侧驱动所产生的扭转变形;加工时叶片零件装夹方式可以由顶尖压紧改为拉伸的装夹方式,给叶片预加拉力,减少加工中因切削力作用所产生的变形等。如何减少汽轮机叶片加工的误差,提高叶片的加工精度,提高加工效率,获得叶片良好的整体性能,是一个十分有意义的研究课题。
 
      在叶片的加工过程中正确地选择合理的加工工艺基准,确定合理的工艺流程和加工方法,设计合理可靠适用的工艺装备,研究设计严密可靠的测量方法,才能保证加工出合格的叶片。叶片数控加工的刀具耐用度与切削用量之间不是单纯的函数关系,必须找出其最佳组合,即优化切削用量。同时选好铣削刀具,提高切削参数,完善优化数控程序设计,用足用好数控机床,充分发挥其经济效益,为加工汽轮机叶片开创新的工艺思路。
 
      目前叶片的加工一般使用多轴(3、4、5轴)加工中心代替传统的加工方法,新型五轴联动加工中心可以加工一般三轴数控机床所不能加工行或很难一次装夹完成加工的连续、平滑的自由曲面。国产新型五轴联动加工中心的研制成功,给汽轮机叶片的数控加工带来了新的飞越,在汽轮机叶片的加工中得到了较好的应用,叶片型面加工工艺得到了很大的改进,工艺方法更为灵活,提高了叶片加工生产率和加工质量,减轻了劳动强度,从而使我国的汽轮机叶片制造技术赶上了国际先进水平,并促进电力、飞机和军工业的发展,对促进经济发展和国防建设具有重大意义。

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