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汽轮机叶片型面加工
Oct 29, 2012  来源:  作者:沈阳航空职业技术学院 郭萍 董大维

      叶片是透平机械中的核心零件,叶片一般都处在高温、高压和腐蚀的介质下工作。叶片的加工质量和寿命直接影响到机组的运行效率和可靠性,而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切关系。

 

      一、叶片加工的相关知识

 

     1、 叶片加工工艺

 

     叶片加工按照工艺区分一般分为方钢、方箱工艺,其中小型叶片一般采用方钢工艺,整体长方形材料采用大余量去除材料方法加工,一般材料去除率大于70%;大型叶片采用锻造毛坯后方箱工艺加工。

 

     2、叶片加工内容

 

     叶片加工主要包括叶根、叶身、叶冠、气道、过渡R加工。

 

     叶根主要起安装、定位作用,所以定位处精度、光洁度要求较高。

 

     叶身是主要工作部位,一般采用型面加工后精抛光来达到要求。

 

     2、 叶片毛坯种类

 

     叶片的毛坯形式可分为:模锻叶片毛坯,方刚叶片毛坯、精铸叶片毛坯。模锻叶片毛坯叶身部分单面延法向方向放量4-5mm,叶冠和叶根放量7mm左右,锻成方刚形式。

 

     4、叶片加工特点及难点

 

     1)一般先加工叶根,后以叶根作为定位基准装夹,叶冠顶针支撑,型面加工为剩余工序。

 

     2)由于叶片加工要求高材料去除率,但叶片材料一般为钛合金与高温合金材料,所以切削线速度一般都很低,且刀具磨损较快,要求刀具既锋利又要耐磨损。

 

     3)叶片刚性较差,装夹困难,加工过程中工件变形量大,尤其在型面加工过程中刀具经过出气边时,工件严重变形,刀具振刀,工件被加工表面有振纹。

 

     5、加工方法

 

     下面以汽轮机叶片叶身和气道型面的加工为例,简单介绍叶片型面加工的粗、半精、精加工的方式和刀具及刀具参数选择。该叶片为小型叶片,总长270mm,叶根长80mm,叶根厚40mm。零件对加工后的表面粗糙度和轮廓精度要求较高,其叶身较长、叶片壁薄。

 

     1) 传统数控加工方法

 

     对于叶盆、叶背、叶缘圆弧的加工利用球刀或鼓型刀分别进行区域加工、插铣等加工,有接刀痕,同时加工效率低。

 

     2)现代四轴联动加工方法四轴联动加工则是介于在三座标与五座标加工的一种数控加工方式。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。

 

     工件在机床上,一次装夹,先加工出方钢的装夹工艺凸台,再用中心钻头加工两端定位用的中心孔,这样充分保证了所有工艺基准的一致性;用工艺凸台和中心孔定位,用一端压夹一端顶紧的方式在四轴机床上进行装夹加工。

 

     二、叶片型面粗加工的几种模式

 

     1、用分层铣削法

 

     工件绕机床A轴旋转,刀具在Z轴方向切进一定的深度,再延X轴方向切去一层,如此反复进行,直至加工到位。

 

     2、车铣法

 

     工件绕机床A轴旋转,刀具在Z轴方向进刀切削,直至加工到位,然后再退刀,再在X轴方向进刀,继续加工。

 

     3、线性铣削

 

     机床一个个型面逐一进行面铣削,从而去除大部分余量,类似于区域加工方法。

 

     3、 螺旋铣削法

刀具围绕叶片型面作整周回转,采用玉米仿形铣刀,大切深进刀,切削深度一次性达到粗加工要求尺寸,同时沿X轴方向进刀,刀具的轨迹为径向螺旋的铣削线。

 

     4、 刀具种类及切削参数

 

  

  

     螺旋铣削粗加工采用玉米铣刀,端面采用两个刀片,切割第2行采用3个刀片,第3、4行采用4个刀片,此种刀具可进行大切深加工,切削刃长,加工效率高,广泛应用于粗加工。

 

     三、叶型的半精加工

 

     型面的半精加工采用螺旋线铣削方式,其走刀轨迹由刀具围绕叶片型面作整周回转的一系列螺旋线所形成。其特点是:叶片整周切削过程中,轨迹光滑连续,可采用高速铣削;同时切削过程中叶片对称受力,使加工变形大大减小。

 

     采用螺旋铣仿形加工的半精加实验切削参数如下:线速度为250m/min,每齿进给量0.16mm,进给量1.2mm/min,吃刀深度为2.5mm。

 

     四、叶片型面的精加工

 

     采用螺旋铣的方法进行加工,使用F2334,Ø32,Z=5,刀片ROHX08的仿形铣刀,相对以前的专用铣刀加工,加工时间缩短20%,刀具寿命增加30%,刀具成本降低10%。

 

     五、总结

 

     传统汽轮机叶片加工中,型面曲线采用什么曲线,直接影响所采用的加工发法,例如等截面叶片型面的加工,通常先加工内弧,用控制弧深的方法来保证气道与叶根的相对位置,加工背弧时,再以内弧型线定为,保证型面的最大厚度,粗铣后为精铣均匀留0.5mm余量。

 

     现代五轴加工费用较高,而四轴加工更具实际意义。四坐标数控机床加工叶片型面时,由于A轴可旋转,机床有刀具选择功能,刀具切削中,在刀具不发生干涉的情况铣刀直径越大越好,而且端面圆角可为任意角,此种加工比较适于中小型叶片的加工。

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