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      汽輪機葉片的結構特點與數控加工技術研究
      2012-10-29  來源:  作者:南京農業大學工學院 陳光明,張旭陽

            0引言
       
            葉片是汽輪機的核心關鍵零件,是汽輪機的心臟,葉片加工質量的好壞直接影響到汽輪機的工作效率以及可靠性。隨著汽輪機設計要求的提高,葉片形狀復雜,葉片加工要求也越來越高,特別是葉片型面加工一直是汽輪機葉片生產的瓶頸口,傳統的葉片加工方式加工工藝原始、加工手段落后,工人勞動負荷大,作業環境惡劣,生產效率很難提高,加工質量難以保證。因此研究汽輪機葉片制造新技術、新工藝已勢在必行,本文主要研究汽輪機葉片加工的新的工藝方案和加工手段,探討了汽輪機葉片的數控加工技術。
       
            1汽輪機葉片結構特點分析
       
            1.1汽輪機葉片結構組成及其作用
       
            汽輪機葉片按功能作用的不同可分為動葉片(如圖1所示)和靜葉片(如圖2所示)兩種。
       
            動葉片安裝在轉子葉輪或轉鼓上,接受噴嘴葉柵射出的高速汽流,把蒸汽的動能轉換為機械
      能,使轉子旋轉。葉片裝于轉子上如圖3所示。動葉片與汽輪機轉子相連接并隨轉子一起轉動,是將汽流的動能轉換為有用功的極其重要的零件;靜葉片(又稱導葉)與汽輪機靜子相連接處于不動狀態,作導向葉片,其主要作用是改變汽流的方向,引導蒸汽進入下一列動葉片。不同功率的汽輪機中,處于不同級的葉片因工作條件不同,動葉片與靜葉片具有各不相同的結構、尺寸及固定方法。

       

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            動葉片的結構主要由葉身(葉型)、葉根、葉冠(葉頂)等組成,如圖1所示。
       
            1)葉身:葉身是葉片的基本工作部分,又稱為葉身型面,葉身結構復雜,多為扭轉自由曲面。如圖4所示為葉片型面,葉身型面分為內型面(或內?。?、背型面(或背?。?、進汽邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角、拉筋等幾個部分,如圖1所示。葉身型面是由若干個截面型線擬合而成的光滑復雜曲面,由一組等距或不等距平行截面型線組成的空間扭曲面,其中葉身部分的橫截面稱為葉型,其每一個橫截面邊緣叫型線,如圖5所示,一條葉片截面型線由葉盆曲線內?。?、葉背曲線(背?。?、進汽邊曲線和出汽邊曲線四條曲線組成,型線的結構決定葉片的工作情況,有的型面為彎扭變截面或等截面彎扭曲面。

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            葉身可分為直葉片和扭葉片(如圖6所示)。直葉片是葉根到葉冠的型線不變化,是等截面葉片。扭葉片是葉根到葉冠的型線不規則,是變截面葉片。由于葉片型面是由復雜的自由曲面組成,幾何精度要求高,傳統的加工方法無法滿足葉片加工的精度要求,因而其型面的加工是制約葉片生產效率和產品質量提高的瓶頸。


            2)葉根:葉片通過葉根牢靠地固定在葉輪上,保證在任何條件下葉片不會松動。葉根的作用是緊固動葉片,使其在經受汽流的推力和旋轉離心力作用下,不至于從輪緣溝槽里拔出來。

            因此要求它與輪緣配合部分要有足夠的強度且應力集中要小。常見的葉片的葉根結構形狀如圖7(所示,可以分為:叉形(直叉)、階梯叉(等強度)、榫齒形、T形、菌形和縱樹形(如圖6所示)等。

       

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            3)葉冠:葉片外端的固定則稱為葉冠。汽輪機的葉冠部分通常裝有圍帶,它將若干個葉片聯接成葉片組,圍帶的主要作用是:(1)用圍帶聯接后,使葉片剛性增加;(2)可以改變葉片的自振頻率,從而避開共振;能減小葉片的振幅,提高葉片的抗振性;(3)可以使葉片構成封閉槽道;并可裝置圍帶汽封,減少葉片頂部的漏汽損失。
       
            葉片汽道的進、出汽邊較薄,葉冠、葉根圓角較小。
       
            1.2汽輪機葉片與葉輪的裝配
       
            如圖8所示葉輪的結構一般由輪緣、輪體(輪面)和輪殼三部分組成。輪緣用來固定葉片,其具體結構與葉片的受力情況及葉根形狀有關;輪殼是葉輪套于主軸上的配合部分,其結構取決于葉輪在主軸上的套裝方式,為了保證輪殼有足夠的強度,輪殼部分一般都要加厚。輪體是葉輪的中間部分,它起著連接輪緣與輪殼的作用,其斷面應根據受力情況來確定。葉輪按其輪體的斷面型線可分為以下四種:等厚度葉輪、雙曲線葉輪、錐形葉輪和等強度葉輪等。葉片的葉根與葉輪裝配如圖9所示。

       

            2汽輪機葉片CAD/CAM技術工作流程

       

            汽輪機葉片的三維實體造型和數控加工程序的編制是葉片加工關鍵技術。目前,CAD/CAM軟件的發展,如PrO/E、UG、Soliderworks等相關三維軟件的發展使得葉片設計擺脫了傳統的二維設計和手工繪圖,用三維軟件進行葉片設計,克服常規設計的不足,提高了設計效率,縮短汽輪機葉片的開發周期。通過CAD/CAM軟件根據三維造型生成數控加工指令,對實體模型進行模擬仿真加工,確定加工刀具路徑、加工參數和刀具補償的方法,然后生成數控機床(如加工中心)可識別的NC程序輸入數控機床進行葉片數控加工。如圖10為汽輪機葉片CAD/CAM技術工作流程圖。其中例如采用基于Pro/E軟件對葉片的三維造型步驟如圖11所示。 

       

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            汽輪機葉片的結構一般比較復雜,其三維建模過程也相對復雜。葉片的三維建模主要分為葉身型面、葉根和葉冠建模等部分。首先進行葉身造型,其次進行葉根和葉冠造型,然后再將三者進行布爾運算相加到一起,最后進行附加結構的設計,這樣便可形成一個完整的葉片。數控加工程序的編制是根據葉片三維模型的尺寸關系確定的,所以葉片三維模型建立的好壞,直接影響到數控加工程序的編制,最終也就影響到葉片的加工質量。通過CAD/CAM軟件(如Pro/E、UG等)進行葉片的三維建模實例:如圖12為某動葉片基于Pro/E某T形葉根的葉片三維造型圖,如圖13為基于UG某菌形葉根的葉片三維造型圖。

       

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            3汽輪機葉片的數控加工技術
       
            3.1汽輪機葉片的數控加工工藝
       
            葉片數控加工是表征汽輪機葉片制造技術達到現代先進制造水平的重要標志之一?;跀悼貦C床的汽輪機葉片的數控加工流程主要分為兩大部分完成:1)葉片的CAD的建模過程;2)數控機床的加工過程。主要加工內容為葉片的葉身型面、葉根、葉冠及葉身與葉根、葉冠的交接面。目前葉片加工工藝難點主要表現在:1)汽輪機葉片的材料一般為不銹鋼制造,為難加工材料。常用的有1Cr13、2Cr13、2Cr12MoV等材料,這些材料強度高、韌性大、熱硬性好、加工時極易變形,加工難度大。2)葉片切削加工特性主要表現為:切削力大,切削變形大,切削熱大,刀片易磨損。3)葉片結構外形復雜,主要為變截面扭曲葉片,而且葉片種類變化多樣,加工精度要求很高,加工工藝要求高。葉片機械加工工作量一般要占整臺汽輪機冷加工工時的25%~40%,需要多軸(如四、五軸)聯動的數控機床來加工。葉片加工其工藝過程一般如下圖14所示。

        

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            根據葉片零件圖,分析葉片的具體結構,確定葉片數控加工內容:主要有葉型曲面(內弧、背?。?,進汽邊圓角、出汽邊圓角、葉根圓角、葉冠圓角等的加工??蓪⑷~片加工分為四個大的加工區域:1)基準面加工區。在該區域內采用四坐標(或三坐標)臥式加工中心,同時加工出所有的基準面,如:葉根和葉頂的背面(或背徑向面)、葉根兩側面、葉根端面、內徑向面及葉頂頂針孔等。2)汽道型面加工區。在此區域內采用五坐標五聯動加工中心,一次完成整個汽道型面加工,以代替在普通機床上多工序完成的工作,可大大提高加工效率和質量。3)葉根加工區。在此區域內完成葉根的加工,由于葉根品種多、變化大,要按不同的類型采用不同的機床和銑刀型式進行加工。4)葉冠加工區。在此區域內采用三坐標立式或臥式加工中心加工鉚釘頭、葉頂加厚截面等部位。
       
            葉片數控加工應正確地選擇葉型曲面加工方案。在數控銑床、加工中心上加工葉片汽道型面時,為了避免刀具與被加工型面間發生干涉,刀具一般選用球頭銑刀,葉型曲面加工方案常使用兩種加工方案:1)如圖15(a)葉片回轉加工即刀具沿著葉片截面型線方向加工,數控機床必需增加一個轉動軸來參與聯動,加工時工件葉片回轉,刀具沿工件葉片截面型線切削一周,橫向進刀后再切削下一周。這種方案符合零件數據給出情況,便于加工后檢驗。由于葉型是光滑連續的曲面,所以用一刀成形的方法,生成沿型線連續的刀具軌跡,一次加工出內弧和背弧。葉型的準確度高,葉型表面加工質量較好。但要求刀軌的步長較小,否則在加工背弧時會出現過切現象,因此數控程序較長,加工效率相對較低。2)如圖15(b)沿著葉片的輻射線方向加工,葉片不回轉加工即刀具沿著葉片軸線加工。這種方案加工時每次近似沿直線加工,由于葉片型面在輻射方向上的曲率半徑要遠大于截面方向,因此刀軌可采用較大的步長,而且一般不會出現過切現象,加工程序短,切削加工的效率較高,但表面加工質量較差。

       

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            在數控加工前,可以通過CAD/CAM軟件進行自動編程,并模擬仿真加工,這樣,可以減少試加工時間,并減少不必要的損失?,F在葉片制造通過改進工藝,將去毛坯余量工序改在普通機床上完成,縮短葉片在數控機床上的加工工時,盡量利用數控機床加工精度高的特性,完成葉片型面的精加工工序。
       
            3.2汽輪機葉片的數控加工編程步驟
       
            隨著CAD/CAM技術的發展,數控自動編程技術能直接將零件的幾何信息轉化為數控加工程序,給汽輪機葉片的數控加工程序的編制帶來了很大的方便?;赨G或Pro/E軟件的葉片數控加工編程主要步驟包括如下內容:1)葉片零件三維造型;2)確定葉片數控加工工藝方案,選定數控機床、刀具、夾具和量具等;3)刀位計算并生成刀具運動軌跡;4)刀具運動軌跡加工仿真、干涉校驗和編輯,并可以將加工數據和信息生成刀位源文件,刀位源文件主要包括刀具信息、加工坐標系信息、刀具位置和姿態信息以及各種加工輔助命令信息等;5)上述生成的刀位源文件還需要經過后置處理器,轉變為機床能夠接受的數控程序,通過后置處理程序將刀位文件轉換成為數控機床可讀的NC代碼。在交互操作過程中,在圖形方式下交互編輯刀具路徑,生成適合具體機床的數控加工程序。
       
            在編制數控加工程序時,本著基準統一、減少走刀次數的原則,把葉片葉身型面、葉冠與葉根圓角、進、出汽邊圓角的數控加工程序編制在一起。在葉片的加工中根據工藝的需要,一般選擇葉根的中心軸線為加工坐標系的零點。由于目前葉片葉身型面設計越來越復雜,精度要求越來越高,因此數控加工程序也越來越復雜,出現錯誤的概率也隨之增加。
       
            通常情況下,如果加工程序編制不恰當,可能出現下列問題:1)加工方案不合理,影響加工效率;2)刀具參數設置不當,如刀具半徑選擇過大,零件加工不完全,出現大的殘留;刀具半徑選擇過小,切削效率較低;3)刀具與工件之間發生干涉或碰撞;4)刀具走刀路線、進退刀的方式不合理;5)刀位軌跡不正確,零件外形或尺寸錯誤;6)切削參數選擇不當,如主軸轉速、進給速度、步距等選擇不合適;7)加工過程中刀具與工件之間發生過切現象;8)零點選擇不恰當,無法找到對刀點。這些問題的出現往往會給實際零件的加工造成很多麻煩,諸如重新編制加工程序、加工后必須打磨零件、返修零件或工裝、零件報廢和延遲產品交付等。這樣會從根本上削弱數控加工技術的可靠性并影響其推廣應用。因此數控加工程序的實現、質量、效率很大程度上取決于所編程序的合理性,為避免上述問題出現,可利用UG或Pro/E軟件加工仿真功能,可預先模仿加工過程,檢查是否出現上述問題,這樣在正式加工前就可以發現問題,從而可提高加工準備效率,縮短程序調試周期,加快生產過程。
       
            隨著機床技術的發展,數控機床日益廣泛地應用于葉片加工??傊?,采用數控機床進行葉片數控加工的主要優越性表現在:1)能提高葉片加工質量,保證葉片型線更接近理論葉型。一次裝夾完成多道工序,可減少裝夾次數、基準統一,這樣不僅可提高勞動生產率,更重要的是可減少裝夾和定位誤差,大大提高加工質量。2)能提高葉片加工效率。采用五坐標加工中心加工汽道型面,工序集中、工裝少、效率高、精度高。3)采用加工中心加工葉片可以完成結構更復雜的葉片加工,如帶冠彎扭葉片等,有效的解決了采用普通機床難以保證精度的關鍵。4)降低了工人的勞動強度。
       
            通過基于數控機床的汽輪機葉片的數控加工生產實踐證明,葉片加工質量好,葉片加工效率高,較好地解決了葉片批量生產的質量和效率問題,在生產中取得了很好的效果,這為葉片等具有復雜曲面的零件加工提供了一種新的工藝方案和加工思路。
       
            4結束語
       
            本課題著重介紹運用Pro/E、UG等軟件對汽輪機葉片進行三維造型和數控加工編程生成,為葉片的數字化設計制造(包括葉片型面的參數化設計、葉片型面數控編程及型面測具設計)提供強大的技術支持,也為今后對汽輪機葉片動態性能及疲勞損壞形式等的CAE分析奠定技術基礎。
       
            隨著汽輪機葉片加工要求的提高,加工誤差的分析研究就顯得越發重要,尤其是葉片加工中的變形問題。必須尋求有效的方式減少加工中的變形。比如,可以將機床的回轉工作臺改為雙軸同步驅動,減少單側驅動所產生的扭轉變形;加工時葉片零件裝夾方式可以由頂尖壓緊改為拉伸的裝夾方式,給葉片預加拉力,減少加工中因切削力作用所產生的變形等。如何減少汽輪機葉片加工的誤差,提高葉片的加工精度,提高加工效率,獲得葉片良好的整體性能,是一個十分有意義的研究課題。
       
            在葉片的加工過程中正確地選擇合理的加工工藝基準,確定合理的工藝流程和加工方法,設計合理可靠適用的工藝裝備,研究設計嚴密可靠的測量方法,才能保證加工出合格的葉片。葉片數控加工的刀具耐用度與切削用量之間不是單純的函數關系,必須找出其最佳組合,即優化切削用量。同時選好銑削刀具,提高切削參數,完善優化數控程序設計,用足用好數控機床,充分發揮其經濟效益,為加工汽輪機葉片開創新的工藝思路。
       
            目前葉片的加工一般使用多軸(3、4、5軸)加工中心代替傳統的加工方法,新型五軸聯動加工中心可以加工一般三軸數控機床所不能加工行或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲面。國產新型五軸聯動加工中心的研制成功,給汽輪機葉片的數控加工帶來了新的飛越,在汽輪機葉片的加工中得到了較好的應用,葉片型面加工工藝得到了很大的改進,工藝方法更為靈活,提高了葉片加工生產率和加工質量,減輕了勞動強度,從而使我國的汽輪機葉片制造技術趕上了國際先進水平,并促進電力、飛機和軍工業的發展,對促進經濟發展和國防建設具有重大意義。

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