整體噴嘴環(huán)高效數(shù)控加工技術

藺小軍 史耀耀 任軍學

西北工業(yè)大學現(xiàn)代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安，710072

0 引言

在火力發(fā)電機組中，汽輪機起著非常重要的作用，其主要功能是把蒸汽的壓力能轉(zhuǎn)換成動能，而噴嘴組結構是汽輪機核心部件之一，其質(zhì)量好壞直接影響燃氣輪機壓氣機的壓縮比，進而影響燃燒質(zhì)量和發(fā)電效率，因此噴嘴組質(zhì)量的優(yōu)劣已經(jīng)成為影響能源利用率的一個關鍵因素。

噴嘴組由左旋噴嘴環(huán)和右旋噴嘴環(huán)裝配組合而成。對于火電機組，中壓噴嘴組由左旋噴嘴環(huán)、右旋噴嘴環(huán)及防護環(huán)組合而成；對于核電機組，高壓噴嘴組由左旋噴嘴環(huán)和右旋噴嘴環(huán)組合而成。傳統(tǒng)的噴嘴結構由多個單獨噴嘴葉片組裝而成，每個噴嘴葉片單獨銑削加工，然后通過裝配、焊接，連接成一個噴嘴環(huán)［1］。隨著技術的不斷發(fā)展，整體噴嘴結構，即整體噴嘴環(huán)（也叫靜葉環(huán)，static blade ring）被設計開發(fā)出來，并被成功應用于600MW和1000MW超超臨界火電機組以及核電機組中。

1 整體噴嘴環(huán)

與傳統(tǒng)的噴嘴組結構相比，整體噴嘴環(huán)將原本獨立的多個噴嘴葉片設計成一個整體結構，如圖1、圖2所示。整體噴嘴環(huán)由內(nèi)緣板、外緣板和葉片組成。為了在機匣中安裝方便，整體噴嘴環(huán)由兩個完全相同的半環(huán)組合而成，圖2所示的噴嘴環(huán)就是由左旋噴嘴半環(huán)、右旋噴嘴半環(huán)和防護半環(huán)組成的。

整體噴嘴環(huán)的出現(xiàn)減小了單個葉片加工后的變形誤差，并且省去了傳統(tǒng)單個噴嘴葉片在銑削完成后還要進行裝配焊接成整體的過程，消除了由于裝配和焊接造成的誤差，進一步提高了能效比。最近幾年又出現(xiàn)了一種新型整體噴嘴結構，用于大容量超超臨界火電機組和核電機組，如圖2所示的1000MW噴嘴組。該類噴嘴有以下特點：①根據(jù)功能不同分為中壓噴嘴和高壓噴嘴；②噴嘴環(huán)由兩個完全相同的半環(huán)組成；③噴嘴環(huán)較大，直徑達到1000～2200mm；④從噴嘴葉盆方向上看，內(nèi)緣板形狀為倒錐體，如圖2所示，且較葉片前緣和外緣板高出100mm以上；⑤排氣邊喉道寬度為12～22mm。

圖1 整體噴嘴環(huán)

圖2 1000MW中壓噴嘴組

2 整體噴嘴制造技術現(xiàn)狀

整體噴嘴雖然為提高機組容量、節(jié)省能源、減少污染提供了條件保障，但是由于開敞性差，因此制造難度相應較大。目前國內(nèi)汽輪機廠對于整體噴嘴環(huán)的加工方法有電解加工和電火花加工兩種。雖然采用這兩種方法能對一些噴嘴進行加工，但僅限于尺寸較小且開敞性好的噴嘴環(huán)，對于如圖2所示的尺寸較大、開敞性差的噴嘴環(huán)，由于受電解加工設備和技術以及電火花加工效率的限制，采用這兩種方法是很難實現(xiàn)高效高質(zhì)量加工的。

數(shù)控加工具有快速反應和可靠性高的特點，德國西門子公司采用數(shù)控加工技術實現(xiàn)了對各類噴嘴環(huán)的高效高質(zhì)量加工。

3 整體噴嘴環(huán)數(shù)控加工技術

21世紀初西北工業(yè)大學打破國外技術封鎖，攻克了航空發(fā)動機整體葉盤數(shù)控加工技術難題［2－3］，生產(chǎn)出了各種型號的整體葉盤，在此基礎上實現(xiàn)了整體噴嘴環(huán)數(shù)控加工。

3.1 整體噴嘴環(huán)的加工難點及其加工工藝

整體噴嘴環(huán)由于是整體加工，葉片扭曲度大，葉片間通道深而窄，受內(nèi)外緣板約束導致其開敞性很差，加工約束多，因此整體噴嘴環(huán)的加工難點就是數(shù)控加工時加工區(qū)域劃分、最佳刀軸確定以及五坐標數(shù)控編程。另外由于整體噴嘴環(huán)尺寸較大，葉片數(shù)量多，材料切除率高，因此在保證噴嘴環(huán)質(zhì)量的前提下，提高加工效率也成為其加工難點。

通過對整體噴嘴環(huán)結構特點和制造工藝的需求分析，提出如下一種整體噴嘴環(huán)制造工藝：毛坯鍛造→車削→分割→數(shù)控銑削→拋光→形面和喉道測量→組裝。在噴嘴環(huán)整個制造過程中，從毛坯到零件，材料切除率超過60%。車削是金屬切削加工的第一道工序，主要是內(nèi)外緣板回轉(zhuǎn)面的加工，一方面為后續(xù)工序提供加工基準，另外一方面是去除大量余量，相比毛坯其材料切除率達到50%。分割工序是把噴嘴整環(huán)分割為兩個半環(huán)，采用線切割加工方法進行分割。為了避開葉片，分割面是一個臺階面，而且臺階面交線與噴嘴環(huán)端面成一定角度，因此在切割時，必須使線切割絲與噴嘴環(huán)端面成相應角度，如圖3所示。數(shù)控銑削就是采用大型三軸數(shù)控銑床或五軸加工中心加工出噴嘴環(huán)的葉片形面，一方面要保證質(zhì)量和提高效率，另外一方面還要減少五軸機床的工時，盡可能多地選用三軸機床，以提高經(jīng)濟效益。由于數(shù)控銑削加工工時占所有金屬切削加工工時的80%，因此提高加工效率得從數(shù)控銑削入手。葉片形面數(shù)控銑削完成后要對葉片形面進行拋光，以提高表面光潔度和完整性，可以采用手工拋光或電解拋光。拋光完成后對葉片形面和噴嘴喉道尺寸進行測量。最后對檢驗合格的噴嘴環(huán)進行裝配，裝配后加工定位鍵槽，以保證左旋噴嘴和右旋噴嘴的相對位置。

圖3 噴嘴環(huán)線切割示意圖

3.2 數(shù)控加工關鍵技術

整體噴嘴環(huán)葉片形面由數(shù)控銑削加工完成。數(shù)控加工前首先進行數(shù)控加工工藝分析，數(shù)控加工工藝性分析以保證質(zhì)量、提高加工效率為前提，通過對噴嘴通道形狀和特征的分析，為工藝人員提供數(shù)控編程所需的工藝參數(shù)，包括加工所需數(shù)控機床、刀柄、刀具、夾具等信息。通道分析的內(nèi)容包括：通道的開敞性，即通道最窄寬度、約束狀態(tài)；葉片的扭曲度、各個截面的厚度、前后緣半徑大小及變化情況；內(nèi)外緣板與葉片的過渡圓角半徑及其是否變化等。通道分析為數(shù)控編程、確定加工區(qū)域和最佳刀軸方向提供幫助。

整體噴嘴環(huán)在數(shù)控銑削前已經(jīng)分割，由于其葉片均布且分割時避免了切傷葉片，因此在數(shù)控銑削加工時，可以整環(huán)組合起來加工，也可以半環(huán)分別加工。

3.2.1 加工區(qū)域劃分及最佳刀軸方向確定

加工區(qū)域劃分及最佳刀軸方向確定是以提高加工效率為目的的。在加工設備確定后，優(yōu)化刀具剛性成為提高加工效率最有效的途徑。提高刀具的剛性除選用高強度刀具外還有三個方面因素：①控制加工刀具有效長度到最短；②盡可能增大刀具直徑；③選擇合適的刀柄以縮短刀具長度。要實現(xiàn)這三個方面就要對加工區(qū)域和刀軸方向進行優(yōu)化。

加工區(qū)域劃分的原則是盡可能多地選用三軸數(shù)控銑床進行加工和提高刀具剛性。

對于不受約束的噴嘴環(huán)葉背形面，可以選用三軸數(shù)控銑床進行加工。而對于其余葉背形面和葉盆形面，必須選用五軸數(shù)控機床進行加工，如圖4、圖5所示。

圖4 加工區(qū)域劃分

圖5 噴嘴環(huán)葉背加工

整體噴嘴葉片由于受相鄰葉片及內(nèi)外緣板的約束，根本無法全區(qū)域單次加工完成，必須對加工區(qū)域進行劃分，各區(qū)域分別加工對接，如圖4所示，不同的加工區(qū)域刀軸方向不同。對于噴嘴環(huán)的葉盆，由于葉片排氣邊的干涉，如圖4所示，無法從排氣邊進行加工，因此葉片的葉盆加工必須在進氣邊一端加工完成。而對于噴嘴環(huán)的葉背，由于葉背曲面彎曲較大，屬弓形曲面，無法從一端完成整個葉背曲面的加工，而必須采用從進排氣邊雙側對接方式進行加工，如圖5所示。

加工區(qū)域的劃分與加工刀軸方向有很大關系，如圖6所示，對于通道內(nèi)部葉片上的同一點，所需加工刀具長度隨刀軸方向變化而變化，且相差很大。圖6中刀軸方向A比刀軸方向B的刀具長度要短δ。通過確定最佳刀軸方向，從而獲得最短的刀具長度，進而獲得最大的刀具剛度和加工效率。在刀具刀位軌跡計算中，刀軸方向的確定是實現(xiàn)無干涉及高效加工的關鍵和難點。確定最佳刀軸方向的原則是在不產(chǎn)生干涉的條件下提高刀具的剛性。

圖6 刀具長度與刀軸方向關系

整體噴嘴環(huán)加工是處在多約束狀態(tài)下進行的，合理劃分加工區(qū)域并優(yōu)化刀軸方向?qū)μ岣叩毒邉傂云鹬浅Ｖ匾淖饔?。另外，為了確保整體噴嘴環(huán)在加工過程中不發(fā)生干涉與碰撞現(xiàn)象，必須對刀具刀位軌跡進行驗證和檢查，以確定刀位軌跡計算的正確性，判斷刀桿、刀柄是否與通道四周干涉或碰撞。

3.2.2 高效粗加工技術

3.2.2.1 快速銑削數(shù)控加工技術

快速銑技術是介于普通銑削與高速銑削之間的一種高效粗加工技術，主要用于粗加工。加工時主軸轉(zhuǎn)速在2000～3000r／min之間，加工刀具大多采用機夾式可換刀片環(huán)形刀，加工零件材料僅限于普通硬度材料的零件，不需要專門的機床，只要機床主軸轉(zhuǎn)速能達到2000r／min以上就可以采用快速銑削進行加工?？焖巽娤髟诰幊虝r采用腔槽銑方法進行編程，圖7所示為噴嘴葉背快速銑削的刀位軌跡。

圖7 噴嘴葉背快速銑刀位軌跡

由于快速銑削采用可換刀片式刀具，當?shù)镀p時只需對刀片進行更換，不需要對刀具進行裝夾以及對刀具長度重新進行設置，極大地節(jié)省了換刀時間，提高了加工效率。圖8為噴嘴葉背形面快速銑加工結果圖。

圖8 噴嘴葉背形面快速銑加工結果圖

3.2.2.2 插銑數(shù)控加工技術［4－7］

插銑法切削力相對穩(wěn)定，刀具振動小，適用于難加工材料的大余量去除以及刀具懸伸長度較大時的加工情況，加工相對穩(wěn)定，并且可采用較大的切削用量，進而提高加工效率。

插銑方法在普通數(shù)控機床上就可以實現(xiàn)，使用刀具一般為平底端銑刀或環(huán)形刀，底部刀刃必須過刀具中心，加工高溫合金材料的零件時，宜選用合金刀具，加工不銹鋼材料的零件時，宜選用高速鋼刀具。在數(shù)控編程時主要是要控制其加工步距S和每齒進給量fz，即

式中，d為刀具直徑。

要控制每齒進給量fz，就要控制主軸轉(zhuǎn)速n和走刀速度v，其關系如下：

式中，z為刀具刀刃刃數(shù)。

在噴嘴環(huán)葉背加工中，通道受前后葉片以及內(nèi)外緣板的約束，刀具直徑較小且懸伸較長，采用普通加工方法——側銑時，加工很不穩(wěn)定，硬質(zhì)合金刀具很容易崩刃，高速鋼刀具擺動大，易啃傷噴嘴葉背形面。圖9為噴嘴環(huán)通道插銑刀位軌跡圖，圖10為噴嘴環(huán)通道插銑結果圖。采用插銑后葉形啃傷問題徹底解決，加工效率也得到了提高。

圖9 噴嘴環(huán)通道插銑刀位軌跡

圖10 噴嘴環(huán)通道插銑結果圖

3.2.3 整體噴嘴環(huán)葉片通道形面精加工技術

粗加工以提高加工效率、去掉大余量為目的，精加工則以保證形面質(zhì)量為目的，即達到葉形公差和較小的表面粗糙度，為后續(xù)拋光工序減少工作量。

噴嘴環(huán)葉片通道的精加工區(qū)域包括內(nèi)緣板、外緣板、葉片形面、前后緣、葉片與內(nèi)外緣板過渡區(qū)域。由于噴嘴通道的約束，精銑加工必須采用五軸加工中心［8－9］，刀具選用球頭立銑刀，走刀為線驅(qū)動單向走刀方式，驅(qū)動線必須根據(jù)約束邊界進行裁剪，以避免刀具或刀柄與噴嘴碰撞。雖然噴嘴通道在粗加工后進行精加工，但是由于葉片彎曲度較大，整個噴嘴通道加工區(qū)域在粗加工完成后余量并不是均勻的，特別是葉片與內(nèi)外緣板過渡區(qū)域，因此在數(shù)控加工時，對余量較大區(qū)域應增加半精加工工序，使精銑加工余量保持基本均勻，防止刀具崩刃或啃刀，造成零件形面啃傷。

精加工關鍵是加工區(qū)域劃分，對相鄰區(qū)域加工時應當有所重疊以防止留有未加工島嶼，如圖4所示。

3.2.4 整體噴嘴環(huán)測量技術

為了保證噴嘴加工質(zhì)量，噴嘴加工完成后必須對其進行檢驗以判斷是否符合圖紙設計要求。噴嘴葉片形面用三坐標測量機進行測量，喉道寬度則采用自制測量棒進行測量。

3.2.4.1 噴嘴葉片形面測量

測量機測量噴嘴形面時，不應對測量頭半徑進行補償，即測量得到的坐標是測量頭中心坐標，要判斷葉片形面是否合格必須將測量點導入噴嘴理論模型，如圖11所示，通過查詢得到測頭球心點到理論曲面的距離d′，比較d′與測頭半徑r來判斷曲面是否合格。

假設被測曲面允許誤差是δ′，當｜d′－r｜＜δ′時，該曲面合格，否則被測曲面的誤差超出設計要求。另外，當d′＞r時，說明被測曲面相對理論曲面偏厚，從加工的角度來說，該被測曲面還有加工余量；當d′＜r時，說明被測曲面相對理論曲面偏薄，從加工的角度來說，該被測曲面已過切。

圖11 噴嘴葉片測量機測量點

3.2.4.2 噴嘴喉道寬度測量

噴嘴組喉道面積將直接影響汽輪機的效率，喉道面積由喉道寬度和長度決定，其誤差由相對誤差表示。

喉道寬度即噴嘴相鄰葉片排氣邊之間的寬度，采用自制錐形測量棒進行測量，錐形測量棒經(jīng)過標定后刻上相應刻度，如圖12所示。測量分別在內(nèi)、中、外三個不同的截面位置進行，最后取平均值。

圖12 噴嘴喉道寬度測量

4 結論

針對整體噴嘴環(huán)結構特點，結合國內(nèi)現(xiàn)有制造技術，提出了一種整體噴嘴環(huán)制造工藝，論述了其中的關鍵技術和難點的解決方法，總結了整體噴嘴環(huán)數(shù)控加工的工程經(jīng)驗，實現(xiàn)了整體噴嘴環(huán)的國產(chǎn)化制造。

所述方法已在多套超超臨界機組汽輪機噴嘴環(huán)制造中得到成功應用，并裝機成功發(fā)電，性能符合電站設計要求，有些還超過了同類進口噴嘴環(huán)。圖13是加工完成的熱電1000MW中壓噴嘴環(huán)在加工中心上的裝配圖，中壓噴嘴組由中壓左旋噴嘴環(huán)（圖13上部）、中壓右旋噴嘴環(huán)（圖13下部）和防護環(huán)（右旋噴嘴環(huán)內(nèi)部）組成。噴嘴環(huán)檢驗結果表明，葉片形面誤差在－0.15～0.1mm之間，喉道寬度誤差在－0.05～0.15mm之間，葉片形面誤差、喉道寬度誤差、喉道面積誤差以及其他尺寸均符合圖紙設計指標。另外，采用本文加工技術，粗加工效率提高25%以上，精加工效率提高20%以上。

圖13 中壓噴嘴組在加工中心上的加工裝配圖

本文的數(shù)控加工技術也可以應用于其他葉片盤（環(huán)）類零件加工。

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