倒梯形葉根中小葉片五軸機床集成加工的方法研究

郭長輝，李鐵成

（哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

倒梯形葉根動葉片是汽輪機動葉片中最常見的結(jié)構(gòu)形式。倒梯形葉根葉片多為高壓缸葉片，其工作環(huán)境極其惡劣，給設(shè)計、制造都提出了更高要求。制造水平的好壞將直接影響產(chǎn)品的性能、效率及運行的安全性。以往此類型葉片傳統(tǒng)的加工方法均采用分工序加工，即運用不同的機床加工不同的部位，通過不同部位的依次加工，完成整只葉片的加工。這種加工形式存在基準的多次轉(zhuǎn)換，由此產(chǎn)生的公差累計，往往會導(dǎo)致葉片在轉(zhuǎn)子裝配時出現(xiàn)問題。而分工序加工需要每道工序?qū)?yīng)準備相應(yīng)的專用刀具、夾具、量具，加工成本高。分工序的加工方式也給車間生產(chǎn)管理帶來難度，使組織生產(chǎn)管理變得復(fù)雜化，生產(chǎn)效率較低。

近年來隨著法拉利五軸數(shù)控機床陸續(xù)投入生產(chǎn)使用，現(xiàn)已可采用五軸機床集成加工方法對倒梯形葉根葉片進行加工。用此方法可避免由分工序加工所產(chǎn)生的累計誤差，從而保證單只葉片產(chǎn)品圖紙設(shè)計要求及裝配要求。減少人力及工裝的投入成本，也相應(yīng)地簡化了車間的生產(chǎn)管理，提高了加工效率。

2 倒梯形葉根動葉片集成加工方法具體研究

2.1 分析葉片機構(gòu)制定合理的加工方案

所研究加工的葉片結(jié)構(gòu)形式為倒梯形葉根，內(nèi)、背徑向為斜棱形，汽道為變截面，根、冠面為圓錐面。葉片具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 倒梯形葉根動葉片結(jié)構(gòu)

該葉片裝配要求非常高，葉根兩肩與輪槽兩肩配合，要求葉根與輪槽貼合面的兩肩位置度為0.04mm，葉根與圍帶的徑向角允差不大于0.03。由于葉根的精度要求相對最高，故我們將葉片裝夾端定在葉根端，頂緊端為葉頂端。毛坯形式采用方鋼，分別在葉根與葉頂方向留適當工藝頭，用于加工時裝夾頂緊用。

五軸機床集成加工部位除葉根端面、葉頂端面外其余部位全部加工。葉根、葉冠端面待集成加工后鋸斷、銑削。由此完成整只葉片的加工。

2.2 集成加工流程

倒梯形葉根動葉片大多為中小葉片，毛坯采用方鋼毛坯，整體加工去除量相對較小，故我們將葉片各部位的粗、精加工全部安排在五軸機床上。選用TS85、TS35 專用軟件進行編程。

（1）整體方鋼毛坯粗加工去余量

由于毛坯形式采用的是方鋼毛坯，葉片各部位的余量不均勻，需將葉片大部分的加工余量去除。我們選用三軸輪廓銑模式進行層切加工，選用直徑φ40、刀尖圓角R5 硬質(zhì)合金鑲片立銑刀，此刀具具有較大的刀尖圓角R，刀具使用壽命長。這種加工模式可最大限度地避免空走刀，切削速度快，加工效率高。粗加工給后續(xù)加工留0.6mm的余量，確保后續(xù)精加工尺寸。

（2）進、出汽側(cè)平面及徑向裝配面的加工

徑向裝配面及進、出汽側(cè)平面選用面銑加工方法，運用直徑φ50、刀尖圓角R0.4 硬質(zhì)合金鑲片立銑刀加工。加工時單面分兩刀加工，第一刀給第二刀留0.05mm余量進行光整，保證裝配面的粗糙度。刀具軌跡如圖2所示。

圖2 加工進、出汽側(cè)平面及徑向裝配面刀具軌跡

加工時先加工進、出汽側(cè)，之后加工內(nèi)、背徑向裝配面。

（3）倒梯形葉根梯形槽及端面倒角的加工

梯形槽的加工精度直接關(guān)系到葉片與轉(zhuǎn)子裝配的質(zhì)量及機組運行的安全性。葉根兩肩位置度、T 型槽寬度及葉根槽中徑在此工步保證。我們在三軸輪廓銑模式下加工葉根圓弧槽，由于圓弧槽槽底圓角有兩種R3、R1.5 尺寸，故運用了直接φ16，R3、φ16，R1.5 兩種硬質(zhì)合金鑲片立銑刀加工。葉根端面倒角采用立銑頭轉(zhuǎn)角度、立銑刀側(cè)刃加工的方式。刀具軌跡如圖3所示。

圖3 加工梯形槽及端面倒角刀具軌跡

（4）汽道的半精、精加工

汽道的加工分為兩部分進行：汽道型線部分；圓角部位及根冠錐面部位。

汽道型線部分：加工模式選為5軸掃描銑方式，橫向螺旋銑削汽道內(nèi)背弧型面。汽道為開放式，若選用球頭刀具，會大大降低加工效率。由于汽道為變截面、高度尺寸相對短小，加工時不宜選用大直徑刀具，經(jīng)過模擬計算我們最終選用了φ16、刀尖圓角R4 硬質(zhì)合金鑲片立銑刀加工汽道。刀具軌跡如圖4所示。

圓角部位及根冠錐面：根冠錐面與汽道相冠，需要清根加工。葉根相冠圓角R5、葉冠相冠圓角R3，故加工時分別選用了φ10、R5，φ6、R3 硬質(zhì)合金鑲片球頭立銑刀進行加工。

圖4 加工汽道型線部分刀具軌跡

根部刀具軌跡如圖5所示。

冠部刀具軌跡如圖6所示。

至此完成集成加工的所有內(nèi)容。

圖5 加工根部刀具軌跡

圖6 加工冠部刀具軌跡

3 結(jié)語

葉片通過集成加工，其各部位尺寸均達到產(chǎn)品圖紙設(shè)計要求及裝配要求，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，驗證了其加工工藝方法的合理性。

通過集成加工簡化了工藝流程，便于生產(chǎn)組織管理，集成加工每只葉片約需1.5h，比以往分序加工節(jié)省了大量時間，縮短了加工周期，大大地提高了加工效率。而且節(jié)約了大量的工裝費用，帶來可觀的效益。集成加工最大優(yōu)點就是一次裝夾，避免了以往加工過程中基準多次轉(zhuǎn)換所帶來的累計誤差，提高了機組的裝配質(zhì)量。

通過此次對倒梯形葉根動葉片的加工方法研究，我們很好地掌握了五軸機床集成加工的方法，為今后中小葉片的集成加工做了技術(shù)儲備。

［1］曾向陽，謝國明，王學(xué)平.UGNX 基礎(chǔ)及應(yīng)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.