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大型枞树型叶根叶片加工工艺的开发

张 暖 安 凯 张新庆* / 西安陕鼓动力股份有限公司    
摘要:详细介绍了大型能量回收透平发电装置(简称TRT)的关键零件——大型枞树型叶根叶片的加工工艺开发过程。根据加工批量、现有设备以及叶片结构,采用了五轴数控+高速铣削的方法,以铣代磨,首次实现了大型枞树型叶根以及叶顶剃灰槽的加工。
关键词:枞树型叶根;高速磨削;铣削;五轴数控
中图分类号:TH453 文献标志码:B
Devolopment of Machining Process for Blades with Large Type Fir-tree Root
Abstract: This paper has introduced the developing process of blade with large type fir-tree root which is the key part of large-scale energy recovery turbine generating unit (TRT) in detail. According to the manufacturing batch, available equipment and blade structure, adopting the method of five axis numerical control and high speed, and by means of milling instead of grinding, the machining of large type fir-tree root and top blaole scraping groove is implemented for the first time.
Key words: fir-tree root; highspeed grinding; milling; five axis numerical control
0 引言
  近几年,随着冶金高炉的大型化,能量回收透平发电装置(简称TRT)也随之向大型化方向发展。针对这种情况,我公司的研发部门对该装置的关键零件——动叶片采用了应力分布更好的枞树型叶根。经过艰苦的攻关,终于首次实现了大型TRT枞树型叶根的加工,掌握了这种叶根的加工工艺,缩短了大型TRT的生产周期。
1 结构分析
  该叶片和汽轮机中的长叶片相似,叶片长约600mm,宽约320mm。枞树型叶根形状类似松树,这种型式的叶根结构复杂,尺寸精度和位置精度要求都很高,粗糙度要求Ra1.6。叶根肩膀中一侧平面较长约80mm。有的叶片叶顶还设有剃灰槽结构。这样的大型叶片一般为模锻毛坯。上述结构给毛坯锻造、机加工艺、数控设备、工艺装备、刀具、夹具系统、工件试切及检测等各制造环节提出更高的要求。动叶片见图1。

2  工艺设计
2.1  叶根的加工工艺

  在汽轮机叶片专业厂家,这类大型叶片数量相当多,叶根加工工艺一般采取成型铣刀(或线切割)+强力磨的方法。在加工大型枞树型叶根时,采用专机生产,其叶根工艺流程一般为:浇注低温合金——叶型定位——粗铣齿型大量——半精铣齿型,留精磨余量(采用专用铣床或线切割、成型铣刀和夹具组合)——精磨齿型(采用强力磨床、成型砂轮、成型砂轮修整器和组合夹具等)。这种加工工艺的特点:先加工好叶根,保证叶根制造精度,再以叶根定位,加工叶型。
  这种加工工艺的优点:
  1) 夹具系统刚性好,适合加工大型长叶片,加工一致性好;
  2) 叶根没有过长的工艺夹头,毛坯及粗加工制造难度降低。加工长叶片时,叶根定位准确,夹紧牢靠;
  3) 适宜大批量生产,效率高。
  缺点:
  1) 专用机床多,占用厂房面积大,一次性投入大;
  2) 专用成型铣刀、成型砂轮、专用夹具规格多。
  目前我公司的大型TRT枞树型叶根叶片生产数量较少,也没有上面提到的强力磨设备,但五轴联动数控铣床A17[1]和高速铣床HSM800[2]已分别拥有十几台,结合叶片结构,考虑采取以铣代磨的方法进行探索。鉴于叶根肩膀一侧平面长80mm,没有刀具有这样长的侧刃来满足加工需要,因此,采用A17五轴数控+HSM800高速铣床的方法。叶根齿形两肩膀与主轴非接触部分由前序A17主轴搬角度铣出,其余与主轴接触的齿形连续部分由后序HSM800完成,两者的搭接部位在叶根肩膀下与主轴非接触处。采用一夹一顶,叶根处设有工艺夹头,作为定位基准。采用整体硬质合金铣刀加工。其叶根工艺流程:加工叶根工艺夹头——工艺夹头定位——外协粗铣齿型大量——半精铣、精铣齿型(采用A17五轴数控+ HSM800高速铣床)——切掉工艺夹头。这种加工工艺的特点:先加工叶型,再加工叶根,保证叶根制造精度质量。尤其高速铣床:高转速、高进给、小切深[3] ,产生较小的切削力,夹具系统刚性较好,精度高,表面质量好[4] ,加工一致性好。
  这种加工工艺的优点:
  1) 节省大量的成型铣刀、成型砂轮、专用夹具和专用机床的投入;
  2) 工艺柔性好,高速铣床HSM800属于通用机床。通过对球头铣刀进行数控编程来实现各种规格叶根的加工;
  3) 新产品试制周期较短,工装较少。
  缺点:
  1) 高速铣刀为整体硬质合金,价格较贵,消耗较快;
  2) 刀具伸出长度不能超过刀具直径的3倍,因此加工深度受限;
  3) 叶根部分必须有一定长度的工艺夹头,夹头短了,刀柄容易与工装夹具发生干涉。
2.2  叶型及叶顶剃灰槽的加工工艺
  叶型及过渡弧在五轴联动数控机床A17上进行加工。叶顶剃灰槽的加工考虑到加工部位靠近顶尖,随着叶型被越切越薄,工件-夹具系统的刚性明显下降,同时,和高速铣床HSM800相比,A17夹具系统刚性较差[5] ;因此,叶顶剃灰槽在高速铣床上完成。
2.3  工装的设计
  为了解决机床设备行程受限并增加工艺系统刚性的问题,在叶片加工时,两种设备均卸掉了三爪卡盘,设计了直接连接在A轴分度头上的专用工装,这样就保证了叶片加工质量。对于叶顶剃灰槽的加工,为防止工件刚性随着加工深度增加越来越差,进而引起夹刀或刀具振动,设计了在叶型靠近剃灰槽部位的辅助支撑工装,见图2~图4。

3 工艺实施
  加工大型枞树型叶根及叶顶剃灰槽在我公司属于首次,因此首先进行了工艺试验。在两种设备上,对叶片均采用一夹一顶的装夹方式。
  叶根试切开始后,为了避开叶根一侧肩膀的长平面,球头铣刀伸出部分过长,引起振动,进而影响工件精度。于是,选购了抗振加长刀柄,见图5。而且降低了叶根夹具的厚度,并将夹具干涉部分铣去,最终解决了振动问题。

  在叶根试切中,叶根程序分为粗铣、半精铣和精铣3个工步。分别使用高速球头铣刀Φ4、Φ6、Φ8及高速立铣刀Φ12。经多次调整高速机床的主轴转速、进给量和切削深度,最终摸索出较为合适的切削参数,获得了满意的叶根尺寸精度、表面质量和加工效率。
  试切叶顶剃灰槽时,在加工好叶根后,直接在高速铣床上,将A轴旋转一定角度,使剃灰槽处叶型转平,同时工装对叶型进行辅助支撑进行加工。整个叶片试切结束,经检测,工件满足图纸要求。
  工艺试验成功后,随即投入批量生产。至今已完成多台大型枞树型叶根动叶的加工,并顺利装配。最终叶片实物见图6。

4 结论
  根据公司叶片结构和批量加工的特点以及现有的设备,采用了五轴数控A17和高速铣床HSM800相结合的方法,以铣代磨,充分利用现有数控设备的优势,首次实现了枞树型叶根以及叶顶剃灰槽的加工。通过采用抗振加长刀柄,解决了高速铣床刀具伸长受限的难题。通过设计新的夹具,卸掉三爪卡盘,辅助支撑叶型,解决了设备行程受限,并增强了夹具系统的刚性和稳定性。总之,大型枞树型叶根叶片的成功加工,使公司叶片的加工水平上了一个新台阶。

参 考 文 献

[1] 蔡新平,魏远震,王临佳. 五坐标联动加工中心加工机翼型叶片工艺技术研究[J]. 通用机械,2003(12):66-69.
[2] 徐新江,蔡新平.外形优美性能良好[J].现代制造,2007(8):118-120.
[3] 彭海涛,闫光荣,雷毅.高速加工技术[J].航空制造技术,2004(6):92-95.
[4] 韩旻.高速加工技术的探讨及应用[J].机电工程技术,2006(1):15-17.
[5] 安凯,张暖,张新庆,等.一种模锻叶片的机加工工艺方案[J].风机技术,2010(5):40-41.