弯扭小带冠导叶片的加工工艺分析 涡轮叶片加工工艺

　　摘要：本文根据弯扭小带冠导叶片的特点，在其制造的过程中利用MasterCAM、Pro/E联合造型.采用数控卧式加工中心加工基准，数控立式四轴加工中心加工汽道部分型线，有效的提高了叶片汽道精度，从而得出一条合理的方案。
　　关键词：弯扭；导叶片；四轴加工中心；工艺分析
　　分类号：TK263 文献标识码：A
　　叶片是汽轮机的心脏，在汽轮机制造中，导叶片往往具有较为复杂的结构（见图1），导叶片的设计和制造水平，极大的影响着汽轮机的效率，有着特殊重要的地位。因此，除了必须更加精确地设计外，加工精度和技术要求也高，加工方式和加工设备的选择必须充分注意，以保证加工出来的叶片能充分满足设计要求。本文主要分析导叶片的其加工难点和重点，根据现有的加工条件和技术手段，选择合理的加工工艺基准；确定合理的工艺流程和加工方法；设计合理可靠的工艺装备；研究设计严密可靠的测量方法；加工出合格的该级动叶片。
　　1 原加工工艺过程
　　导叶片由于是只分配蒸汽，在汽轮机中不做旋转运动，因此在设计上现在大都改为熔模铸造，加工方法多采用三轴联动机床分内背弧加工，冠部圆锥面靠手工修磨，如图2所示。这样加工有以下几个缺点：a. 内弧残留余量大；b. 是变换基准后内背弧很容易错位；c. 叶片进出汽边圆角只能依靠手工打磨。直接的后果就是叶片制作工期长，工序复杂，汽道型面精度低下，严重影响汽轮机的效率。
　　2 优化工艺方案
　　为了提高导叶片的加工精度以及加工效率，从以下两个方面进行改进：a. 对导叶片冠部结构进行优化设计；b. 采用四轴联动机床加工汽道型面。
　　2.1 导叶片的冠部结构改进
　　带冠导叶原来由于冠部很大（如图1所示），自行装配围成一圈，冠部平台属于圆锥结构，加工比较困难，经结构优化改为小带冠，减小冠部圆锥加工部分，改成在隔板体上装配。结构如图3所示。
　　2.2 叶片的造型[1][2]
　　2.2.1 叶冠叶根造型
　　由于该叶片改进冠部后，冠部结构非常简单，为直的结构，根据Pro/e软件可以直接根据截面拉伸获得。
　　2.2.2 汽道部分造型
　　由于弯扭导叶片大部分汽道部分为一固定截面，原始数据为离散点，在Pro/e输入原始数据造型容易造成曲线的不封闭问题，所以前期的原始数据采用Mastercam软件来处理，在MasterCAM中根据叶片的产品图所标示的截面。根据点集生成为样条。样条分为四个部分，分别为内弧、背弧、以及进出汽边。由于样条是有方向的，必须保证各控制截面相应的内、背弧及进、出汽边的样条矢量方向一致，然后根据出汽边弯曲边生成线扫掠成曲面，然后转化成*.igs文件格式输入到Pro/e软件里面。
　　3 加工工艺分析
　　根据分析改进后的导叶片，采用4轴机床加工比较经济合理，利用Pro/e软件自动编程处理。由于叶片存在叶身及冠部，因此，应分别分析不同区域的加工工艺。
　　3.1 叶根叶冠的加工工艺分析
　　叶根与叶冠的外型尺寸不大，冠部曲面为等截面组成，可以直接采用加工叶身的方法，利用径向螺旋铣的方法分粗、精加工。改进后的导叶片冠部与叶身交接部位的圆柱面与圆锥面近似可以看做一个小的平面与小圆角的组合，因此，可以直接采用球头刀清根。为达到叶根与叶冠加工时所要求的各项技术指标，在制定工艺方案时着重从以下几个方面来考虑[3]：a. 叶根平台。由于该部位属于外凸圆柱面，加工时可直接采用球头刀点接触直接加工，方式选择Pro/e里面的曲面加工，分别设置根部侧面外部边界线以及根部与叶身的交界线为切割线；利用类型螺旋的方式加工。b. 叶冠平台。由于该部位内凹式圆锥面，由于冠部很小，与叶身的交接处突出部分很小，也可以近似按照叶根的加工方法。
　　3.2 叶身的加工工艺分析
　　该叶片的叶身最大厚度为10mm，出汽边厚度为0.19mm，最大弦宽达到80mm；因此在加工该叶片时应考虑如下问题；①叶片的粗加工变形；②叶片在翻边的过程中刀具可能会干涉出汽边。
　　根据特型零件加工工艺措施，具体采用的以下手段：①设置引导角度时加大前倾角度，同时，在翻边的时候降低旋转速度；②整个叶身加工时采用动态速度加工，及在叶片加工过程中根据曲率的变化实时修正加工速度；③分粗精加工，粗加工时候先加工叶身中间部位，后粗加工靠近叶根和叶冠的部为；④为了满足该叶片的高精度，精加工后表面剩0.05mm的余量，做抛光处理。
　　3.3 叶片加工工艺流程[3]
　　来料-粗精加工基准-粗加工叶身-粗加工叶根交接面-粗加工叶冠交接面-粗加工叶根--粗加工叶冠-精加工叶身-精加工叶根交接面-精加工叶冠交接面-精加工叶根--精加工叶冠-后续处理。
　　3.3.1 具体工步及刀具
　　粗精加工基准--直接在卧式加工中心机床上采用面铣刀加工。刀具采用采用Ф63 mm的镶刀片端铣刀加工，采用面铣的加工方式。
　　粗精加工叶身--对于粗加工叶身，主要考虑的是为后面的加工去掉大部分余量，但是要考虑不能干涉到叶根叶冠以及叶身与叶根叶冠的交接部位的圆角，同时还要考虑粗加工后叶片的变形量；因此，采用Ф32 mm的玉米镶片立铣刀来加工，利用PRO/E软件里面的surface铣削方法，分别采用取叶冠和叶根与叶身的交接面的边界为切割控制线，选取叶根叶冠为干涉检查面，叶身放量0.5mm加工。刀具的轨迹为径向螺旋的铣削线。精加工采用Ф28圆角为R4的环形刀。
　　粗精加工叶根交接面--该部位粗加工采用Ф20的球头刀，同样叶身放0.5mm余量，叶根平台放0.5mm余量，精加工分2次，分别采用Ф10、Ф6的球头刀。加工方式同理采用surface铣削方法，切割控制线需要采用投影的方式自定义区域。具体边界控制为第一条距离叶根边界2mm，第2条距离叶根边界20mm，第2条边界和前面叶身边界要求有2mm左右的重叠度，避免产生接刀痕。粗精加工叶冠交接面--该部位方法和叶根部位一样。粗精加工叶根叶冠--该部位是等截面组成，也可以近似按照叶身的加工方法处理；边界直接采用开放式边界曲面加工方式，侧面放量0.5mm。粗加工采用Ф32的玉米镶片立铣刀，精加工采用Ф28圆角为R4的环形刀。后续处理主要包括叶片的冠部切除工艺基准，表面的抛光处理等。
　　4 结论
　　通过该程序的调试加工测试表明：改型后的导叶片在采用了立式加工中心，合理的运用了Pro/E的强大的造型功能， MasterCAM的数据处理功能，以及专用后置处理软件，完全达到了预期的目的，其加工后的实物经过量具检测，满足了设计和工艺的要求。该小冠导叶片加工成功，为以后加工类似的叶片提供了新的思路，同时使该厂的叶片加工技术迈上了一个新的台阶。
　　参考文献
　　[1]康压鹏．数控编程与加工--MasterCAM X基础教程．北京：人民邮电出版社，2006．
　　[2]李世国 李强等编 pro/engineer wildfire 机械工业出版社 2003
　　[3]孙东阳等编。数控编程。南京大学出版社。1993
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