XKH1600在汽轮机长叶片型面加工中的应用

1引言

叶片是汽轮机的核心部件之一,它起着将蒸汽的动能转换为机械能的作用。汽轮机效率的高低,很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。目前,国内外大型汽轮机叶片的型面加工均采用五坐标联动机床(手工修磨的叶片除外)。如日本日立公司有70余根主轴的五坐标联动加工中心,三菱公司有25根主轴的五坐标联动加工中心等。

2五坐标联动加工中心在叶片型面加工中的应用

机床开发背景

汽轮机叶片的设计、制造能力是衡量一个透平厂研发能力的重要标志。叶片机械加工工作量大,精度要求高,结构复杂,制造成本高。国内外透平厂都非常重视叶片制造技术的发展。国内汽轮机制造业,由于受进口机床价格高,加工编程复杂等因素影响,五坐标联动加工中心应用还不广泛,如国内主要汽轮机制造厂,其五坐标联动机床的主轴总数仅为50余根,而航空发动机厂、鼓风机厂也仅有少量的几台。东方汽轮机厂原有的五坐标联动的主轴远不能满足工厂生产要求。为满足东汽厂叶片生产能力的需要,同时降低叶片制造成本,东汽厂领导本着振兴民族机床工业的理念,经过与北京机电院领导、技术、管理人员的多次论证,决定开发五坐标联动加工中心以取代昂贵的进口设备。为减少投资风险,机电院首先开发一台稍小规格五坐标联动加工机床5C-VMC1250进行工业性试验,在充分掌握五坐标联动加工中心的性能特点、加工工艺要求、完善5C-VMC1250型五坐标联动加工中心在使用中存在的问题的基础上,进行大规格五坐标联动加工中心XKH1600的批量生产。

叶片的加工工艺分析

叶片在工作中承受着高温、高压、极大的离心力和蒸汽的交变应力。为了保证汽轮机的效率和叶片在使用中的安全性,叶片的材料都较为特殊,如材料中含Ni、V、N等成分,硬度在360HB以上,强度s0.02为800MPa以上,加工性较差,同时叶片汽道部分(通流部分)是一个光滑的空间曲面,其精度要求高,加工难度大。特别是大型汽轮机末级叶片(如40英寸动叶片),其结构更为复杂,叶型扭转接近90°角,叶身中部有两个空间的凸台,叶根圆角部分由多个变直径的圆弧组成,传统的仿形铣、普通的三坐标或四坐标铣床都不能满足加工工艺要求。用普通数控铣床加工一方面受叶片结构的限制,刀具与工件容易产生干涉,另一方面加工效率低且为近似加工,加工质量不能满足要求,手工修整量较大,加工过程中需多次装夹,使用多台机床和专用工装才能完成相应的加工。目前,国内外大型汽轮机叶片基本上都采用五坐标联动机床加工,其加工效率比四坐标联动机床高1倍以上,能够实现一次装夹,完成包括型面、凸台、叶冠、叶根圆角等多个空间曲面的加工,比四坐标机床可节省12～15道工序,比常规叶片加工方法节省25道工序,加工质量稳定,工艺流程合理,生产组织方便。这种加工工艺是叶片加工先进、合理、高效的工艺手段,也是叶片加工技术的发展方向。

XKH1600型五轴联动加工中心在叶片加工中的应用

图1 40英寸叶片结构简图

40英寸叶片的结构特点

目前XKH1600型五轴联动加工中心加工的主要产品为600MW汽轮机末级动叶片(40英寸叶片)。现以该型叶片为例,简要介绍一下XKH1600五轴联动加工中心加工这种叶片的情况。

该叶片叶身弯扭变化较大,在叶根处型线的曲率较大,叶顶处型线比较平坦,叶根与叶顶的型线角度几乎达90°。叶身的中间位置在内背弧型面上各有一个凸台。叶根圆角为非常复杂的混合曲面,叶根圆角在叶片高度方向上的各个位置,其R值是变化的,这给叶根圆角的造型和加工带来了一定的难度。

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