汽輪機長葉片型應用論文

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1引言

葉片是汽輪機的核心部件之一，它起著將蒸汽的動能轉換為機械能的作用。汽輪機效率的高低，很大程度上取決于葉片型面的設計和制造水平。目前，國內外大型汽輪機葉片的型面加工均采用五坐標聯動機床(手工修磨的葉片除外)。如日本日立公司有70余根主軸的五坐標聯動加工中心，三菱公司有25根主軸的五坐標聯動加工中心等。

2五坐標聯動加工中心在葉片型面加工中的應用

機床開發背景

汽輪機葉片的設計、制造能力是衡量一個透平廠研發能力的重要標志。葉片機械加工工作量大，精度要求高，結構復雜，制造成本高。國內外透平廠都非常重視葉片制造技術的發展。國內汽輪機制造業，由于受進口機床價格高，加工編程復雜等因素影響，五坐標聯動加工中心應用還不廣泛，如國內主要汽輪機制造廠，其五坐標聯動機床的主軸總數僅為50余根，而航空發動機廠、鼓風機廠也僅有少量的幾臺。東方汽輪機廠原有的五坐標聯動的主軸遠不能滿足工廠生產要求。為滿足東汽廠葉片生產能力的需要，同時降低葉片制造成本，東汽廠領導本著振興民族機床工業的理念，經過與北京機電院領導、技術、管理人員的多次論證，決定開發五坐標聯動加工中心以取代昂貴的進口設備。為減少投資風險，機電院首先開發一臺稍小規格五坐標聯動加工機床5C-VMC1250進行工業性試驗，在充分掌握五坐標聯動加工中心的性能特點、加工工藝要求、完善5C-VMC1250型五坐標聯動加工中心在使用中存在的問題的基礎上，進行大規格五坐標聯動加工中心XKH1600的批量生產。

葉片的加工工藝分析

葉片在工作中承受著高溫、高壓、極大的離心力和蒸汽的交變應力。為了保證汽輪機的效率和葉片在使用中的安全性，葉片的材料都較為特殊，如材料中含Ni、V、N等成分，硬度在360HB以上，強度s0.02為800MPa以上，加工性較差，同時葉片汽道部分(通流部分)是一個光滑的空間曲面，其精度要求高，加工難度大。特別是大型汽輪機末級葉片(如40英寸動葉片)，其結構更為復雜，葉型扭轉接近90°角，葉身中部有兩個空間的凸臺，葉根圓角部分由多個變直徑的圓弧組成，傳統的仿形銑、普通的三坐標或四坐標銑床都不能滿足加工工藝要求。用普通數控銑床加工一方面受葉片結構的限制，刀具與工件容易產生干涉，另一方面加工效率低且為近似加工，加工質量不能滿足要求，手工修整量較大，加工過程中需多次裝夾，使用多臺機床和專用工裝才能完成相應的加工。目前，國內外大型汽輪機葉片基本上都采用五坐標聯動機床加工，其加工效率比四坐標聯動機床高1倍以上，能夠實現一次裝夾，完成包括型面、凸臺、葉冠、葉根圓角等多個空間曲面的加工，比四坐標機床可節省12～15道工序，比常規葉片加工方法節省25道工序，加工質量穩定，工藝流程合理，生產組織方便。這種加工工藝是葉片加工先進、合理、高效的工藝手段，也是葉片加工技術的發展方向。

3.XKH1600型五軸聯動加工中心在葉片加工中的應用

40英寸葉片的結構特點

目前XKH1600型五軸聯動加工中心加工的主要產品為600MW汽輪機末級動葉片(40英寸葉片)。現以該型葉片為例，簡要介紹一下XKH1600五軸聯動加工中心加工這種葉片的情況。

該葉片葉身彎扭變化較大，在葉根處型線的曲率較大，葉頂處型線比較平坦，葉根與葉頂的型線角度幾乎達90°。葉身的中間位置在內背弧型面上各有一個凸臺。葉根圓角為非常復雜的混合曲面，葉根圓角在葉片高度方向上的各個位置，其R值是變化的，這給葉根圓角的造型和加工帶來了一定的難度。

加工內容及加工狀況

首臺XKH1600型五坐標聯動加工中心于2003年11月投入使用。機床每天工作24小時(東汽工作安排為四班三運轉)，每周停機8小時用于機床維修保養，月工作時間為680小時左右。在XKH1600加工40英寸葉片的加工內容包括：葉身型面、內背弧凸臺、葉根過渡圓角、葉冠過渡圓角及葉冠裝配面型線。各加工部位在機床上的加工形式見圖2～7。

通過上述方式對40英寸葉片進行加工，其加工精度能夠滿足東方汽輪機廠的要求。自XKH1600五坐標聯動加工中心(5臺)投入使用以來，創造產值1100余萬元，加工產品合格率在95%以上，與進口相應規格的五坐標聯動加工機床相比生產效率約為進口機床的90%。通過5C-VMC1250和XKH1600兩種規格五坐標聯動加工機床的使用，我們認為兩種型號的機床設計、制造是成功的，基本滿足了葉片加工工藝要求。其操作方便，服務及時有效，機床性價比高，達到了預期的目的。

3前景及展望

東方汽輪機廠與北京機電院的合作是成功的，可以說是機床制造廠家與機床用戶合作的典范。通過合作，東汽與北京機電院從管理者到技術人員、操作人員、維修人員都建立了良好的友誼。東汽與北京機電院在國產五坐標聯動加工中心的開發應用上的成功合作，為國內對五坐標機床有需求的廠家提供了一條新思路，在國內同行業產生了較大的影響，不少同行業廠家多次咨詢了解機床的使用情況，同時也對國外同類設備制造廠商在中國機床市場產生了一定的壓力。可以相信國產五坐標聯動加工中心將會有廣泛的市場前景。