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叶片的加工方法

第九章叶片的加工方法

9.1叶片的工艺特点

叶片是透平机械的“心脏”，是透平机械中极为主要的零件。

透平是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。

叶片一般都处在高温，高压和腐蚀的介质下工作。

动叶片还以很高的速度转动。

在大型汽轮机中，叶片顶端的线速度已超过600ｍ/ｓ，因此叶片还要承受很大的离心应力。

叶片不仅数量多，而且形状复杂，加工要求严格；叶片的加工工作量很大，约占汽轮机、燃气轮机总加工量的四分之一到三分之一。

叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切的关系。

所以，叶片的加工方式对透平机械的工作质量及生产经济性有很大的影响。

这就是国内外透平机械行业为什么重视研究叶片加工的原因。

随着科学技术的发展，叶片的加工手段也是日新月异，先进的加工技术正在广泛采用。

叶片的主要特点是：

材料中含有昂贵的高温合金元素；加工性能较差；结构复杂；精度和表面质量要求高；品种和数量都很多。

这就决定了叶片加工生产的发展方向是：

组织专业化生产，采用少、无切削的先进的毛坯制造工艺，以提高产品质量，节约耐高温材料；采用自动化和半自动化的高效机床，组织流水生产的自动生产线，逐步采用数控和计算机技术加工。

叶片的种类繁多，但各类叶片均主要由两个主要部分组成，即汽道部分和装配面部分组成如图9.1。

因此叶片的加工也分为装配面的加工和汽道部分的加工。

装配面部分又叫叶根部分，它使叶片安全可靠地、准确合理地固定在叶轮上，以保证汽道部分的正常工作。

因此装配部分的结构和精度需按汽道部分的作用、尺寸、精度要求以及所受应力的性质和大小而定。

由于各类叶片汽道部分的作用、尺寸、形式和工作各不相同，所以装配部分的结构种类也很多。

有时由于密封、调频、减振和受力的要求，叶片往往还带有叶冠（或称围带）和拉筋（或称减震凸台）。

叶冠和拉筋也可归为装配面部分。

汽道部分又叫型线部分，它形成工作气流的通道，完成叶片应起的作用，因此汽道部分加工质量的好坏直接影响到机组的效率。

图9.1叶片的组成

9.2叶片的材料和毛坯

9.2.1叶片材料

由于透平叶片的工作条件和受力情况比较复杂，因此对叶片材料的要求也是多方面的，其中主要的要求概括如下：

（1）．具有足够的机械强度。

即在工作温度范围内具有足够的，稳定的机械强度（屈服极限和强度极限），并且在工作温度范围内这些机械强度具有稳定的数值。

在高温情况下（一般指450℃以上），具有足够的蠕变极限和持久强度极限。

（2）.具有高的韧性和塑性以及高温下抗热脆性（高温下稳定的冲击韧性），避免叶片在载荷作用下产生脆性断裂。

（3）.耐蚀性。

抵抗高温下气体中有害物质的腐蚀以及湿蒸汽和空气中氧的腐蚀能力。

（4）.耐磨性。

抵抗湿蒸汽中水滴和燃气中固体物质的磨蚀。

（5）.具有良好的冷、热加工性能。

（6）.具有良好的减振性。

叶片是处在交变载荷下工作，除要求有较高的疲劳极限外，还要求有良好的减震性能，即高的对数衰减率。

这样可以减小振动产生的交变应力，减小叶片疲劳断裂的可能性。

根据使用温度、使用温度和化学成份等，可以将叶片材料分为两类：

（1）.马氏体、马氏体-铁素体和铁素体钢。

这类钢的使用温度最高不超过580℃，可以作为汽轮机叶片材料。

（2）.奥氏体钢、铁镍合金和镍基合金等。

着类钢的使用温度最高不超过700～750℃，可以作为燃气轮机叶片材料。

马氏体类钢包括1Cr13、2Cr13、Cr11MoV、Cr12WMoV等。

1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢广泛被采用作为汽轮机叶片材料，他具有较好的耐腐蚀性和热强性，特别是它的减振性很好，其对数衰减率

可达0.025。

按照其热强性，1Cr13钢可用于450℃～475℃；2Cr13钢可用于400℃～450℃。

2Cr13钢的含量较高，故室温强度和硬度较高。

常作汽轮机低压部分叶片，但2Cr13钢的抗水滴冲蚀性能不足，用来作末级叶片还需要进行表面硬化或镶焊硬质合金。

Cr11MoV和Cr12MoV是改形的12%Cr钢。

它保持原来1Cr13钢的优点，由于分别加入了强化元素钼、钒和钨，钼和钒使其热强性远比1Cr13钢高。

Cr11MoV可在温度550℃下使用；Cr12WMoV可在温度580℃下使用。

Cr12WMoV的屈服极限高，耐腐蚀性好，亦可作为大型汽轮机的长叶片材料。

马氏体类钢具有良好的减振性能，通常情况下其对数率减率

在0.015～0.055范围内，它比奥氏体的

大5～10倍。

9.2.1叶片的毛坯

叶片的毛坯形式来划分可分为：

模锻叶片毛坯，方刚叶片毛坯，精铸叶片毛坯。

下面我们详细分析三种毛坯的具体情况。

模锻叶片的毛坯：

在成品的基础上叶身部分单面法向放量4～5mm，叶冠和叶根部分最小处单面法向放量7mm左右，叶根和叶冠基本上是锻成方形的，有时为了节约材料和机械加工成本则也锻出部分较为粗造的叶根、叶冠型线形状。

下图9.2为一模锻叶片的毛坯状态图。

图9.2模锻叶片毛坯图

方钢叶片的毛坯：

当叶片结构简单，数量多、尺寸小的时候，则采用方钢叶片，方钢叶片的毛坯放量是在产品理论尺寸的基础上放量约5mm左右。

通常采用正六面体，有时为了节约材料和减少机械加工成本，将方钢毛坯锻成由几个六面体组成的形状。

图9.3所示为方钢叶片的毛坯图。

图9.3方钢叶片毛坯图

精铸叶片的毛坯：

在我厂主要是针对汽轮机静叶片和特殊的空心叶片（为了冷却、减少应力、调频等目的而制成的具有内部空腔的透平叶片。

）。

毛坯放量是在理论叶身型线的基础上放量3～5mm。

图9.4所示为精铸叶片毛坯图。

图9.4精铸叶片毛坯图

9.3叶片的机械加工工艺过程

由于叶片的形式、结构、种类、大小等的差异比较大，因此加工方式、机床、工艺流程也不同。

但从总体上来说，按叶片的毛坯形式来划分可分为：

方刚叶片加工工艺、模锻叶片加工工艺，精铸叶片加工工艺。

方刚叶片加工工艺主要是针对叶片汽（气）道长度在300mm以下的各种动叶片和静叶片。

模锻叶片加工工艺要是针对叶片汽（气）道长度在300mm以上的各种动叶片和静叶片。

精铸叶片加工工艺主要是针对一些静叶片和特殊叶片（如空心叶片）的加工方法。

9.3.1叶片的数控加工工艺

由于本书是作为实习教材，则下面就以一个典型方刚动叶片为例如图9.5所示，介绍一下叶片的常规工艺和数控工艺的加工方法，该叶片叶根为菌形叶根，自带叶冠的预扭叶片，在加工过程中既有常规加工也有数控加工，叶片的常规加工主要是加工叶片的基准面和叶根型线，叶片的数控加工主要是加工叶片的装配面和汽道型线。

至于加工过程中或加工完成后对叶片的详细检查和测量方式则可以在实习的时候相互讨论或到叶片分厂加工车间参观学习，在工艺中只作简单说明。

9.3.1.1叶片的数控加工工艺流程

图9.5典型叶片成品

（1）来料：

该叶片毛坯来料为六面体的方钢，来料时必须按工艺上要求检查方钢尺寸的长、宽、高和直线度，并根据同一级不同的种类叶片分开装入专门的转运箱中方可投入生产车间。

（2）铣一平面（将作为叶片内背平面中的任一面）：

采用普通机床加工。

来料由于是方刚毛面，六个面均带有黑皮，当加工一个面后的测量也是比较粗糙的，因此通常在该工序中要求光出表面不见黑皮即可，并让加工部位的尺寸大于要求的尺寸，保证后工序有加工余量。

（3）在已加工面上做标记：

采用标刻机在指定位置刻上产品的名称和流水作业号，叶片一但刻有编号后，既方便对叶片的识别也方便对叶片的追述。

（叶片在加工过程中需要按编号对尺寸等进行记录，叶片全部加工完成后如有出入可以追查问题出现的环节）

（4）铣一侧面（将作为叶片进汽侧或出汽侧的任一平面）：

普通铣床。

（5）铣另一侧面：

普通铣床

（6）磨两侧面：

磨床。

磨两侧面的作用主要是为了提高基准面的加工精度，因为后工序的加工都要以这两个面为基准。

（7）粗铣两端面：

普通铣床。

（8）转移标记：

标刻机。

前面将标记刻在平面上，后工序加工时会把刻有的标记铣刀掉，因此必须将标记转移到侧面上，该侧面将作为叶片的出汽侧。

（9）铣另一平面及修第一平面：

普通铣床。

（10）精铣两端面：

普通铣床。

至此将叶片的六个基准面加工完成。

此时叶片的形状如（图9.6）所示。

图9.6方钢

（11）打顶针孔：

普通铣床。

叶片的汽道型线部分需要在数控机床上加工，加工时需要叶片作旋转运动，对于小叶片来讲叶片的变形不大，因此可以采用一端驱动而另一端用顶针顶住即可。

对于长叶片如果采用两端都驱动（即双驱）则可以不打顶针孔。

接下来由于此时叶片还处于长方体的状态，因此可以适当的对汽道部分进行去余量，此时去余量既方便叶片的测量也方边叶片的装夹。

（12）背弧出汽边倒角：

普通铣床。

可采用专用工装（叶片过大时）或采用万能虎钳配合机床主轴旋转一定的角度加工。

（13）背弧进汽边倒角：

普通铣床。

倒角完成后叶片的形状如图9.7所示。

图9.7叶片倒角后的形状

（14）粗精铣背平面及凸台、叶冠：

数控机床。

该工序的加工根据编程者个人的习惯，分几道工序完成，为了提高加工效率加工中需要换几把刀才能完成加工任务。

工艺加工内容如图9.8中粗线部分所示。

加工中用了三把标准刀具，分别是：

IG32、R28、D80。

IG32刀具用来粗加工，R28用来精加工叶顶，D80用来精加工叶根背平面和凸出部分。

刀具加工后的零件状态如图9.10所示。

加工中由于使用的是数控机床，因此尽量采用小余量高速切削加工。

加工中最后精铣叶冠的加工轨迹仿真如图9.9所示，图中左端的十字交叉线为加工中的坐标原点，在上方的长方形线框为抬刀平面，在右端的Z字形线为刀具轨迹线。

图9.8粗精铣背平面及凸台图9.9精铣叶冠刀具轨迹

a.第一把刀加工后的状态

b.第二把刀加工后的状态

c.第三把刀加工后的状态

图9.10三把刀加工后的零件状态

（15）叶根、叶冠内径向面去余量：

这个加工根据产品图的情况分几个机床和几个工序来完成，加工机床有普通机床和数控机床配合使用。

最终将叶片的内径相面加工成如图9.11中上面部分所示的形状。

图9.11叶根、叶冠内径向面去余量图9.12加工叶根型线图9.13叶根型线刀具

（16）线切割叶根型线：

线切割机。

加工形状如图9.12所示，要完成该工序的加工，在早期的加工中至少需要五道工序：

预铣第一刀、预铣第二刀、预铣第三刀、粗铣、半精铣，粗铣和半精铣用成型铣刀加工。

采用线切割一道工序就加工到半精铣的位置。

（17）精铣叶根型线：

平铣或圆盘铣床。

加工形状与线切割形状相同，只是该形状还必须绕叶轮中心旋转。

该工序的加工采用平铣则需采用蜗轮蜗杆连接的专用工装让叶片走圆弧运动，而成型刀具只作旋转运动，因为叶根型线与叶轮接触部位是圆弧面。

精铣叶根型线的刀具如图9.13所示。

如果采用圆盘铣则只需将叶片摆正即可。

（18）精铣叶根、叶冠内径向面及凹槽：

数控机床。

加工部位及形状如图9.14中粗线所示。

该工序分成了七个工步，换了七种刀具完成，分别为：

①粗铣T1IG32G54

②精铣叶根T2D80G55

③铣叶根斜面T3R28G56

④粗铣叶顶T4K16G57

⑤精铣叶顶T5K12G58

⑥精铣叶顶圆角T6K8G58

⑦精铣叶根槽T7L12G59

图9.15为工步⑤精铣叶顶的加工轨迹与部位。

图9.14精铣叶根、叶冠内径向面及凹槽图9.15精铣叶顶

下面为工步⑤精铣叶顶程序的开头和结尾部分的NCL文件和NC程序，NC文件是由NCL文件经专用的后置处理而来。

此处的NCL文件为用通用软件PRO/E生成的刀具轨迹文件。

NCL文件：

$$*Pro/CLfileVersionWildfire2.0-M040

$$->MFGNO/202001

PARTNO/202001

$$->FEATNO/1545

MACHIN/UNCX01,1

$$->CUTCOM_GEOMETRY_TYPE/OUTPUT_ON_CENTER

UNITS/MM

LOADTL/5,OSETNO,5

$$->CUTTER/12.000000

SET/OFSETL,58

$$->CSYS/1.0000000000,0.0000000000,0.0000000000,-0.0000000000,$

0.0000000000,1.0000000000,0.0000000000,0.0000000000,$

0.0000000000,0.0000000000,1.0000000000,0.0000000000

$$->OSETNO/5,0.0000000000,0.0000000000,0.0000000000

$$->OSETNO/5,0.0000000000,0.0000000000,0.0000000000

SPINDL/RPM,3000.000000,CLW

COOLNT/ON

RAPID

GOTO/-311.1238828137,-101.2600000000,20.0000000000

RAPID

GOTO/-311.1238828137,-101.2600000000,18.7520000000

FEDRAT/1500.000000,MMPM

GOTO/-311.1238828137,-101.2600000000,-11.2480000000

GOTO/-269.9977382993,-101.2600000000,-11.2480000000

GOTO/-269.9977383240,-101.0641712631,-11.2480000000

GOTO/-311.1238828086,-101.0599608967,-11.2480000000

GOTO/-311.1238827931,-100.8599201759,-11.2480000000

GOTO/-269.9977384007,-100.8683499488,-11.2480000000

GOTO/-269.9977385374,-100.6725455343,-11.2480000000

GOTO/-311.1238827700,-100.6598926914,-11.2480000000

GOTO/-311.1238827340,-100.4598502499,-11.2480000000

GOTO/-277.6855724756,-100.4720564055,-11.2480000000

GOTO/-269.9977387103,-100.4767081362,-11.2480000000

GOTO/-269.9977389220,-100.2808606377,-11.2480000000

………………………………………………….

……………………………………………….

……………………………………………………

GOTO/-312.3123220495,-0.9325448864,3.1320000000

GOTO/-312.3123221344,-0.7460784580,3.1320000000

GOTO/-300.5932837609,-0.7522073594,3.1320000000

GOTO/-288.8770817104,-0.7660311140,3.1320000000

GOTO/-275.5955701795,-0.7897406188,3.1320000000

GOTO/-275.5955701795,-0.5917043291,3.1320000000

GOTO/-285.8228146558,-0.5773258073,3.1320000000

GOTO/-297.3279792775,-0.5663180896,3.1320000000

GOTO/-312.3123221708,-0.5595133482,3.1320000000

GOTO/-312.3123222036,-0.3729662155,3.1320000000

GOTO/-292.3703254501,-0.3802929512,3.1320000000

GOTO/-275.5955701795,-0.3952012011,3.1320000000

GOTO/-275.5955701795,-0.1973877735,3.1320000000

GOTO/-296.6357243738,-0.1890501688,3.1320000000

GOTO/-312.3123222351,-0.1864900485,3.1320000000

GOTO/-312.3123222446,0.0000000000,3.1320000000

GOTO/-275.5955701795,0.0000000000,3.1320000000

$$->OSETNO/-3,0.0000000000,0.0000000000,0.0000000000

GOTO/-275.5955701795,0.0000000000,20.0000000000

COOLNT/OFF

SET/OFSETL,OFF

SPINDL/OFF

$$->END/

FINI

NC文件：

%----------------------------------------------程序开头标志

N40（File_name:

5jingyedingk12t5.ncl.1）---------程序注释

N50T5------------------------------------------选择刀具

N60M06-----------------------------------------换刀

N70（TOOL-12.）----------------------------------刀具注释

N80G00G58G90Z20.000--------------------------选择坐标系

N90X-311.124Y-101.260--------------------------定位到要求的位置

N100S3000M03-----------------------------------主轴转速为3000正转

N110M08------------------------------------------冷却液开

N120G91------------------------------------------相对坐标编程

N130G43Z-1.248H5---------------------在某一高度上设置刀具长度补偿

N140G01Z-30.000F1500.000-----------给出走刀速度

N150X41.126

N160Y0.196

N170X-41.126Y0.004

N180Y0.200

N190X41.126Y-0.008

N200Y0.196

N210X-41.126Y0.013

N220Y0.200

N230X33.438Y-0.012

N240X7.688Y-0.005

N250Y0.196

N260X-19.822Y0.013

N270X-21.304Y0.008

N280Y0.200

N290X27.185Y-0.014

N300X13.941Y-0.011

N310Y0.196

N320X-17.137Y0.016

N330X-23.989Y0.014

…………………………………………………………………

…………………………………………………………………

N2330X7.932Y-0.031

N2340Y0.197

N2350X-8.003Y0.027

N2360X-8.430Y0.022

N2370X-8.903Y0.016

N2380X-11.381Y0.011

N2390Y0.186

N2400X11.284Y-0.010

N2410X8.844Y-0.013

N2420X8.425Y-0.019

N2430X8.164Y-0.024

N2440Y0.197

N2450X-8.160Y0.020

N2460X-11.017Y0.020

N2470X-9.092Y0.010

N2480X-8.448Y0.005

N2490Y0.186

N2500X11.719Y-0.006

N2510X11.716Y-0.014

N2520X13.282Y-0.024

N2530Y0.198

N2540X-10.227Y0.014

N2550X-11.505Y0.011

N2560X-14.984Y0.007

N2570Y0.187

N2580X19.942Y-0.007

N2590X16.775Y-0.015

N2600Y0.198

N2610X-21.040Y0.008

N2620X-15.677Y0.003

N2630Y0.186

N2640X36.717

N2650G49Z16.868------------------------------取消刀具长度补偿

N2660M09--------------------------------------关闭冷却液

N2670M05---------------------------------------主轴停

N2680M30--------------------------------------返回主程序

%-----------------------------------------------程序结束标志

（19）铣汽道型线：

数控机床。

加工部位为汽道以及与汽道相连接的部分如（图9.16）中的加粗部分。

叶片汽道部分的加工在我厂使的软件种类比较多，分别有：

RCS、PROE、MASTECAM、TSSNT、TS3.0，这是因为我厂的汽道型线加工机床的种类比较多，不同的机床使用不同的软件。

各种不同的加工软件的使用有很大的区别，但基本的加工方式却相差不大。

图9.16铣汽道型线部位ab

图9.17汽道部分的加工轨迹

汽道部分的加工工作量比较大，要求对叶片进行数据处理、造型、加工部位的划分、加工方式的选择、使用刀具的选择、加工轨迹的数据转换等。

加工工步也比较多，通常完成该工序的加工需要十多个工步。

但基本的加工部位有：

汽道、叶根圆角、叶顶圆角、叶根平台、叶顶平台、凸台等，对每个部位根据余量情况和过渡圆角大小还须分成几次完成。

图9.17为用TSSNT加工汽道部分的加工轨迹，该方式为采用螺旋式进给加工。

加工完该工序后对叶片的检查采用综合量具和三座标检测，三座标检测是首件的检查和加工过程中抽检。

每件叶片要求用综合量具检查。

叶身型面的加工边界划分如图9.18所示，下