（机械工程专业论文）燃气轮机压气机叶片重点制造技术的研究.pdf

燃气轮机压气机叶片重点制造技术的研究 专业：机械工程 研究生：邵昆指导教师：杨荣松何恒 燃机压气机叶片的制造一直是属于技术含量较高的高科技制造领域，目前 仅有为数不多的几个工业发达的国家真正掌握了此项技术。这主要是由于燃机 压气机叶片与其他类型的零件相比，有其特殊的形状特点和尺寸精度要求，以 及作为流体机械所特有的空气动力学特性的要求。因此，燃机压气机叶片普遍 具有材料特性要求高、形状复杂、技术要求高、加工检测难度大等特点。 本文主要针对公司现阶段燃机压气机叶片的转包生产中存在的加工质量 不稳定、合格率低，生产效率低及产品不易检测等一系列问题，以公司有代表 性的g e ( 美国通用公司) 燃机压气机叶片为例进行重点分析，基于现阶段生产 加工中暴露出来的加工质量不稳定、效率低等问题，通过对该类压气机叶片加 工的几个关键和难点a n ：l ：环节，即榫头压力面和型面的数控加工工艺及叶片检 测为突破口，通过对该类叶片材料、结构特性的分析，从毛坯的控制、刀具材 料的选择、切削参数及走刀方式的设置、工装夹具的改进、工艺路线的完善和 优化等多个方面进行研究和改进，较好的提高了燃机压气机叶片的合格率和加 工效率。对于燃机叶片数量大、检测尺寸多、很多检测要求不易实现等问题， 通过采用将先进的三坐标检测和传统的人工测具相结合使用的方式，提高了叶 片检测的准确性和效率。对于测量过程中所使用测具的重复性和复验性误差 ( g a g er & r ) 的影响，采用m i n i t a b 软件准确的对测具误差的进行分析和判 断，有效的避免了因为测具误差而导致产品检测结果失真的问题。 关键词：燃气轮机压气机叶片榫头型面数控加工三坐 标检测g a g e r & r r e s e a r c ho nt h ek e ym a n u f a c t u r et e c h n i q u e so f g a st u r b i n ep r e s s u r eb l a d e s m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：s h a ok u ns u p e r vis o t ：y a n gr o n g s o n g a b s t r a c t m a n u f a c t u r eo fg a st u r b i n ep l 镪g r l r eb l a d e si sp a r to fh i g h 4 e c hm a n u f a c t u r i n g f i e l d ，w h i c hi s c o m m a n d e di nd e e db yo n l yaf e wc o u n t r i e sw i t hd e v e l o p e d i n d u s t r i e sa tp r e s e n t t h i si sm a i n l yd u et ot h a tag a st u r b i n eb l a d eh a si t so w n s p e c i a l f e a t u r e sa n dd i m e n s i o n a l p r e c i s i o n ，a n d h a st h e r e q u i r e m e n t o f a e r o d y n a m i c a ip r o p e r t yo w n e db ya e r o d y n a m i c m e c h a n i s mc o m p a r e dw i t ho t h e r m e c h a n i c a lt y p e so fp a r t s t h e m f o m ，at u r b i n ep r e s s u r eb l a d eg e n e r a l l yh a ss u c h c h a r a c t e r i s t i c sa sh i g hs t a n d a r df o rm a t e r i a lp r o p e r t y ，c o m p l e xf i g u r e ，h i g h - t e e h , m a c h i n i n ga n dd i f f i c u l tp r o c e s sm e a s u r i n g e t c t h i sp r o j e c tm a i n l ya i m sa tas e r i e so fp r o b l e m sa b o u tu n s t a b i l i z a t i o no f m a c h i n i n gq u a l i t y , l o wa c c e p t a n c e ，l o wp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n dd i f f i c u l t m e a s u r i n gf o rt h ep a r t s ，w h i c he x i s ti nt h es u b c o n t r a c tp r o d u c t i o no ft u r b i n eb l a d e s i n m yc o m p a n y t a k i n gt h et u r b i n ep r e s s u r e b l a d eo fg e ( a m e r i c a ng e n e r a l c o m p a n y ) a s a l le x a m p l e ，w eh a v ea n a l y z e dc o n t r o l l i n go fs o m ei m p o r t a n ts e c t o r s a n dm a i nf a c t o r sb a s e do nt h ep r o b l e m se x p o s e dd u r i n gm a c l l i n i n g ，t h r o u g hs o m e k e ya n dd i f f i c u l t ym a c h i m n gl i n ko ft h i sk i n do ft u r b i n eb l a d e ，i e n cm a c h i n i n g t e c h n i c sa n db l a d e m e a s u r i n g o fd o v e t a i l p r e s s u r e s u r f a c ea n d p r o f i l e a s b r e a k t h r o u g h , w eh a v ei m p r o v e dt h ea c c e p t a n c er a t ea n dm a c h i n e i n ge f f i c i e n c yo f t h et u r b i n eb l a d e st h r o u g ha n a l y z i n gt h em a t e r i a l s ，f e a t u r e so ft h i sk i n do fb l a d e ， a n da l s ot h r o u g hr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n tf o rc o n t r o l l i n go ft h er o u g h ，s e l e c t i o n o ft h ec u t t e r m a t e r i a l ，c u t t i n gp a r a m e t e ra n ds e t t i n gf o rt y p e o f f e e d i n g ， i m p r o v e m e n to ff i x t u r e p e r f e c t i o na n do p t i m i z a t i o nf o rp r o c e s s i n gr o u t e ，e t c u s i n g a d v a n c e dc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) m c a s u d n gc o m b i n e dw i t h t r a d i t i o n a lm a n u a lg a u g e r e l i a b l ev e r a c i t ya n de f f i c i e n c yo fb l a d em e a s u r i n ga r e a c h i e v e d f o rt h ee f f e c to fg a u g er e p e a t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t ye l l o r ( g a g e r & r ) u s e dd u r i n gm e a s u r i n g 。w eh a v ea n a l y z e da n de 酬h l 砷c dt h eg a u g ee r r o r e x a c t l yb yu s i n gm i n i t a bs o t t w a r e ，w h i c hi se f f e c t i v et oa v o i df a u l tp r o b l e m so f p r o d u c t t e s tr e s u l tc a u s e db yg a u g ee r r o r k e yw o r d s ：g a st u r b i n e p r e s s u r eb l a d e ，d o v e t a i l ，p r o f i l e ，n cm a c h i n i n g ， c m m ，g a g er & r 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得四川大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在成发航空科技股份有限公司工作期 间在导师指导下取得的，论文成果归成发航空科技股份有限公司所 有，特此声明。 研究生 鼯如 指导老师：杨荣松何恒 水弛j 巧砂 第一章绪论 1 1 课题研究背景 叶片是燃气轮机中极为重要的零件，其质量的好坏对燃机整体性能和使用 安全有重要的影响。这主要是由于燃机叶片与其他类型的零件相比，有其严格 的材料特性要求及特殊的形状特点和尺寸精度要求，以及作为流体机械所特有 的空气动力学特性的要求。因此，燃机叶片普遍具有材料特性要求高、形状复 杂、技术要求高、加工检测难度大等特点。由于燃气轮机的制造涉及多门类， 多学科，其制造业外包依产业链条的不同环节来进行，目前在燃机领域开发较 为成熟的几大企业，如美国通用( 简称g e ) ，美国普惠( 简称p w ) 以及德国 西门子等，这些先进企业主要着力于产品的研发和品牌营销，控制核心技术和 经营技巧以及一些核心零件的生产。对于一些非核心零件往往将其转移到劳动 生产力成本较低，政策较为优惠的其他国家生产，因此对于处于发展中国家的 制造商来说处于加工制造环节。在这个环节上，就要求这些转包零件的制造 商明确自己的发展定位，承接这种产业环节转移，着力于加工制造环节，确保 发动机制造行业供应链的高效运行。 据统计，全球航机市场每年有近5 0 0 亿美元的市场需求，全球燃气轮机( 航 机的衍生品种) 市场也有约5 0 0 亿美元的市场份额。而燃机叶片作为燃机中的 重要零件，从数量上来看是很大的( 一台典型中型燃机中的叶片就超过4 0 0 0 片) ，而且相对于燃机整体的寿命来说，叶片的寿命也要短，由于工作条件恶 劣，经常要更换，这样作为备件使用的叶片数量也是很大的。 我公司是一家致力于外贸转包生产为主的高科技、外向型企业，公司的定 位是要做成世界一流的航空及航空类衍生产品的供应商，从公司成立以来燃机 叶片项目一直是公司市场开发的重点，通过这几年的不断发展，目前已同g e 、 艘、东芝、西门子等国外优秀企业建立了良好的合作关系，特别是美国g e 公 司，现在我们已成为其燃机叶片在中国的为数不多的几个供应商之一，生产的 燃机叶片涉及7 e 、7 f 、9 f 、9 e 及6 b 等多个机型，同时公司也连续几年获得其 颁发的“最佳供应商”的称号。 但我们相对于世界一流的燃机叶片制造商，相对于目前燃机叶片市场整体 快速发展的趋势，我们还是有很大差距的，我们的发展速度还不够快，生产能 力也很有限。作为一个拥有近8 0 0 多人的叶片制造厂，每年的外贸产值才i 0 0 0 多万美金。这相对于我们初期的定位和投入，相对于客户的期望及市场的需求 还是有很大的差距的。目前的问题主要体现在以下几个方面：1 生成效率低2 单位制造成本偏高3 制造周期较长4 质量不稳定、合格率偏低等。这些因素 直接导致公司在外贸燃机叶片项目开发上一直很被动。由于在制造技术及产品 质量上无法完全满足客户的要求，造成我们始终无法成为其核心供应商，这就 意味我们拿不到技术含量、附加值较高的叶片定单( 如涡轮时片) ；另一方面 由于我们的制造效率较低、制造周期较长，而目前国外燃机市场产品更新换代 很快，同时国外航空制造企业对产品装机配套有严格的时间限制，在这种情况 下，客户也很难将大批量的定单给我们，我们生产的叶片大多作为其备件来使 用，这样造成我们的单种产品的批量上不去，也间接造成了我们单位生产成本 过高。 相对于国际上知名的燃机制造企业，我们生产的直接劳动力成本较低是我 们的相对优势；但劳动生产率低、整体设备和技术水平较为落后以及企业运行 机制和管理水平与国际市场不接轨则是我们的相对劣势。其中制造技术水平的 落后直接制约了公司市场竞争力的进步提升。“科学技术是第一生产力”，我 们应针对现在的薄弱环节制定先进可行的计划，以对现有制造能力的提升为突 破口，通过对燃机叶片具体重点、难点制造工艺及瓶颈工序的技术攻关和技术 改进来提升公司燃机叶片的制造能力和水平，这样才能实现叶片制造厂给自己 定位的“亚洲一流，世界领先”的目标。 1 2 燃气轮机概述 燃气轮机是多种高新技术集成的高科技产品，是衡量一个国家科技水平的 一个重要标志，具有启动快、占地少、热效率高、低排放和减少煤污染等优点。 随着西气东输工程的建设和国家经济的发展，燃气轮机电站建设项目已成为我 国致力于满足日益增长的电力需求的重点工程。燃气轮机具有热效率高、功率 大、体积小、投资省、运行成本低、污染和寿命周期较长等优点。主要用于发 电、交通和工业动力。 2 燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构 与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三部分：1 、燃气轮 机( 透平或动力涡轮) ；2 、压气机( 空气压缩机) ；3 、燃烧室。其主要结构 见图卜1 。 其工作原理为：轴流式压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同 时燃料( 气体或液体燃料) 也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下 进行定压燃烧。生成的高温高压烟气进入透平膨胀做功，推动动力叶片高速 旋转，从而使得转子旋转做功，转子做功的大部分( 现时情况下约2 3 左右) 用于驱动压气机，另约l 3 的功被输出用来驱动机械设备，如发电机、泵、 压缩机等等。透平出来的烟气温度很高，通常被排入大气中或再加利用( 如 利用余热锅炉进行联合循环) 。工作原理见图卜2 。 图1 - 1 典型燃机结构图 图1 - 2 燃机工作原理简图 1 3 燃气轮机叶片简介 叶片是燃气轮机中极为重要的零件，其性能的好坏直接关系到燃机性能的 优劣和使用安全。燃气轮机的叶片也是多种多样的，各种叶片在结构上具有各 自不同的特点。关于叶片的分类方式也有很多，如：按其所属的部件可分为压 气机叶片和涡轮叶片；按其工作时的状态可分为静子叶片和转子叶片；按其结 构特征可分为薄叶片和厚叶片、实心叶片和空心叶片以及非带冠叶片和带冠叶 片等；按其材料类型又可分为普通合金叶片、定向结晶叶片、单晶叶片和复合 材料叶片等。下节将根据燃机叶片工作时所起的作用，对各种类型的燃机叶片 进行简要的描述脚。 “ 1 3 1 压气机静子叶片 压气机静子叶片其作用是使气流方向发生转折并通过气流的扩散使其静 压提高，其中迸气导向叶片只起转折气流方向的作用。 压气机静子叶片大多为实心的薄叶片，其外端常带有缘板，也有无缘板而 焊接在外环上的叶片，起内端带有内环的或悬臂的。一般静子叶片集叠线( 各 型面形心的连线) 为直线并沿径向安装，但也有前掠、后掠和倾斜安装的；也 有叶身的集叠线弯曲的叶片，典型燃机压气机静予叶片见示意图1 - 3 。 压气机静子时片在工作对主要承受气动力及热载荷，但由于压气机工作湿 度一般都不要，且温度分布也较均匀，所以气动力的影响是主要的。 1 3 2 压气机转子叶片 4 压气机转子叶片又称为压气机工作叶片，工作时绕发动机轴线旋转，其作 用是对气流做功，使气流压力增大。 压气机转子叶片多为实心薄叶片，一般不带冠。对于长叶片，如大型发电 机的低压压气机转子叶片，在叶身上往往设有减振凸肩。有的为增加叶片的局 部刚性，在叶身上还设有加强肋条。 压气机转子叶片工作时所受的载荷主要为离心力、气动力和热载荷，其中 热载荷的影响相对较小。典型燃机压气机转子叶片，见示意图1 - 4 。 围卜3 典型燃机压气机静子叶片 i 。| 。j i 1 3 3 涡轮导向叶片 涡轮导向叶片又称为涡轮静子叶片，工作时处于静止状态，其作用是改变 气流的方向并加大气流速度。 涡轮导向叶片通常较厚，两端可能带有叶冠或缘板。该叶片一般采用两端 支承的方式安装，结构上尽量允许叶片的自由膨胀。第一级导向叶片大多为空 心叶片，其空腔常设计成较为复杂的形状，以增加冷却效果。采用气膜冷却的 瓤吼 ，0oiiojlni_ nfffff心 叶片，在其前缘表面往往还开有许多小的冷却气孔。涡轮导向叶片一般都是径 向赢叶片，但也有为减少气流损失而设计成径向弯曲叶片的。 涡轮叶片工作时所受的载荷主要为热载荷和气动力。典型涡轮导向叶片， 见示意图1 - 5 。 1 3 4 涡轮转子叶片 涡轮转子叶片又称为涡轮工作叶片，工作时绕发动机轴线旋转，其作用是 使燃气膨胀做功，将燃气的位能和热能转化为转子的机械功。 涡轮转子叶片通常是厚叶片，实心的和空心的都有，并有可能带叶冠和缘 板，也有不带冠叶片。有的不带冠的长叶片设有减振箍圈，但这种很少并逐渐 被带冠叶片所取代。涡轮转子冷却叶片具有复杂的冷却空腔或冷却孔，采用气 膜冷却的叶片表面还开有气膜孔。 涡轮转子叶片工作时的主要载荷包括热载荷、离心力和气动力。典型涡轮 转予叶片见示意图卜6 。 图1 - 5 典型涡轮导向叶片 6 图1 - 6 典型涡轮转子叶片 1 4 燃机叶片制造的技术难点 结合上述对各种类型叶片结构特性、功能及工作状态的分析，我们不难发 现对于燃机叶片来说，决定其工作性能及质量的几个关键要素是：叶型流线、 叶片强度、叶片材料以及叶片和轮盘机匣的匹配情况等。 目前世界上几个优秀的燃机制造企业( 如美国通用、普惠、西门子等) 在 燃机的开发上一般是基于某成熟的机型或某些经验数据，然后根据需要按比例 放大或缩小，再通过对叶片级数及相关参数的调整，改变增压比，来开发出新 的燃机。在这过程中结合一些优秀的测试软件对叶片进行参数化设计和调整， 达到设计意图。从而相对于以往的来说，研发周期得以大大的缩减。 但好的设计方案只是决定了产品的理论性能，产品最终性能能否符合设计 意图，在很大程度上取决于产品的制造质量，再好的设计，如果没有坚实的制 造技术作为支撑，也只能是纸上谈兵。发动机制造业外包依产业链条的不同环 节来进行，具体而言，上述先进企业主要着力于产品的研发和品牌营销，控制 核心技术和经营技巧，而对于处于发展中国家的制造商来说处于加工制造环 节。在这个环节上，就要求这些转包零件的制造商明确自己的发展定位，承 接这种产业环节转移，着力于加工制造环节，确保发动机制造行业供应链的高 效运行。 燃气轮机叶片制造技术一项技术含量很高的技术，目前世界上仅有为数不 多的几个工业较发达国家企业掌握了此项技术，这主要是由于燃气轮机叶片 与其他的零件相比，有如下特点： 一 叶片工作中受力复杂且工作环境恶劣，对材料综合性能要求很高，毛坯的 锻造铸造工艺复杂。 叶片型面复杂，曲率变化很大，某些叶片( 如压气机导向叶片) 长且薄， 加工性能很不好，用传统的方法不仅d n i 效率低且加工中变形、加工后反 弹现象严重。 叶片涉及尺寸较多，精度要求高。一个普通的叶片，其叶型往往涉及上百 一个尺寸，尺寸与尺寸之间又相互发生关联和影响，加工中难以控制；相对 于叶型，榫头作为叶片的基准，由于直接决定了叶片的装配，对精度要求 很高，加工中很难保证。 7 传统的人工检测方式效率低、精度低、成本高。 正式由于燃机叶片具有上述的技术难点，使得燃机制造业相对于其他常规 制造业有着更严格的市场准入要求，国外燃机优秀企业在选择其供应商时有着 严格的要求，从目前国内燃机叶片转包市场来看，真正能得到外方认可的也不 过3 4 家，企业的竞争更多的是和国外先进企业的竞争，在这些国际化的竞 争中，如何充分利用我们的优势，提高产品的质量，满足外方严格的交付期要 求是我们在竞争中必须着重关注的。 1 5 本课题的研究方向 燃机叶片主要有二大类，即压气机叶片和涡轮叶片。由于涡轮叶片属于燃 机的重要零件，国外政府对于航机类( 燃机属于航机的衍生产品) 重要零件的 出口转包有其严格的限制，重要零件一般由其自己或其合资工厂生产。从目前 中国燃机叶片市场来看，转包生产主要还是以压气机叶片为主。这也是我们公 司现阶段产品开发的重点，因此本文以我公司有代表性的g e 燃机压气机叶片 为例，针对公司目前燃机压气机叶片生产中存在的加工质量不稳定、效率低等 问题，以该压气机时片加工的几个关键环节( 榫头压力面和型面数控加工工艺 及叶片检测) 为突破口，通过对该类叶片材料、结构特性的分析，从毛坯的控 制、刀具材料的选择、切削参数及走刀方式的设置、工装夹具的改进、工艺路 线的完善和优化等多个方面进行研究和改进，以提高燃机压气机叶片的合格率 和加工效率。对于燃机叶片数量大、检测尺寸多、很多检测要求不易实现等问 题，采用将先进的三坐标检测仪和传统的人工测具相结合进行测量的方式，更 准确、更高效完成对燃机叶片的检测，消除原先因检测手段落后造成叶片检测 不准确，叶片的检测结果和客户检测结果差异过大等问题，为燃机叶片的质量 更好的保驾护航。 8 第二章燃机压气机叶片榫头难点加工技术 2 1 压气机叶片榫头特性分析 g e 压气机叶片榫头以燕尾形榫头为主( 见图2 - 1 ) ，静予叶片中也有一部 分是方榫头( 见图2 2 ) 。转子叶片通过榫头与轮盘外缘的榫槽相连，起到将 作用在叶身上的载荷传到轮盘上的作用；静予叶片则通过榫头与压气机机匣或 环相连，改变气流方向。榫头与榫槽之间的配合可以是过渡配合，也可以是小 间隙配合。由于在工作时叶片上受到巨大的离心力、气动力和振动等载荷，为 确保在连接处有足够的强度和适宜的刚性、稳定性，叶片整体的强度以及和轮 盘的配合是非常重要的。 图2 1 典型压气机叶片燕尾形榫头 图2 2 典型压气机叶片方形榫头 为保证榫头和榫槽问的配合关系，榫头的精度，特别是装配处榫头压力面 的精度要求是相当高的，面轮廓度公差( p ec c c v ) 往往在o 0 1 5 t m 左右， 还有严格的角度公差限制。同时叶片榫头作为叶身型面加工和检测的基准( 见 图2 3 ) ，榫头的质量直接决定了叶身型面加工的质量和叶片最终的性能。 9 2 x 2 x 图2 - 3g e 压气机叶片设计基准 2 2 榫头难点加工工艺分析 在g e 压气机叶片中，燕尾形榫头占大多数，相对于方形榫头，燕尾形榫 头型面更复杂，精度要求也更高，切削性也较差，从质量上较难控制，方形榫 头相对较为简单。因此这里重点对后者进行分析。在现阶段该类榫头加工过程 中，生产效率低、合格率偏低、刀具磨损严重，生产成本过高等。要解决这些 问题，需从g e 燃机压气机叶片材料特性、外形特征等方面进行分析，通过制 定合适的工艺路线、加工参数以及选用合适的刀具等方面来解决目前榫头加工 中的难点。在该类叶片的榫头加工中，压力面的加工即是重点也是难点工序。 说是重点，是因为压力面是叶片的装配面也是设计基准，型面的加工和检测也 是通过压力面定位来实现的，压力面质量的好坏直接影响到叶片的质量：说是 难点，是因为压力面精度要求高、涉及尺寸多、形状相对复杂、切削加工性不 好、不易检测等，g e 叶片榫头压力面尺寸公差见图2 - 4 j 。 l o 2 图2 - 4g e 叶片榫头压力面尺寸公差图 面( 掩o c l c v ) 榫头压力面加工是榫头的精加工阶段，也是叶片基准真正形成的阶段。目 前公司所加工的7 e 、7 f 、9 f 等系列的g e 燃气轮机压气机叶片，其叶片长度从 1 0 0 多毫米到6 0 0 多毫米，属于大、中规格叶片。叶片的设计基准a 、b 、c 都 集中在榫头上。所以对于采用余量较大的模锻毛坯叶片来说，榫头的加工是非 常关键的。由于榫头上留有较大的加工余量，因此在机加工过程中，都是先用 叶身定位加工出榫头，再用榫头定位加工叶身。榫头压力面的加工主要有两种 加工方案，即拉削和铣削。由于g e 燃气轮机压气机叶片尺寸规格较大，所以 榫头的加工面积和加工余量较大，对拉削设备的要求较高，要求采用大尺寸的 拉床，且拉刀精度要求很高，拉削时需采用成套组合拉刀。此方案适用于大批 量生产的小叶片。拉削加工的优点是加工尺寸稳定、精度高、生产效率高，适 合于大批量生产，但缺点是对设备要求较高，拉刀制造成本高，组合拉刀换刀 及调整相对麻烦。从我公司的叶片类型及特性来看，航机叶片相对较小且批量 大，榫头加工多采用拉削，g e 燃机叶片尺寸较大，且品种多、批量小，更适合 采用铣削。 切削加工相对灵活、适用性广，质量较稳定且相对成本较低。目前通常采 用的方式是在卧式铣床上加工( 一般采用高精度的三坐标数控铣床) 。铣削相 对于拉削加工便利，适用于各种规格大小的叶片榫头加工。由于榫头压力面的 公差很严( p ec c c v 公差为0 0 1 5 m m ) 吲，毛料余量又相对较大( 单边实际 余量超过4 m m m ) ，因此在压力两的加工中分为粗加工和精加工两个工序来完成。 粗加工以去除余量为主，粗加工后留不超过o 3 0 咖的余量进行精加工。 从目前的情况来看，在榫头压力面的切削工序中，主要有如下几个问题： 加工质量不稳定，特别是有些大的叶片，g e 叶片刚开始试制时该工序的合格 率仅为5 0 ，这两年通过逐步的摸索和改进，合格率有所提高，但不合格率依 然接近1 0 。 加工效率低，一个普通的g e 压气机叶片，粗加工要4 0 5 0 分钟，精加工要 1 个小时左右，相对于榫头其他工序的加工，该工序的加工时间几乎占了一半。 加工中刀具磨损严重，一把精铣刀往往只能加工3 0 4 0 件零件，且每隔2 0 件就必须进行检查，若不合格就必须更换，频繁的换刀，不仅影响了加工效率， 也提高了制造成本。 盆、背余量不易控制，作为基准的榫头加工后，盆背、进排气边余量分布 不均，有些甚至没有余量，这都给后续的叶型加工造成很大的困难。 工序中的测具检测和零件最终的三坐标检测原理不同，检测结果有不小差 异，造成对榫头压力面尺寸较难控制。 下面针对榫头加工过程中的上述难点及现阶段生产中所暴露出的问题，课 题组对该类叶片材料特性、刀具控制、装夹定位、检测等多方面入手来进行分 析，提出如下相应的改进措施。 2 3 材料特性分析 g e 压气机叶片材料主要为b s o a 7 8 9 和b 5 0 a 7 9 0 ( 美国材料标准牌号) c 6 7 1 ， 也就是通常所说的马氏体不锈钢，该类材料具有优良的综合力学性能，热强性 高，耐应力腐蚀性能好，从该材料本身来说冷热加工性能都是不错的，但该材 料热传导率低，特别是经淬火、回火后具有较高的硬度和强度，且韧性大。 目前毛料均为模锻件，由于国外采购相对价格较高且交付期无法保证，因此该 锻件一般都是在国内采购，但由于目前国内锻造工艺和热处理的局限，锻件质 量状况一直不稳定，且毛料余量普遍偏大( 单边余量在4 m m 左右) ，这就给叶 片的机加工造成了很大的困难。 从材料特性上来分析，马氏体不锈钢的铣削难点主要有以下几点”“”1 ： 刀具容易磨损，不锈钢中的碳化物硬质点，使刀具加剧磨损。在前面刀具上 产生的月牙沣磨损，粘刀现象较严重，在刃口易引起微小的剥落和缺口。 加工硬化现象严重。 切削温度高，在相同的切削条件下，比4 5 钢约高2 0 0 3 0 0 。c 。 切削力大，在相同的条件下，比4 5 铜高1 2 5 倍以上。 切削过程中易产生积削瘤，不仅加剧刀具磨损，还会引起己加工表面出现撕 裂现象，降低表面质量。 由于该类材料的上述特性，造成在榫头的切削加工中，刀具磨损严重，切 削面光度较差，加工后榫头内部存在较大的内应力，应力释放后可能导致榫头 变形，尺寸精度很难保证。要改善该类材料的切削状况，就必须从刀具、切削 参数的选择方面入手，找出适合该类材料的合适的刀具材料，并对刀具的切削 次数及切削量进行严格的控制，避免因刀具问题出现零件批量报废的可能，对 于b 5 0 a 7 9 0 材料加工后易形成较大的内应力的问题，为防止应力释放导致零件 变形，应采取一定的措施消除内应力。 2 4 刀具静控制 由于叶片毛坯的上述特性，导致在切削过程中刀具磨损相当严重，一把精 铣刀只能加工3 0 件左右的零件，且每加工2 0 件就必须送检，若零件不合格就 必须换刀。频繁的换刀不仅占去了大量装夹和校准时间，且换刀后加工的首件 又必须重新进行首件鉴定。这样一来就造成生产效率低、质量不稳定、刀具成 本过高。刀具磨损严重的主要原因在于毛料余量大而该材料热传导率又较低， 切削时产生的热量很难扩散，致使刀具刃尖温度很高，切削刃受热影响极为明 显。这种影响的结果会使刀具材料中的粘结剂在高温下粘结强度下降，w c ( 碳 化钨) 等粒子易于分离出去，从而加速了刀具磨损。另外，该材料中的成分和 刀具材料中的某些成分在切削高温条件下产生反应，出现成分析出、脱落，或 生成其他化合物，这将加速形成崩刃等刀具磨损现象“”。 要解决刀具磨损过快的问题，可从以下几个方面入手进行改善： 合理的选择刀具的材料 对于这种马氏体不锈钢材料的切削来说，通过课题组反复的工艺试验证明 涂层硬质合金刀具应该是最为适合的。可采用以超细晶粒合金作基体的新型涂 层硬质合金，再选用高温硬度良好的涂层材料加以涂层处理，这种材料具有优 异的耐磨性，并可用于高速切削加工“。 试验结果证明采用这种涂层硬质合金刀具后一次刃磨后可精铣6 0 8 0 件， 相对于原先仅3 0 件的加工量提高了一倍多，大大的提高了该工序的) j n 3 二效率。 成型铣刀的设计和控制 在切削难加工材料时，刀具形状的最佳化可充分发挥刀具材料的性能。选 择与难加工材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状和对刃尖进 行适当处理，对提高切削精度和延长刀具寿命有很大的影响，因此，在刀具形 状方面决不能掉以轻心。但是，随着高速铣削技术的推广应用，近来已逐渐采 用小切深以减轻刀齿负荷，采用逆铣并提高进给速度，因此，对切削刃形状的 设计思路也有所改变“”。 在采用成型铣刀加工时，成型铣刀压力面的角度是非常重要的，其制造精 度是否满足要求是保证叶片榫头合格的前提。相对于榫头的公差压力面角度及 面轮廓度的公差，成型铣刀在制造时必须压缩公差，成型铣刀验收时必须进行 试样的加工，所加工的榫头压力面的公差必须控制在0 ，o l o m m 的范围内，只有 这样才能保证所加工出来的榫头压力角符合设计要求。 改善切削条件 难加工材料的切削条件历来都设定得比较低，随着刀具性能的提高，高速 高精度c n c 机床的出现，以及高速铣削方式的引进等，目前，难加工材料的切 削已进入高速加工、刀具长寿命化的时期。 现在，采用小切深以减轻刀具切削刃负荷，从而可提高切削速度和进给速 度的加工方式，已成为切削难加工材料的最佳方式“。当然，选择适应难加工 材料特有性能的刀具材料和刀具几何形状也极为重要，而且应力求刀具切削轨 迹的最佳化。对于不锈钢的切削，由于材料热传导率很低，因此，必须防止切 1 4 削热大量滞留在切削刃上，为此应尽可能采用间断切削，以避免切削刃和切削 面摩擦生热，这将有助于延长工具寿命和保证切削的稳定。在对零件进行粗加 工时，工具形状和央具应很好配合，这样可提高刀具切削部分的振摆精度和夹 持刚性，以便在高速回转条件下，保证将每齿进给量提高到最大限度，同时也 可延长工具寿命。 在叶片的榫头压力面加工中，成型铣刀是非常重要的，必须严格进行控制。 新制的和重新刃磨的成型铣刀应按设计要求进行检测并对其所加工的第一件 零件用三坐标测量仪进行验证，符合要求的方可使用。同时，根据其加工叶片 的大小及材料类型，对每把成型铣刀加工零件的数量也必须严格控制。在加工 中，每隔2 0 件用三坐标对所加工的叶片榫头进行抽检。抽检中若发现有不合 格的，应检查成型铣刀的压力角是否符合设计要求，并对切削中的迸刀量及机 床工作台的平行度、垂直度进行检查。 2 5 工艺控制的关键点 榫头压力面的加工是以叶片毛坯上叶背的两个截面做基准来进行定位的 ( 见图2 5 ) ，夹具上的型面定位块是以理论的型线尺寸加上毛坯的理论厚度 进行设计的( 见图2 6 ) ，但由于实际生产中毛坯型线和余量的不规则性，造 成在加工时叶片所处的实际位置和设计的理论位置有较大的出入。因为最终的 叶型加工是以榫头为基准的，榫头中心线的位置就决定了叶型余量的分布。以 往在加工中由于控制不严，工艺人员和加工者在加工过程中往往仅单纯关注榫 头加工工序的质量，榫头合格即可，而没有考虑榫头加工对后续工序的影响， 导致加工出的叶片余量分布不均匀，有些甚至已经没有余量，这都给后序的型 面加工造成了很大的困难。 图2 - 5 榫头压力面j g x 的定位基准 图2 - 6 榫头压力面加工型面定位图 通过对叶片榫头特性及叶片设计基准的分析，我们认为在叶片压力面的加 工工序中有两个工艺控制的重点，一是保证叶型压力面符合图纸的要求，包括 尺寸、角度及光度，这主要是由成型铣刀来控制；另一个就是要使榫头加工后 1 6 叶盆和叶背的余量尽可能分布均匀，型面扭转不大，从而给叶型的加工创造更 好的条件，这主要通过在榫头压力面加工过程中的装夹定位来控制。课题组所 做的工作也主要从这个方面展开，下面就对叶片装夹定位中的几个重点环节进 行阐述： 2 5 1 叶片毛坯的控制 g e 叶片毛坯示意图见图2 7 ，在毛坯的检测中，除了按毛坯图进行相关尺 寸的检查外，还必须重点关注以下方面： 余量的分布应用毛坯专用测具对叶片毛坯进行检测，毛坯定位后， 用样板检测盆、背的透光情况，为保证最终叶型单边余量不小于2 棚，盆、背 透光应不大于1 5 。同时按毛坯余量的分布情况进行分组，即：偏背、偏笳、 适中。 加强对毛坯的缺口尺寸的控制。 叶片榫头加工时，要利用毛坯前缘上的缺口来进行定位，缺口的尺寸若不 符合要求，会影响叶片的定位，导致叶片型面相对于榫头发生扭转和前后错移。 因此在毛坯检测时必须要对缺口的尺寸( 高度和深度) 进行控制，尺寸不合格 的必须要进行返修。 检查毛坯各部位的表面缺陷，缺陷深度不能超过毛坯余量的一半。 通过对毛坯的检测，能够将不合格的毛坯排除，以避免后序工序无谓的加 工所造成的浪费，同时也使加工者更加清楚此批毛坯的状况，以便于在加工中一 对工装、进刀量及切削参数作相应的调整。 1 7 图2 - 7g e 压气机叶片毛坯圉 2 5 2 叶片装夹定位的控制要点 叶片的装夹定位是由夹具的定位块及所配的样板来控制的，因此，在叶片 的装夹中应特别控制以下几个要点： 应使叶背定位面和夹具定位块较好的贴合，毛坯缺口应能靠在夹具上定 位销所在的位置； 用叶盆型面样板校正叶片的位置，旋转叶片的位置直至样板透光均匀； 压紧时应确保叶片受力均匀，对于扭角较大的转子叶片，应在压紧装置 上设计活动的压紧块，使压紧块可随型线的变化进行调整。 通过同该环节中装夹定位的严格控制，一方面保证了榫头加工的准确性和 可靠性，另一方面也控制了叶片总体的扭转和偏移，这对后序型面工序的加工 非常重要! 2 5 3 进刀量的控制 工艺规程中的进刀量往往是根据毛坯的理论余量来进行计算的，而实际生 产中毛坯韵余量分布情况是多变的，若按同一个进刀量进行加工，可能导致叶 片型面余量分布不均，余量少的一面有可能铣不出来( 无法去掉锻件上的黑 皮) ，最终叶片可能因此而报废；就算能够加工出来，应会应盆背余量差异过 大，这样叶片在加工中型面各处切削深度差异就很大，不仅加大了刀具的磨损， 而且会导致变形加大，这样加工出来的叶片应力也很大。 因此，在实际加工中必须根据毛坯预先划分的组别( 叶型余量偏盆、偏背、 适中) 确定每组叶片榫头上单边进刀量，确定榫头进刀量的原则是：在首先确 保榫头能加工的出来的情况下( 尺寸、光度符合要求) ，同时确保叶片型面余 量尽可能的分布均匀( 盆、背余量差应控制在 m m 以内) 。 2 5 4 首件状况判定 对于本工序而言，酋件加工后的检测非常重要! 首件应理解为每把刀或每 班加工的第一件零件。这是由于一方面本工序的尺寸精度及光度要求较高，而 所加工出榫头的质量更多是由刀具和机加工参数来保证，而刀具是否合格以及 机加工参数是否合适最终还是要用零件来验证，该工序加工完成后，榫头已经 没有余量，如果不合格，叶片几乎是无法返修的。因此，对于每把刀、每天加 工的首件都必须进行检测，检测方式和重点如下： 三坐标测量仪检测榫头的压力面尺寸、角度是否符合图纸要求； r 投影仪用于检查榫头的两个r 是否符合图纸要求； 光度块规检查榫头表面光度是否合格； 型面测具检测型面余量分布状况( 叶盆、叶背及前后缘的余量分 布) 。 只有上述几项检查均符合要求后，方可进行后续零件的批量加工，否则应 根据具体情况对刀具、夹具或切削参数进行调整，直至首件符合要求。 对于批量零件的加工，上述各项除三坐标测量仪和r 投影是按一定比例抽 检外，其余几项都必须1 0 0 检测。关于三坐标测量仪的检测，将在后面的章节 中进行专门的论述。 1 9 2 6 消应力处理 对于一些采用较软材料锻制成的叶片，由于榫头本身毛坯余量较大，在经 过大余量的切削后，棒头中会积聚大量的残余应力，此时若不消除这些残余应 力而直接进行榫头的精加工，一段时间后这些应力释放会导致叶片发生变形， 最终导致叶片超差“”。 刚开始试制g e 压气机叶片时，由于对这方面经验不足，没有针对不同的 材质采取相应的措旅，结果材质为b 5 0 a 7 9 0 c 的叶片8 0 9 6 的发生了较为严重的变 形，榫头尺寸大面积超差。通过对榫头变形原因的查找、分析以及一系列的试 验，找到了榫头变形的原因及解决办法，即通过在榫头压力面粗加工后精加工 前安排次消应力处理工序，消除榫头中的残余应力后再进行精加工，试验取 锝了非常好的效果，通过消应力处理后的叶片榫头合格率在9 5 以上。 2 ，7 小结 通过对榫头加工中所用刀具及切削参数的改进和控制，改善了叶片的切削 加工性；通过对叶片毛坯检测、叶片装夹定位、首件检测等相应重点环节的控 制，保证了叶片加工的质量；通过增加消应力处理工序，有效的防止了叶片因 内应力过大而引起的榫头变形。通过此次的改进和对控制程序的完善叶片榫头 的合格率提高到9 5 以上，刀具的切削效率得到了改善，切削质量得到了进一 步的控制，没有因刀具质量问题出现零件批量超差的现象，榫头加工后型面余 量趋于均匀( 盆、背余量差控制在l m m 以内) ，为后续型面加工创造了好的条 件。当然榫头压力面的加工作为榫头加工的关键工序，影响其加工质量的因素 是很多的，如机床导轨精度、刀杆跳动、夹具的刚性等等，这些因素综合起来 对加工的影响是很大的，而且后续工序对榫头压力面的影响也是不和忽略的， 如叶片的型面加工，由于采用榫头定位加工型面的方式，型面余量较大，且余 量分布不均匀，这样在型面加工中，榫头会产生较大的应力，这一点在较软的 材料上尤为明显。要解决这些影响，一方面只能通过在榫头加工中压缩公差来 保证，榫头压力面加工后尺寸公差要尽量控制在0 0 1 0 以内；另一方面，在数 控加工型面过程中通过采取有效的措施，减少型面加工对榫头盼这一影响。 第三章压气机叶片的型面加工 燃机叶片型面对整个叶片的气动性起决定作用，从叶片的几何特性来看， 其叶身型面部分为复杂的空问曲面，各部分的曲率、扭转变化较大，是典型的 薄壁件。由于其为动力等装置的重要部件，工作条件较为恶劣，对零件本身的 精度和质量提出的很高的要求。型面的加工质量直接影响其工作性能，从而可 能影响整机的性能。叶片的材料要求有很高的质量一强度比，加工中难切削， 切削抗力大，引起的变形也大。由于其截面形状，在叶盆和叶背方向上抵抗变 形的能力也不同，进排边缘处又较薄，加工中的形变很复杂。再加上定义型面 的参数众多，如：前后缘后度、最大厚度、弦长、扭角等，从叶根到叶尖每个 截面的型线都不相同，而且差别较大，特别是对于一些转子叶片有较大的扭角， 这些都给叶型的加工造成了很大的困难。 传统的型面加工方法主要有：仿形铣、靠模车、电解加工、砂带磨、手工 抛光等，这些传统的加工方式对于一些较小的、平坦的、余量不大的叶片来说 或许还能完成，但对于类似像燃机叶片这种中、大型叶片来说，上述那些工艺 方法已经明显不适应现代化大批量、高精度生产的要求，主要体现在加工效率 低、精度低和废品率高等。近年来随着电子和信息技术的不断发展，数控加工 已渗透到机械制