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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

1) 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。

2) 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。

3) XKH1600型五轴联动加工中心在叶片加工中的应用

a. 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。

图1 40英寸叶片结构简图

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。

b. 加工内容及加工状况

首台XKH1600型五坐标联动加工中心于2003年11 月投入使用。机床每天工作24小时(东汽工作安排为四班三运转)，每周停机8小时用于机床维修保养，月工作时间为680小时左右。在XKH1600加工40英寸叶片的加工内容包括：叶身型面、内背弧凸台、叶根过渡圆角、叶冠过渡圆角及叶冠装配面型线。各加工部位在机床上的加工形式见图2～7。

图2 叶身加工简图图3 凸台加工简图

图4 叶根平台加工简图图5 叶根圆角加工简图

图6 叶冠型线加工简图图7 叶冠平台加工简图

通过上述方式对40英寸叶片进行加工，其加工精度能够满足东方汽轮机厂的要求。自XKH1600五坐标联动加工中心(5台)投入使用以来，创造产值1100余万元，加工产品合格率在95%以上，与进口相应规格的五坐标联动加工机床相比生产效率约为进口机床的 90%。通过5C-VMC1250和XKH1600两种规格五坐标联动加工机床的使用，我们认为两种型号的机床设计、制造是成功的，基本满足了叶片加工工艺要求。其操作方便，服务及时有效，机床性价比高，达到了预期的目的。

3 前景及展望

东方汽轮机厂与北京机电院的合作是成功的，可以说是机床制造厂家与机床用户合作的典范。通过合作，东汽与北京机电院从管理者到技术人员、操作人员、维修人员都建立了良好的友谊。东汽与北京机电院在国产五坐标联动加工中心的开发应用上的成功合作，为国内对五坐标机床有需求的厂家提供了一条新思路，在国内同行业产生了较大的影响，不少同行业厂家多次咨询了解机床的使用情况，同时也对国外同类设备制造厂商在中国机床市场产生了一定的压力。可以相信国产五坐标联动加工中心将会有广泛的市场前景。 (