汽轮机叶轮曲面加工干涉问题的分析与处理

刘俊峰

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：在机械加工中，五轴加工技术的优势性越来越明显，然而，对于如汽轮机动叶片这些结构复杂的曲面类零件的加工中，刀具发生干涉是直接影响着其加工的质量和效率，下面通过汽轮机叶轮曲面分析五轴加工中出现的干涉以及处理的方法。

关键词：汽轮机；叶轮曲面；加工干涉；问题分析；处理

1、产生干涉的形式与种类

刀具干涉是指刀具的刀刃切入被加工曲面或刀杆与被加工曲面、夹具等约束表面发生碰撞。在复杂曲面的加工中，刀具与曲面发生干涉的主要表现为三种形式：①刀刃与曲面的干涉即刀刃在垂直与进给方向的平面上的投影曲线的曲率小于在该方向上的法曲率而造成刀具对曲面的过切。②刀具底面与曲面的碰撞干涉。③刀具与曲面或夹具发生碰撞。根据干涉的产生原理可将刀具干涉分为局部干涉和全局干涉两种。全局干涉是指在加工过程中，刀具、夹具、工件及机床各种机械之间的碰撞，这种碰撞危害性很大，直接影响到后续加工过程的进行，还给人身安全带来威胁；局部干涉主要是指刀具在对曲面加工对象产生的少切、过切、漏切的现象，容易导致加工零件误差过大，产品不合格，更有甚者是严重损害零件。

2、避免加工干涉的策略

（1）全局干涉的避免策略。全局干涉包含刀具、夹具、工件及机床各种机械之间的碰撞，下面以其中刀轴与工件碰撞为例进行分析，当刀轴到曲面之间的最小距离dmin小于刀具的半径时，则发生碰撞，如图1所示，当刀轴到曲面之间的最小距离dmin大于刀具半径时，则避免发生干涉，如图2所示。由图1得知，加工过程中是否发生全局干涉主要是看曲面上的点到刀轴之间的最小距离dmin是否大于刀具的半径R刀。假设图1中的1点为干涉点，1点在刀具坐标系中的坐标为（x1，y1，z1），则。在加工叶片根部时，易出现全局干涉现象，刀具与曲面发生干涉，此时则可采用旋转刀轴或者旋转工作台的方式解决，即将刀轴或者工作台向反方向调整一个角度Δα，Δα=arctanR刀/z1-arctandmin/z1，则前倾角为α=α0-Δα，即可解决刀轴与工件发生碰撞的问题。

图1发生干涉图1无干涉

（2）局部干涉的避免策略。局部干涉（又称过切干涉），主要表现为曲率干涉和刀底干涉。①曲率干涉。对于加工曲面的凸区域部分不会出现刀具干涉的现象，因为曲面沿着任何方向的曲率都是负值（如图3-A面）；而对于非凸区域部分的曲面（如图3-B面），如果刀具的有效曲率半径大于曲线的曲率半径，则该处发生刀具干涉现象，产生过切。对于这种情况，只要找出加工曲面的最小曲率半径，选择合理的刀具半径，通过摆动刀轴或者旋转工作台的方式就可以避免刀具的干涉。②瓶颈干涉。在加工过程中，有效的切削刀具半径小于曲线的曲率半径可以避免刀具的过切现象，但是在采用平底刀加工过程中，可能由于刀具的摆动或叶片的震动等各种因素而导致切削刃切入工件，这种干涉即为瓶颈干涉。

图3

为了避免产生瓶颈干涉，在实际加工中刀具的前倾角要大于保证不发生瓶颈干涉的最小前倾角，即α＞αmin。在局部坐标系中得到该最小前倾角的计算式为：对于采用平头铣刀进行加工曲面而引起的加工干涉，常用的解决方式是轴向移动法和轴线摆动法。采用轴向移动法，由于不能保证刀位点与轮廓线始终保持接触，在加工中可能出现欠切的现象；而采用轴线摆动法则算法复杂，调整困难。因此，在叶片的加工中选用球头刀切割圆柱形零件上产生的效果更好，因为刀轴的形态对加工面并没有多大的影响，容易避免局部干涉的发生且能保证较好的切削性能。文章采用的是五轴机床属于单摆头转台机床，且采用的是螺旋方式切削加工，前倾角α=0，可通过调整侧偏角来控制刀轴矢量即可避免局部干涉的问题。

3、技术要求

3.1测绘与设计

测绘将决定叶轮工作状态、定位及加工精度标准，也是制作工装模具的重要依据。测绘精度是汽轮机的性能和经济指标，及设备状态和使用寿命的重要因素。要求采用三坐标测量仪，配合高精度分度仪，精确测绘出真实的叶轮构造、叶片的三维形状及其分布规律、与转子配合的位伞齿精度。对数据进行全面分析和设计，破解出原始的设计图形。从原装叶轮测绘得到的数据中，要识别可疑数据是加工误差，还是变形、磨损造成。

3.2材料采购与毛坯制造

因汽轮机使用饱和蒸汽，结构紧密，工作转速高，与现国产汽轮机叶轮有较大的区别，对材料性能具有很高的要求，决定选用原厂叶轮设计的材料X22CrMOV121V，属于德国产马氏体耐热钢，以保证叶轮具有足够的热稳定性、抗蠕变强度，良好的防腐蚀及耐磨性。

3.3加工工装模具的设计制作

为提高叶轮制造过程加工精度和满足各种设备加工条件，必须定制各种专用工装，以保护工件达到加工目的。因此必须设计并制作高精度机加工工装及组合加工模具、动平衡标准轴等，保证机加工质量，避免叶轮在加工过程中造成的损伤。

3.4热处理工艺

叶轮制造的技术难度在于如何解决叶片的热处理应力，叶片边缘厚度仅0.8mm，中部最厚处为7mm，过渡快又二边不对称度较大，很容易在冷热处理中残留应力，当它超过材料屈服强度时会出现变形，超过强度极限时会产生开裂。要求采用合理的热处理工艺流程，改善毛坯组织和应力状态，控制变形，防止裂变的有效保障，同时必须为机加工工艺留下空间。根椐马氏体型钢热处理制度正确控制退火、淬火、回火及冷却方式，确保温控精度和时间控制。

3.5成形加工工艺及设备选形

先用五坐标加工中心数控机床进行初加工，再进行热处理。为防止高速刀具叶片带来的损害，叶片精加工采用非切加工，以保护叶片边缘薄弱处不受损伤。

3.6无损探伤及变形检测

利用无损探伤技术，对加工后的叶轮进行全面探伤，特别是叶片及齿面是探伤的重点。利用机械检测，激光测绘等手段检测叶轮形变，整体形变量不得大于0.05mm。

3.7叶轮动平衡试验

因不能采用原轴做整体平衡，单独平衡新叶轮，必须将不平衡量进行拆分与组合，把原叶轮不平衡量数据，正确复制到新叶轮上。不平衡量要符合高速叶轮设计标准：经动平衡试验后相对不平衡量小于10mg，出具试验报告。

4、结语

汽轮机是机组的重要组成部分，叶轮在高速的旋转之下会产生振动，过大的振动会带来大的噪音，也会影响叶轮和叶片的使用寿命。因此，对汽轮机的叶轮振动特性进行分析，不仅能够减少汽轮机在运行过程中的损耗，对整个机组的安全稳定运行也具有非常重要的意义。汽轮机的叶轮在高速旋转之下会产生离心力，加上流场不均匀，很容易使叶片的升力发生变化，叶轮受到影响而发生振动。文章通过汽轮机叶轮的加工，得出如何快速调整刀轴的角度解决五轴加工曲面干涉的问题，从而达到提高加工效率和加工质量的目的。

参考文献：

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[3]潘宏刚，易东来等.汽轮机叶轮振动实验装置研发[J].沈阳工程学院学报，2013，10：314-316.