方钢叶片的五轴加工

作者：无锡透平叶片有限公司 李檀

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 轴方钢生产线自投入使用以来，进行了大量的新品试制和加工，其中比较典型的产品是各种汽轮机的动叶和静叶。方钢叶片在五轴加工中心上加工，缩短了加工流程，简化了工艺和工装，差不多所有的部位一次定位装夹都能加工出来，避免了基准转换带来的误差。但其也存在着各种各样的问题，有必要基于调试过程中积累的经验对方钢的五轴加工进行一番深入探讨。 五轴设备的特点 方钢生产线的设备主要是12台HSTM300和四台Starrag151，主要加工300mm以下的小叶片，都是单驱动立式设备，装夹方式基本上是一夹一顶，叶片处于悬空状态，这就决定了加工时在驱动端夹具一侧的坯料刚性会远远好于尾座顶尖侧，坯料越细长差异越大，并且加工平面的效果无论是精度还是表面质量都远不如普通机床的固定铣，更不如磨削加工；尤其当加工平面远离回转中心时还会产生严重的振纹；而对一些圆孔的加工效果也不是很好；最擅长的应该是型面及转接汽道的回转加工，以及三轴四轴设备无法做到的特殊部位或形状的加工。五轴设备不是万能的，某些类型的加工在其它机床上可以轻松实现，在五轴设备上却会事倍功半。 HSTM和Starrag之间的差异：HSTM机床可以在驱动端夹紧的情况下加工出一个坯料尾座侧的圆凸台，然后抱紧这个圆柄进行产品的加工，即可以避免两端中心孔不一致产生的基准偏差，又可以进一步增强尾座侧的坯料刚性，这是HSTM机床最大的亮点，我们应多多加以利用。而Starrag的精度和稳定性要好于HSTM。 关于叶身型面的加工：叶身型面，是一种不规则但有一定规律的复杂曲面，具有相当程序的弯曲和扭曲，它的加工是叶片加工中的重点，也是五轴机床加工的优势所在，一般采用螺旋回转铣的方式进行加工，因为五轴加工中心的刀轴可以摆动一定的角度，使加工型面的圆角刀完全垂直于曲面，然后再以一定的前倾角的方式走刀，因而加工出来的型面没有过切和死角，这是其它设备做不到的。 方钢叶片的加工工艺流程和工艺方案的重要性 叶片基本上可以分成三大部分：叶根、叶身和叶冠。 一般的方钢叶片都是单T或者双T型的叶根，至少有两个以上的叶根槽，以及进、出汽侧平面和内背径向平面；叶身是由若干档型线所组成，分成内弧、背弧和进汽边、出汽边四部分；最上面的部分是叶冠，同叶根一样也要加工出两侧面和内、背径向面来；而型面和叶根叶冠相交的区域是以圆角来过渡的，称之为转接。 一个叶片的的工艺编制，首先要考虑的就是工艺方案的制定，根据产品的结构特点以及精度等级和技术要求，确定最稳定的装夹方式和最合理的加工手段，像联合循环机机组的高压动叶，要求最高的应该是两侧面的尺寸和内背径向面之间的节距，以及叶根和叶冠之间的位置度。装夹方式采用最基本的一夹一顶，但为了保证工艺基准的一致性，将定位的工艺凸台和中心孔先在立式加工中心上一次加工出来，再以加工好的定位基准进行整个叶片的加工。为了保证两侧面和节距的精度，这些部位都是用同一把精铣刀来进行加工，并且采用在线测量的方式，先加工出叶根或叶冠的两侧面，在线测量，调整刀长做准两侧面，再以调整好的刀长来加工相对应部位的内背径向面，以保证节距的要求。整个工序的安排如下： ①在五轴立式机床上，一次装夹，先加工出方钢的装夹工艺凸台，再用中心钻头加工两端定位用的中心孔，这样充分保证了所有工艺基准的一致性； ②用工艺凸台和中心孔定位，用一端压夹一端顶紧的方式在五轴机床上进行装夹； ③装夹牢固之后，首先整体开荒去除大面积的余量； ④粗加工出尾座顶尖端的两侧面和内背径向面，然后用精铣刀稍放量精加工该处两侧面，进行在线测量，和放量后的名义尺寸进行比较，相应调整刀长，再进行加工，直至做准两侧面；再以最后调整好的刀长，精铣出尾座侧的内背径向面； ⑤重复上面的步骤和在线测量调整刀长的方法，做准驱动端夹具一侧的两侧面，和该部位的内背径向面； ⑥.然后粗铣型面和两处过渡圆角的转接，单面留0.5～1mm余量； ⑦再分粗、精铣加工出叶根槽和汽封以及各个倒角和工艺槽； ⑧回转加工精铣型面，以及两处转接；如果余量较大，也可以加一步半精加工； ⑨最后铣出叶顶和叶根底面，并用键槽铣刀钻出叶根底面的半圆槽，结束所有部位的加工。 大面积的开荒去余量、粗铣两侧面及径向面和粗铣型面，用的都是同一把φ40mmR6的粗铣圆角刀片刀,刀片是φ12mm的圆刀片，用低转速大进给的方法进行加工。精铣两侧面和径向面的精铣刀是φ63mm的刀片刀，用的是R0.5的方肩刀片。精铣型面的精铣刀是φ20mmR4的刀片刀，用φ8mm圆刀片。转接部位用的是4°的锥度球头刀。至于其余的根槽等部位，用的是整体硬质合金立铣刀，根据不同的槽宽，选用不同的直径及R角，以及不同的加工参数。 最初的工艺方案是无论粗精加工，所有的部位都在五轴设备上加工出来，并将工艺凸台放在叶冠一侧（见图2），那么装夹的时候，叶冠在夹具处压紧而叶根放到了尾座顶尖处，这样加工出来的叶根内、背径向面出现了大量的振纹，无论怎样调整加工参数结果都不理想，而且叶片越长振纹越严重；后来将工艺方案改成工艺凸台放在叶根处压紧而叶冠一侧顶紧，就解决了径向面振纹的问题。另一个困扰我们的难题是叶根底面半圆槽的加工，因为它和径向面不垂直，保证不了其左右位置公差的要求，为此浪费了大量的时间和坯料，最后和工艺人员沟通，只好将半圆槽放到三轴设备去做。 由此可见，工艺方案的变动会对加工产生根本的影响。 五轴加工虽然简化了工艺和工装，加工思路是在程序当中体现出来的，但合理的工艺方案仍具有至关重要的作用，它本身就决定了一个产品加工的难易和质量的好坏，工艺人员必须首先从宏观上把握整个产品每个部位的加工，如何定位怎样装夹才能得到最佳的效果，然后设计出精巧合理的夹具，整个加工过程才能顺畅，产品质量才能稳定，数控编程只是在已确定了的工艺方案的框架内进行发挥。 方钢叶片的加工特点 精度要求高：如联合循环168机组的高压动叶，要求两侧面的公差0～-0.03mm，节距公差+0.04～-0.02mm。这在无锡透平叶片有限公司加工的产品种类里面是首屈一指的。 加工部位多并且形式多样：基本上所有能做加工的部位都要求在五轴设备上一次做下来，而不同的叶片形状各异，使得加工类型又复杂多变，这也是五轴加工的强项。 粗铣开荒的时间占的比例大，一半左右的时间用在去余量上，如何缩短粗加工的时间，是提高加工效率的关键。 叶片品种多批量小。 制定工艺方案的原则 工艺方案的制定应本着追求最大性价比的原则，一个理想的工艺方案应该是用最简便的加工手段，最高的加工效率，最低的加工成本，来得到最稳定最可靠的加工质量。工艺人员追求的是制造出最佳、而不一定是最完美的产品。就方钢叶片五轴加工而言，不是所有种类的叶片，不是叶片上的所有部位都应该上五轴加工。而要求非常严格的两侧面和径向面可以考虑用平面磨床，一次加工多片；叶根的圆弧槽以及叶根底面和叶顶可以用大立车对叶片组圈进行加工；这样即保证了精度和表面质量，也极大地提高了效率。限制方钢加工效率的粗铣开荒可以外委，或者在普通机床上做。让五轴设备做它最擅长的，以发挥它最大的功效。 结论 五轴设备不是万能的，它具有不可比拟的优越性，也同样有其自身的局限性。方钢的五轴加工虽然简化了工艺工装，但工艺方案仍具有至关重要的作用。方钢叶片的加工代表着无锡透平叶片有限公司加工精度的最高水平。工艺方案的制定应本着追求最大性价比的原则，合理地制定方钢叶片的工艺方案。(end)

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