汽轮机叶片制造工艺过程

轴流式蒸汽轮机动叶片制造工艺简述

摘要：介绍了汽轮机等截面直叶片、自由成型叶片、有成型规律叶片汽道加工的毛坯制造、型面加工工艺过程，并介绍了五联动加工中心的基本特点，简单说明了汽轮机叶片几种特种加工方法的基本原理。

关键字：汽轮机 动叶片 毛坯制造 加工工艺 特种加工

一：汽轮机简介

汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 。汽轮机是一种高温高压高速旋转的机械，尤其对于发电用汽轮机来说，又是大功率输出地原动力机械，所以设计要求汽轮机具有高效率，高安全可靠性，而且可调性要好。

目前我国发电用汽轮机以300～600MW居多，体积庞大，结构精细复杂。由于多级轴流式汽轮机绝热焓降大，能够充分利用蒸汽的热能，因此绝大多数为发电用汽轮机均为多级轴流式汽轮机。

汽轮机本体主要由转动部分和静止部分两个方面组成。转子包括主轴、叶轮、动叶片和联轴器等。静子包括进汽部分、汽缸、隔板和静叶栅、汽封及轴承等。因此汽轮机的制造工艺主要为上述部件的制造工艺。

汽轮机制造工艺的特点为：属单件生产，生产期长，材料品种多，材料性能要求高，零件种类多，加工精度高，设备要求高，操作技能要求高，机械加工工种齐全，设计冷热工艺且面广，检测手段齐备要求高，计量设备、测量工具齐全而且要求高 采用专门工装多。

二：轴流式蒸汽轮机动叶片制造工艺

1：叶片的结构

静叶片一般由工作部分和安装部分组成

动叶片一般由叶根、叶型部分和叶顶三部分组成

2： 叶片的工作条件及材料选择

叶片的工作条件复杂，除因高速旋转和气流作用而承受较高的静应力和动应力外，还因其分别处在过热蒸汽区、两相过渡区、和湿蒸汽区段内工作而承受高温、高压、腐蚀和冲蚀作用。因此叶片的材料要满足以下要求：

良好的常温和高温机械性能、良好的抗蚀性、良好的减震性、和一定的耐磨性良好的冷热加工性能。

叶片的常用材料有：

（1）：铬不锈钢 1Cr13和2Cr13属于马氏体耐热钢，它们除了在室温和工作温度下具有足够的强度外，还具有高的耐蚀性和减振性，是世界上使用最广泛的汽轮机材料。

（2）：强化型铬不锈钢 弥补了1Cr13型铬不锈钢热强性较低的缺点，在其中加入钼、钨、钒、铌、硼等。

（3）：低合金珠光体耐热钢 用于制造工作温度在450℃以下中压汽轮机各级动叶片和静叶片。

（4）：铝合金和钛合金 其密度小、耐蚀性高，用于制造大功率汽轮机末级长动叶片。

3：叶片的毛坯制造

（1）：叶片常用的毛坯形式

1）方钢毛坯 包括静叶片方钢毛坯和动叶片方钢毛坯

2）铸造毛坯 铸造静叶片

静叶片在强度等级上要求相对较低，允许使用铸造毛坯

3）锻造毛坯 包括动叶片的模锻毛坯、静叶片的模锻毛坯、高速锻毛坯和精锻毛坯

4）轧制毛坯

5）爆炸成形毛坯

4：叶片气道型面加工工艺

叶片加工质量的高低直接影响着汽轮机的工作性能，叶片型面的加工量约占叶片加工量的1/2。叶片型面分截面型线不变的直叶片型面和截面沿叶高变化的扭曲型面。

1、等截面直叶片加工

1.1 动叶片

(1) 铆接围带动叶片加工：由于内弧是由 R 组成的型线，加工可用普通铣床加圆柱铣刀来完成，采用卧刀法，铣刀直径 D=2R。当汽道高度 l＞70 mm 时，可采用捅铣加工以提高加工精度、光洁度及刀具寿命。捅刀设计成 1:100 倒锥，直线部分为 6～8 mm。

铆接围带动叶片加工工艺流程

普通机床 型面机床

5，型面加工

(2) 自带围带动叶片：采用卧刀法。但铣刀轴径受到围带高度的限制，如果铣刀轴径过小，叶片设计应修改，使围带向背弧方向偏移。

自带围带动叶片加工工艺流程

1.2 导叶片 1，基准面加工

四轴铣床

2，叶根加工 数控立式铣床

3，铆钉头加工 加工中心

4，中间体加工

普通机床

1，基准面加工

强力磨床

2，叶根加工 型面机床

3，型面加工

加工中心

3，中间体加工 冲孔围带导叶片与浇铸孔导叶片可采用同一种方法加工汽道。毛坯形式：生产批量大用模锻毛坯、生产批量小用扁钢。多件合并下料可提高生产效率、降低成本。用型线铣刀加工内弧和背弧。机床为普通卧铣床，叶片内弦线应水平（与机床工作台平行），使得切削加工及铣刀设计最佳。

2 、有成型规律叶片汽道加工

2.1 斜铣叶片加工

加工方法：普通卧铣床、专用夹具及型线铣刀。叶片斜铣结构线与机床工作台纵向进给方向一致，型线铣刀从叶顶向叶根方向吃刀。

2.2 斜铣加靠模叶片加工

加工方法：卧式液压仿形铣床、专用夹具、靠模板加型线铣刀。叶片的 A-A、B-B 截面间的一段斜铣结构线与机床工作台纵向进给方向一致，在机床进给过程中垂直方向液压仿形铣头在特定的靠模板做上、下仿形运动来满足分段方向吃刀。

2.3 扭曲叶片

加工方法：普通卧铣床、专用夹具、回转装置、靠模尺加型线铣刀。通过专用夹具、回转装置使叶片回转轴线与机床工作台纵向进给方向相同。在机床进给的同时叶片绕回转轴线根据转率旋转与铣刀型线共同形成空间曲面。

回转装置：由固定支座、回转体、齿轮及齿条组成。回转体回转中心线与机床工作台纵向进给相同，同时与叶片回转中心线重合（夹具固定在回转体上）。齿轮固定在回转体并通过齿条带动其旋转。齿条一端装有滚轮沿靠模尺做靠模运动。

3 、自由成型叶片加工

3.1 普通立式数控机床

夹具：设计时保证叶片 XOZ 平面水平，且 Z 轴指向机床纵向进给方向。加工内弧 Y 轴指向工作台面，背弧 Y 轴指向工作台上方。

刀具：球头铣刀（优选镶硬质合金刀片的刀具）。

加工方式：横向扫描和纵向扫描。

抛光量：0.03～0.04 mm（波谷处）。

3.2 普通卧式数控铣床

夹具：使叶片 XOZ 平面与机床工作台平行，且 Z轴指向工作台纵向。X 轴指向工作台面。

铣刀：普通Φ20～30 直径圆柱立铣刀。

加工方法：拉铣与横向扫描相结合。

3.3 五联动加工中心

五联动加工中心是目前最为先进的叶片汽道加工专用设备。由于全部采用硬质合金刀具，高速切削（7000～1 0000 转/min），而且该机床设计性能允许大余量切削（即粗加工去余量），所以工效可成倍提高。

切削方式：五联动可使刀具始终处于最佳切削状态，且切削力最小。由于刀尖切削，又由于工件进给方向保证主切削力始终沿型面方向，即叶片刚性较好方向，所以工件弹性变形小。

现在使用五联动数控型面铣床主要加工自带围带动叶片的扭曲型面，数控型面铣床运用外倾角方法进行切削，用样条曲线连接整个型面上的空间坐标点，从而完成型面加工。在数控型面铣床上，经一次装夹，使用标准刀具便可除去内背弧和进出汽边的余量，精铣内背弧型面和叶顶，叶根连接处。高机组效率，大部分叶片型面设计成截面沿叶高变化的扭曲型面。按传统工艺，扭曲型面的加工较为复杂，一般需12道工序，需配备大量夹具、成型铣刀、内背弧型线样板等工装，技术准备工作周期长，加工效率低。现在，上海汽轮机厂使用瑞士STARRAG-RIGID公司的NX-155和NX-154和LECHTI公司的五联动数控型面铣，经一次装夹使用标准刀具去除内背弧和进出汽边余量，精铣内背弧型面和顶、根部连接处，一道工序可取代传统工艺的12道工序，效率提高10倍以上，同时可省去大量夹具、成型铣刀和型线样板，缩短了技术准备周期。型面粗加工采用ISCAR八角形刀片（OEMT

060405AER-76 IC928），主偏角为45度，可转位八个刃切削。它抗冲击力强，刀盘的容屑槽空间大，出屑方便，适用于粗加工，尤其对高、中压叶片中很难加工的2Cr12NiMoWV-5（C422）马氏体耐热不锈钢材料，效率明显提高，是一般刀片的4-5倍。

5：叶根的机械加工工艺

叶根是叶片的主要装配部位，它的加工精度决定着装配质量，并直接影响着汽轮机的安全运行和效率。常用的叶根有T型、菌型、叉型、枞树型等，叶根的加工工艺过程如下：

铣两端 粗铣叶根 精铣叶根

下表为某300MW汽轮机末级动叶片加工工艺

工序号 工序名称 加工内容

1 备料 毛坯为模锻件，叶片型面单面余量5mm

厚度公差δ±1mm

叶根单面余量6mm

叶顶留工艺头

毛坯需在制造厂钻三顶针中心孔

2 浇注低熔点合金块 浇注低熔点合金

3 铣叶根及叶顶基准面 加工叶根端面、叶根两侧面、内背径向面、叶顶基面及中心孔

4 拆卸合金定位块 脱掉方箱，回收低熔点合金

5 粗精铣叶根型线 粗精铣叶根型线

6 粗精铣气道型1. 气道型面 面 2. 拉筋凸台

3. 内背弧圆角

7 校形 校弯，校扭

8 高频感应加热淬火 进气边淬火硬化

9 粗精铣叶根型线 粗铣、半精铣、精铣

10 钻叶根销孔 叶根三销孔加工

6：叶片加工中的特种加工技术

特种加工方法是指区别于传统切削加工方法，利用化学、物理(声、光、电、热、磁)或电化学方法对工件材料进行加工的一系列加工方法的总称。

1） 电解加工

电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法。工件接直流电源正极，工具接负极，两极之间保持狭小间隙(0.1mm～0.8mm)。具有一定压力(0.5MPa～2.5MPa)的电解液从两极间的间隙中高速15m/s～60m/s)流过。当工具阴极向工件不断进给时，在面对阴极的工件表面上，金属材料按阴极型面的形状不断溶解，电解产物被高速电解液带走，于是工具型面的形状就相应地“复印”在工件上。其优点有：

1， 电解加工的刀具-工具电极制造比较容易，工具几乎无耗损