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
(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
冲孔围带导叶片和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（和机床工作台平行），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。

叶片斜铣结构线和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和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和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和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。

回转体回转中心线和机床工作台纵向进给相同，同时和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 平面和机床工作台平行，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：拉铣和横向扫描相结合。

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：
下表为某300MW汽轮机末级动叶片加工工艺
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
2，可不受材料加工性能的影响
3，成型精度高，重复精度也高
4，加工效率高，一次可直接完成两个型面的加工，校模次数可减少3/4,和仿形铣相比可提高效率5～6倍
5，光洁度高，叶片无毛刺，从而减轻了对叶片出汽边圆角的钳工修整量
6，废品率很低
7，电解后的叶片重量均一，为转子平衡提供了方便
2）电火花成型加工
电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处。

由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达 10000～12000 ℃，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。

局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。

一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。

如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。

具有以下特点：
1，脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。

不受材料硬度影响，不
受热处理状况影响。

2，脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。

3，加工时，工具电极和工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。

工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。

4，可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

3）高频感应焊接
高频，是相对于50Hz的交流电流频率而言的，一般是指50KHz～400KHz的高频电流。

高频电流通过金属导体时，会产生两种奇特的效应：集肤效应和邻近效应，高频焊接就是利用这两种效应来进行焊接的。

4）激光强化
激光表面强化:用激光向零件表面照射加热，在极短时间内，零件表面极薄层就达到相变或熔化温度，从而使表面性能提高。

5）电火花强化
电火花强化是以直接放电的方式向零件表面提供能量，并使之转化为热能和其它形式的能量，以达到改变表层化学成分和金相组织的目的，从而使表面性能提高。

电火花强化原理参见左图：R：
限流电阻；C：储能电容器
组成电火花强化设备的最基本
部件是脉冲电源和振动器。

前者供给瞬时放电能量；后者使电极振动并周期地接触工件当电极棒（焊条）在工作表面旋转，当某些部位间隙很小时，使主机放电回路形成通路。

在他们相互接触的微小区域瞬时流过电流，电流密度可达到105～106A/cm2，而放电时间仅10−6～10−5秒，由于放电能量在时间上和空间上高度集中，在放电微小的区域内产生了约8000℃～10000℃的高温，使该区域的局部材料高能离子化，电极棒（焊条）在等离子冶金状态下高速转移到工件表面，并扩散进入到工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。

主机电源放电周期为10−3～10−1秒，高频率的放电和电极棒（焊条）在工件表面的高速旋转扫描，可实现大面积高效率的沉积涂层。

4）喷砂
喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。

此外，叶片加工过程中的特种加工还有：液力喷丸、磨粒流、微球抛光、激光刻字等
参考文献
1陶正良.热能和动力机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2006
2朱其芳，赵钦新.动力机械和设备制造工艺学.西安：西安交通大学出版社，1999
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5 四川机电职业技术学院机械工程系.《冶金机械设备维修》教案之冶金机械设备现代维修技术
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