叶片的加工方法

第九章叶片的加工方法

9.1 叶片的工艺特点

叶片是透平机械的“心脏”，是透平机械中极为主要的零件。透平是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。叶片一般都处在高温，高压和腐蚀的介质下工作。动叶片还以很高的速度转动。在大型汽轮机中，叶片顶端的线速度已超过600 ｍ/ｓ，因此叶片还要承受很大的离心应力。叶片不仅数量多，而且形状复杂，加工要求严格；叶片的加工工作量很大，约占汽轮机、燃气轮机总加工量的四分之一到三分之一。叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切的关系。所以，叶片的加工方式对透平机械的工作质量及生产经济性有很大的影响。这就是国内外透平机械行业为什么重视研究叶片加工的原因。随着科学技术的发展，叶片的加工手段也是日新月异，先进的加工技术正在广泛采用。

叶片的主要特点是：材料中含有昂贵的高温合金元素；加工性能较差；结构复杂；精度和表面质量要求高；品种和数量都很多。这就决定了叶片加工生产的发展方向是：组织专业化生产，采用少、无切削的先进的毛坯制造工艺，以提高产品质量，节约耐高温材料；采用自动化和半自动化的高效机床，组织流水生产的自动生产线，逐步采用数控和计算机技术加工。

叶片的种类繁多，但各类叶片均主要由两个主要部分组成，即汽道部分和装配面部分组成如图9.1。因此叶片的加工也分为装配面的加工和汽道部分的加工。装配面部分又叫叶根部分，它使叶片安全可靠地、准确合理地固定在叶轮上，以保证汽道部分的正常工作。因此装配部分的结构和精度需按汽道部分的作用、尺寸、精度要求以及所受应力的性质和大小而定。由于各类叶片汽道部分的作用、尺寸、形式和工作各不相同，所以装配部分的结构种类也很多。有时由于密封、调频、减振和受力的要求，叶片往往还带有叶冠（或称围带）和拉筋（或称减震凸台）。叶冠和拉筋也可归为装配面部分。汽道部分又叫型线部分，它形成工作气流的通道，完成叶片应起的作用，因此汽道部分加工质量的好坏直接影响到机组的效率。

图9.1 叶片的组成

9.2叶片的材料和毛坯

9.2.1叶片材料

由于透平叶片的工作条件和受力情况比较复杂，因此对叶片材料的要求也是多方面的，其中主要的要求概括如下：

（1）．具有足够的机械强度。即在工作温度范围内具有足够的，稳定的机械强度（屈服极限和强度极限），并且在工作温度范围内这些机械强度具有稳定的数值。 在高温情况下（一般指450℃以上），具有足够的蠕变极限和持久强度极限。

（2）.具有高的韧性和塑性以及高温下抗热脆性（高温下稳定的冲击韧性），避免叶片在载荷作用下产生脆性断裂。

（3）.耐蚀性。抵抗高温下气体中有害物质的腐蚀以及湿蒸汽和空气中氧的腐蚀能力。

（4）.耐磨性。抵抗湿蒸汽中水滴和燃气中固体物质的磨蚀。

叶冠

汽道

叶根

凸台

（5）.具有良好的冷、热加工性能。

（6）.具有良好的减振性。叶片是处在交变载荷下工作，除要求有较高的疲劳极限外，还要求有良好的减震性能，即高的对数衰减率。这样可以减小振动产生的交变应力，减小叶片疲劳断裂的可能性。

根据使用温度、使用温度和化学成份等，可以将叶片材料分为两类：（1）.马氏体、马氏体-铁素体和铁素体钢。这类钢的使用温度最高不超过580℃，可以作为汽轮机叶片材料。

（2）.奥氏体钢、铁镍合金和镍基合金等。着类钢的使用温度最高不超过700～750℃，可以作为燃气轮机叶片材料。

马氏体类钢包括1Cr13、2Cr13、Cr11MoV、Cr12WMoV等。1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢广泛被采用作为汽轮机叶片材料，他具有较好的耐腐蚀性和热强性，特别是它的减振性很好，其对数衰减率δ可达0.025。按照其热强性，1Cr13钢可用于450℃～475℃；2Cr13钢可用于400℃～450℃。2Cr13钢的含量较高，故室温强度和硬度较高。常作汽轮机低压部分叶片，但2Cr13钢的抗水滴冲蚀性能不足，用来作末级叶片还需要进行表面硬化或镶焊硬质合金。Cr11MoV和Cr12MoV是改形的12% Cr钢。它保持原来1Cr13钢的优点，由于分别加入了强化元素钼、钒和钨，钼和钒使其热强性远比1Cr13钢高。

Cr11MoV可在温度550℃下使用；Cr12WMoV可在温度580℃下使用。Cr12WMoV的屈服极限高，耐腐蚀性好，亦可作为大型汽轮机的长叶片材料。马氏体类钢具有良好的减振性能，通常情况下其对数率减率δ在0.015～0.055范围内，它比奥氏体的δ大5～10倍。

9.2.1叶片的毛坯

叶片的毛坯形式来划分可分为：模锻叶片毛坯，方刚叶片毛坯，精铸叶片毛坯。下面我们详细分析三种毛坯的具体情况。

模锻叶片的毛坯：在成品的基础上叶身部分单面法向放量4～5mm，叶冠和叶根部分最小处单面法向放量7mm左右，叶根和叶冠基本上是锻成方形的，有时为了节约材料和机械加工成本则也锻出部分较为粗造的叶根、叶冠型线形状。下图9.2为一模锻叶片的毛坯状态图。

图9.2 模锻叶片毛坯图

方钢叶片的毛坯：当叶片结构简单，数量多、尺寸小的时候，则采用方钢叶片，方钢叶片的毛坯放量是在产品理论尺寸的基础上放量约5mm左右。通常采用正六面体，有时为了节约材料和减少机械加工成本，将方钢毛坯锻成由几个六面体组成的形状。图9.3

所示为方钢叶片的毛坯图。

精铸叶片的毛坯：在我厂主要是针对汽轮机静叶片和特殊的空心叶片(为了冷却、

减少应力、调频等目的而制成的具有内部空腔的透平叶片。)。毛坯放量是在理论叶身型线的基础上放量3～5mm。图9.4所示为精铸叶片毛坯图。

图9.4 精铸叶片毛坯图

9.3 叶片的机械加工工艺过程

由于叶片的形式、结构、种类、大小等的差异比较大，因此加工方式、机床、工艺流程也不同。但从总体上来说，按叶片的毛坯形式来划分可分为：方刚叶片加工工艺、模锻叶片加工工艺，精铸叶片加工工艺。方刚叶片加工工艺主要是针对叶片汽（气）道长度在300mm以下的各种动叶片和静叶片。模锻叶片加工工艺要是针对叶片汽（气）道长度在300mm以上的各种动叶片和静叶片。精铸叶片加工工艺主要是针对一些静叶片和特殊叶片（如空心叶片）的加工方法。

9.3.1叶片的数控加工工艺

由于本书是作为实习教材，则下面就以一个典型方刚动叶片为例如图9.5所示，介绍一下叶片的常规工艺和数控工艺的加工方法，该叶片叶根为菌形叶根，自带叶冠的预扭叶片，在加工过程中既有常规加工也有数控加工，叶片的常规加工主要是加工叶片的