动叶片工艺

动叶片工艺（精选7篇）

动叶片工艺 篇1

1 问题的提出

百万千瓦级超超临界 (USC) 汽轮机机组以高效率和低能耗而著称, 成为反映我国电力工业技术水平的代表性机组。受技术水平的制约, 我国百万千瓦等级超超临界机组的关键大型部件, 如汽轮机转子、叶片等长期依赖进口, 已成为制约现代重大装备制造业发展的瓶颈。叶片是汽轮机的"心脏"零件, 是汽轮机最关键的部件之一, 作为汽轮机中的主要工作部件, 叶片承担着将热能转化为机械能的重要任务。在百万千瓦级超超临界 (USC) 机组运行过程中, 此第一级动叶片在中压缸各级叶片中的工作环境最恶劣。由于受到高压缸流出的汽流冲击, 易产生叶型损失、叶高损失等, 直接影响到整个汽轮机机组的工作效率, 而有效减少这些损失的最好办法之一就是在国产化过程中提高叶片精度等级, 保证产品图纸设计公差要求。

2 工艺分析和质量控制

2.1 中压动叶片结构分析 (如图1)

此动叶片是枞树型叶根型线围带叶片。该叶片由四部分组成:叶根、中间体、型面和叶冠装配面。从结构上看, 此叶片需要加工的部位较多, 加工难点在于叶根、型面、中间体和叶冠型线、叶根中间体汽封尺及装配锁紧槽。主要技术要求有:叶片型面最大厚度偏差±0.1mm;叶冠轴向围带厚度公差±0.025mm;叶冠进、出汽侧公差为±0.05mm;叶根出汽侧叶根中心线公差0~0.05mm。叶根相应的高度允差0.01mm;叶根齿型面与出汽侧面垂直度≤0.03mm, 与背平面平行度≤0.03mm。

2.2 中压动叶片加工工艺方法技术分析

(1) 基准面加工:采用方钢毛坯, 用普通铣床和磨床加工六面体, 包括两侧面、另两侧面与两端面。

(2) 叶根加工:在普通平铣上粗加工, 精加工在强力磨床上完成。

(3) 型面加工:包括铣汽道内、背弧型线、根冠圆角及进出汽边, 采用在五轴联动数控机床一次装夹加工, 以叶根内背径向型面和叶冠顶针孔定位加工保证根冠同轴度。

(4) 装配面及锁紧方槽加工:共由10道工序构成, 包括铣叶根中间体叶冠内径向面型线、叶根中间体锁紧槽、叶根中间体、叶冠背径向面型线。根冠内背径向型线在普通平铣或立铣上加工, 锁紧方槽在数控立铣机床上加工保证产品技术要求。

(5) 汽封尺加工:共由5道工序构成, 包括铣准叶根出汽侧大汽封齿、铣准叶根进汽侧大汽封齿、铣叶根进汽侧小汽封齿。采用普通平铣和立铣上加工。

(6) 钳修抛光各处倒角、型面及根冠圆角。

(7) 叶冠进出汽侧、叶片长度加工:共由4道工序构成:铣准叶冠进汽侧、铣准叶冠出汽侧、锯断、铣准长度, 采用平铣、立铣、锯床进行加工。

2.3 叶片加工过程的质量控制措施

此叶片在质量要求上很高, 工艺上采取了多项措施来控制加工质量, 以保证产品要求。

(1) 打印产品号、炉号、顺序号。在毛坯基准加工完成后, 立即打印上产品号、炉号、顺序号, 避免下序混淆, 在加工掉产品号、炉号、顺序号时立即重新打印上。

(2) 首件检测报告。在首件加工完成后, 收集所有检测数据, 包括型面机床加工完成的三坐标数据和抛光完工三坐标检测数据, 分析数据, 检验合格后方可正式成批生产。

(3) 叶片自检、互检、专检报告。在叶片加工的每道工序中, 要求加工人员按工艺标准的检测表格填写, 必须达到规定公差要求, 如有超差必须马上解决。首件校模必须互检, 并有专检人员检查合格盖章后方可成批生产。

(4) 工序100%检查。如叶根齿形、叶冠内背径向装配面、汽封尺、抛光型面。

(5) 完工检查。完工后必须做100%的检查, 不能出现毛刺、磕碰、装配表面和叶根刮伤。保证完工检查后的叶片符合装机要求。

3 加工技术难点分析

(1) 从工艺方案制定到生产, 难点在于产品图纸的消化吸收方面。此动叶片图纸采用了产品图和公差图分开的系统化设计, 给工艺方案制定带来很多不便。

(2) 锁紧槽加工如图2所示。

此锁紧槽为方槽, 不同于以前生产的由刀具钻头加工的动叶片圆形锁紧槽, 为了克服这个技术难题, 采用数控加工中心加工, 采用准12立铣刀预铣后, 用准6立铣刀数控加工, 保证R3圆角尺寸要求, 由于刀直径只有6mm, 加工时只能少量进给, 避免损坏刀具, 加工工时偏长。

(3) 叶片叶冠装配内背径向面与叶根中心线成角度为8.34°, 由于角度远大于以往所加工的径向角, 而叶冠内背径向尺寸公差只有±0.025mm, 所以为保证叶冠装配型面尺寸公差, 充分利用现有普通机床克服这个工艺难点采用了以下工艺方案:

叶冠内径向型面加工:以加工大背径向平面为基准加工, 保证与叶根、叶根中间体和叶冠与叶根中心线的位置度一致性, 配合虎钳设计斜度垫块与高、低钳口, 在普通平铣机床上保证叶冠内径向面相对于大背径向平面的尺寸公差。

叶冠背径向型面加工:以加工完的叶冠内径向面为基准加工。为把叶冠背径向面摆平, 叶冠内径向面需垫角度为16.68°, 而叶根中间体需垫角度为10.16°, 在此序配合机虎钳设计高低钳口、一块平垫块配合叶冠斜度块主定位和叶根中间体斜度垫块辅助定位组合起来, 保证叶冠背径向型面摆平加工, 保证在普通铣床加工的稳定性。

(4) 汽封尺是保障汽轮机热转换效率的关键部分, 此叶片采用了先进的叶片自带汽封尺设计, 进汽侧部分还有大、小两个汽封尺, 给工艺定制带来了很大困难。

汽封尺如图3所示。

为解决这个工艺难题, 采用了铣加工过程中在动叶片汽封尺圆弧最低和最高点单面放量0.2mm加工, 在动叶片装配后用数控转子立车准汽封尺圆弧的尺寸要求的工艺方案。小汽封尺的最窄面设计尺寸只有0.5mm, 这种工艺方案避免了铣床加工准汽封尺圆弧由于加工基准与叶片装配基准不一致所导致装配后汽封尺错牙漏气, 也节约了大量工时费用。在铣加工过程中, 由于大小汽封尺之间放量后间距只有12.66mm, 但需要加工一侧R5、另一侧R0.8。常用数控刀具不能满足要求, 采购小直径刀具加工效率也很低, 费时费力, 性价比极差。为解决这个问题, 立足现有普通铣床、刀具创新方法, 在工艺安排中分两序, 首先采用可调宽度三面刃铣刀, 调整好工艺要求宽度, 一侧刃磨R5, 一侧刃磨R0.8, 一次铣准凹槽宽度及两侧圆角, 再采用普通30°铣刀刃磨R1.6后, 在平铣机床铣准放量后的小汽封尺斜面, 保证了汽封尺最大尺寸放量0.2mm后的车加工前的要求。在此动叶片装配完成后用大型数控转子立车车准进、出汽侧汽封尺。实际生产证明, 采用这个工艺创新方案后不但有效保证了产品设计要求, 而且有效降低了此动叶片生产的周期和成本。

4 结语

通过长时间的加工和测试, 完成了对于百万千瓦超超临界 (USC) 汽轮机组中压部套动叶片的工艺定型, 为以后同类型叶片的制造留下了一个很好的参考案例模板, 也为降低发电设备造价、推广百万千瓦超超临界这一先进技术发电机组铺平了技术道路。但在制造过程中也有不少问题需要深入研究完善, 在机床模拟切削上, 数控程序的效率上都有提高的空间。

动叶片断裂失效分析 篇2

型号1.2-50/5抽气1.2万kW汽轮机组累计运行1万多小时发现振动加大, 停机后检查发现十级动叶片断裂, 此级叶片为成组叶片, 每组5片, 顶部围带与叶片焊接连接。其中有4组叶片共计断裂了5片, 即第一组第2片, 第二组第3片, 第三组第3片, 第四组第2、4 片, 叶片损坏并将附近叶片打坏 (如图1～3所示) 。断裂叶片的材质为1Cr13。

2试验研究

2.1化学成分检验

按GB/T 4336-2002检验, 其化学成分见表1, 符合标准要求。

2.2力学工艺性能检验

按GB/T 228-2002检验, 其力学工艺性能见表2, 布氏硬度值偏高, 伸长率、断面收缩率偏低, 其他项目正常。

2.3非金属夹杂物检验

按GB/T 10561-2005检验, 其非金属夹杂物分析见表3, 符合标准要求。

2.4晶粒度检验

按GB 6394-2002检验, 晶粒度为6～7级, 符合标准要求:平均晶粒度不粗于4级, 并且不含有1级或更粗的晶粒。

2.5显微组织检验

按GB/T 13298-1991、GB/T 13299-1991检验, 动叶片金相组织为回火索氏体 (如图4所示) 。因该级为成组叶片, 叶片与叶片之间在装配好后在叶片顶用围带焊接进行连接, 焊缝金相组织熔为焊接铸态结构, 熔合线附近为δ铁素体+马氏体, 基体母材为回火索氏体 (如图5所示) 。

2.6断口分析

十级动叶片长260 mm, 从叶根算起断裂位置在60～80 mm处。裂纹的起始位置从所断裂的5块叶片看均是从出气边向进气边扩展, 断口扩展区以断裂源为核心在周期应力作用下向前扩展形成一簇弧形线条, 此区占据断口大部分区域。随着剩余工作截面减小, 应力逐渐增加, 裂纹加速扩展, 在裂纹扩展到临界尺寸, 即失稳扩展所占面积不能适应所能承受的应力时出现瞬时破断区。由于载荷较稳定, 看不到明显的放射区, 只有剪切唇, 且瞬断区也较小。由于叶片在旋转过程中不仅受到切向的变形, 还有偏转一定角度的轴向变形, 因此断裂叶片的瞬断区不在疲劳核心的正对面, 而是偏离了一个角度。断裂表面经多次反复拉伸、压缩并摩擦使断口变得光滑像瓷质结构, 呈细晶状, 贝纹线清晰, 呈现振动疲劳断口的特征 (如图6, 7所示) 。

围带断口检查:

对围带断口纤维进行检查, 发现手工电弧焊围带有虚焊现象, 说明焊接工艺不良。

2.7微观分析

断口的扫描电镜分析是在JSM6300型扫描电子显微镜上进行, 断裂源在出气边一侧, 微观特征为解理平面和沿晶断裂特征形貌 (见图8, 9) 。图10～13分别是疲劳源区和护层区附近的疲劳弧线, 从弧线向距分析由于向距较小证明其振动频率不是很高;图14, 15为瞬时破断区韧窝形貌。

3分析与讨论

3.1叶片受力分析

十级动叶为5片一组, 顶部围带与焊接叶片连接, 叶片工作时作用在叶片上的力主要有:其一是透平高速旋转时叶片本身质量和围带产生的离心力, 并由偏心拉伸产生的弯应力;其次是气流流过叶片产生的气流作用力。离心力是不变的, 而气流作用力是变化的, 叶片在这两种力作用下产生变形, 迫使围带也产生变形, 形式呈圆周波浪形, 此时围带将产生一反弯距Ms和切向力Qs (见图16) 。围带的存在, 提高了叶片的刚性, 当围带焊缝存在脆性相和虚焊时, 在弯曲应力和切向应力的共同作用下, 围带就会裂开。当围带开裂, 则叶片的激振频率将会加大, 叶片将在最大弯曲应力危险截面处、出气边一侧出现疲劳源, 随着振动加大, 裂纹逐渐扩展直至瞬时断裂。

3.2综合分析

十级动叶片断裂源位于叶根和叶型交界处, 即叶片的危险截面处。该处宏观围带焊缝存在虚焊现象, 金相检查焊缝出现脆性δ铁素体相, 造成围带焊缝脱焊开裂, 也促使叶片激振频率加大, 导致叶片在出气边一侧产生疲劳源, 并扩展至瞬时破断。

4结论

(1) 不良焊接工艺造成围带出现脆性δ铁素体相和虚焊现象是造成叶片断裂的重要原因;

动叶片工艺 篇3

烟气轮机(型号YL6000D)运行期间，振动突然增大，系统联锁停机，停机后解体检查发现，动叶片自根部断裂。烟气轮机运行1241天，期间出现过4次断叶片情况，更换过3套叶片。本次发生叶片断裂时，烟气轮机运行了649天，其中运行至545天时，由于叶片根部发生磨损进行过激光熔敷修复。

自开车以来，每次检修时均发现动叶片根部冲刷严重，而且动叶片叶身、静叶片叶身、围带部分均存在结垢现象，叶身部分基本不冲刷或轻微冲刷，有两次因围带结垢严重，结垢厚度超过叶顶与围带最小间隙(2mm)导致叶顶磨损且轮盘榫槽附近有发蓝现象。

二、影响烟气轮机运行的主要原因

1. 超温

正常操作时，烟气温度一般为640～700℃，烟气轮机轮盘、静叶片、动叶片直接与烟气接触，材料的设计寿命为100000h，如果超温时间过长，零件寿命会迅速降低。动叶片在870℃下，仅能连续运转140h。应尽量避免产生二次燃烧，因二次燃烧产生的超温，必然会喷入蒸汽来降温，出现一会儿高温一会儿低温的不稳定工作状态，这种大幅度温度波动，会产生细粉，易造成二次磨损，同时使烟气轮机部件发生变形。

2. 严重冲蚀

严重冲蚀易导致疲劳裂纹产生，当疲劳裂纹扩展至无法承受离心拉应力时，动叶片存在断裂的危险，因当催化剂跑损严重或出现三旋分离状况不佳时，除找准原因及时处理外，还要强化对叶片的检验工作。

3. 催化剂

催化剂的硬度特别高，仅次于金刚砂，对烟气轮机叶片及轮盘磨损和冲刷作用很大。

4. 轮盘冷却蒸汽的品质

轮盘冷却蒸汽带水时，易形成催化剂结块，粘附在流道或叶片上，造成转子动平衡破坏，产生振动，同时也会造成动静部件的腐蚀、壳体变形和裂纹，甚至损坏叶片。

三、动叶片断裂原因分析及改善措施

1. 改变轮盘控制温度

自开车以来，三催烟气轮机轮盘温度一直控制在320～330℃之间，烟气轮机轮盘控制温度指标是300～350℃之间，严禁超过380℃。多年来，烟气轮机动叶片冲刷部位主要在叶身根部和轮盘榫槽进气端面。从这次断口看有可能是疲劳断裂，疲劳扩展区占断口总面积的80%左右。扩展区分三个部分：缓慢扩展区、过渡区、快速扩展区。

缓慢扩展区光亮、平滑、呈半圆形，圆心附近为疲劳裂纹的起始位置，这一部分对应着疲劳裂纹生成和缓慢扩展阶段，裂纹在交变应力作用下扩展极为缓慢，在裂纹闭合时两断裂匹配面能完好地啮合而相互摩擦，因此表面比较光亮，疲劳弧线均匀细密，估计此区形成过程占裂纹扩展全过程的大部分时间。

扩展区的第二部分为过渡区，在第一部分的外缘呈半环形状，颜色为深蓝色，深蓝色应是此区长期暴露在工作氛围中产生的氧化色，同时也说明随着裂纹的扩展，裂纹尺寸不断加大，上下两个相匹配的断面已经不能完全啮合，使氧化色不能及时消除而保留了下来。

扩展区的第三部分为快速扩展区，对应疲劳裂纹快速扩展阶段，不但有弧线还有放射状棱线。放射状棱线是裂纹快速扩展的宏观特征。此区呈弧形，所占面积虽然比较大，但所用的时间并不长，这是因为在裂纹扩展的第二个阶段以后，裂纹总尺寸已经比较大，受力面积的减少使应力水平增大。但随着裂纹的扩展叶片的固有自振频率略有改变，这些因素综合作用的结果，导致裂纹扩展速度加快。当裂纹扩展到足够长时，叶片已经不能承受正常的工作载荷就产生了瞬时断裂。断口上瞬断区面积比较小，约占断口总面积的30%。

从断口疲劳源区可以清楚看到细微裂纹，而且在裂纹上有明显的催化剂痕迹。也就是说，有可能是烟气冲刷叶身根部，造成细微裂纹并慢慢延伸，以致达到疲劳极限断裂。此次断叶片的罪魁祸首应该是叶片根部的冲刷。冲刷叶身根部的介质是烟气和轮盘冷却蒸汽的混合体，流量、压力、温度恒定的烟气在一定压力的轮盘冷却蒸汽作用下，使烟气在流道做功时的角度与设计时的角度不能完全对应，该角度应该与设计的流道角度相符，才能尽量减少叶片根部的冲刷，但在目前情况下，烟气对叶片根部冲刷太严重，只有想办法改变烟气在流道内做功时的角度，即通过改变进入轮盘冷却蒸汽的压力来实现。建议把轮盘控制温度提高到340～350℃(烟气轮机轮盘控制温度指标是300～350℃)，将原来的下限控制温度提高20℃，这样就能改变进入轮盘冷却蒸汽的压力和流量，使烟气和蒸汽混合后做功的角度在流道内有所改变，有可能减少动叶片根部的冲刷情况。

2. 调整操作参数

减少或尽量避免烟气在流道内二次燃烧，确保轮盘不超温或者是尽量减少轮盘榫槽附近不常超温和不长时间超温，可延长轮盘、叶片使用寿命。

2008年卸下转子修复过程中发现，8片动叶片的榫齿和轮盘榫槽处有多处裂纹，轮盘外缘有发蓝现象。轮盘裂纹的原因可能是烟气在动、静叶之间的通道上二次燃烧造成局部高温(过烧)后，使轮盘榫齿、叶片榫齿部位金属强度降低，达到疲劳极限后裂纹，(轮盘测温点在轮盘冷却蒸汽入口与轮盘接触处，不能直接反映出轮盘榫齿、叶片榫齿处的温度)。也就是说，烟气在流道内确实存在二次燃烧现象。

3. 加强三旋系统的监控

定期检测催化剂颗粒度和含尘浓度，严格按指标控制好烟气内催化剂含量(<200mg/m3)和催化剂颗粒度(>10μm的应<3%)。

4. 优化蒸汽品质

可将蒸汽通过盘管在烟气中预热，以实现蒸汽品质的优化，防止蒸汽带水，避免烟气轮机流道内结垢。

5. 强化烟气轮机定检工作

动叶片铆接式围带的铆接装配方法 篇4

铆接式围带是转子动叶片围带常用的结构, 铆接方法多种多样, 铆接人员水平各异, 且铆接式围带极易出现铆接裂纹致使产品报废。我们针对铆接式围带结构, 制定有效可行的铆接方法来控制铆接质量, 降低产品报废率, 控制了产品加工装配成本。

1 铆接试验

1) 通过对Z58.41-86《汽轮机零件的冲铆工艺守则》和Z58.35-86《用快速锤铆接埋头铆钉》两本工艺守则反复学习研究, 研究围带铆接的工艺方法及围带铆接时要注意的问题。

2) 根据产品叶片、围带尺寸及材质, 设计、加工与产品结构尺寸相同, 且相同材质的围带和铆钉头试验件, 如图1所示。

3) 某高压汽轮机转子动叶片铆接式围带结构, 较以往的铆接式围带铆钉头高度高、铆钉头尺寸小, 同时还要保证铆接后的配合间隙及外观质量, 这就给冲铆造成了很大的困难。以往多采用手动式冲铆, 这种方法冲铆力度不易控制, 易造成冲铆后配合间隙不均匀, 外观质量不好, 易出现裂纹。

经过多次讨论、研究, 制定了铆接工艺方案, 采用风动铆枪, 但由于现有的冲头较大, 我们制作了适合该高压围带铆钉头尺寸的较小的冲头, 对铆钉头进行多角度、轻微、多次冲铆。这样基本解决了出现裂纹等严重缺陷的问题, 也保证了铆接质量。通过试验件围带冲铆试验, 我们基本解决了手动铆接力度不均匀, 铆接后配合间隙不均匀及铆接外观质量不好的问题。铆接后的试验件如图2所示。

2 铆接要求

根据铆接工艺试验过程及结果, 我们总结了此种高压汽轮机转子动叶片铆接式围带结构的铆接要求, 指导操作人员进行铆接操作。

1) 操作人员必须通过铆接资质认证。认证要求:a.必须连续铆接3个以上试验件合格;b.铆完后对铆钉头进行着色检查, 检查如果出现点状、带状缺陷或裂纹, 由操作者进行打磨, 打磨量不超过0.15 mm, 打磨后再进行着色检查。打磨后表面着色检查如再不合格, 则重新铆试验件;c.表面着色检查合格后沿铆钉头横、纵方向用线切割割开, 检查铆接填充状况, 确认合格;d.对割开截面进行着色检查, 检查无裂纹;e.由车间出具资质认证文件, 由检查员确认, 由操作者保留备查。

2) 要求操作者必须连续进行铆接工作, 中间间隔不得超过15 d, 否则重新进行铆接资质认证。

3) 铆接产品完毕后, 在资质认证文件上填写完工情况, 由检查员确认。

4) 铆接产品完毕后, 分厂须提供每级铆接围带的操作者的铆接资质认证文件复制给工艺处。

3 铆接具体过程

1) 清理围带及铆钉表面:用卡剥克林清洗围带和铆钉, 以免表面杂质在铆接中形成痕迹。

2) 使用0.5~2.5 kg手锤。高压转子可采用钢钎铆接, 钢钎表面抛光处理;铆接过程中, 应经常用布擦拭钢钎表面及铆钉表面, 以增加光洁度。

3) 铆接中应注意事项:a.不可疲劳作业:铆接过程中, 手感到疲劳时应适当休息, 以免胳膊因疲劳而铆歪, 造成表面裂纹。b.锤击次数:每个铆钉表面锤击次数不超5次, 否则会造成金属疲劳, 形成表面龟裂。c.铆接过程中, 注意围带与叶片间隙, 如果间隙超差, 用铜板垫着打实后再继续铆接。d.铆接前应注意铆钉头有无毛刺或严重磕碰硬伤, 如有则应及时锉掉, 否则铆接时易从此处裂开。

4 结语

本文以哈汽公司生产的某重点项目汽轮机低压转子为例, 介绍了铆接式围带的铆接试验过程, 并根据试验形成了铆接式围带的具体铆接要求及铆接过程, 指导操作人员进行铆接操作, 为我公司铆接式围带的冲铆积累了技术经验, 提高了冲铆质量, 同时也保证了转子的加工质量。

摘要：介绍了某重点项目高压汽轮机转子动叶片铆接式围带结构的铆接方法。

动叶片工艺 篇5

叶片轧制是航空发动机叶片制造的发展趋势之一, 轧制工作过程稳定, 所需设备吨位小, 轧件力学性能好, 生产效率高[1]。随着航空发动机的发展, 叶片形状日趋复杂, 且大量使用难变形的高温合金材料, 对轧制技术提出了更高的要求。某型航空发动机静子叶片就采用GH4169镍基高温合金材料, 且叶身小、厚度薄, 其中最薄处仅为0.3mm, 型面轮廓度要求0.08mm, 前后缘半径很小, 型面扭曲。为提高生产效率、保证产品质量, 该叶片采用板料 (厚度为3.5mm) 轧制工艺。但在试制中, 出现了轧模止口破裂、轧模型面磨损、叶型尺寸超差等技术质量问题。为此, 对轧模改进设计, 并优化了加工工艺路线、轧制方法, 有效防止了轧模破裂和轧后叶型缺陷, 为航空发动机复杂型面高温合金叶片的轧制积累了经验。

2 轧模改进

该产品轧模采用平底面和大而短的圆柱面定位, 两侧面定中心, 宽止口限制上、下模错位, 螺钉固紧, 嵌入式的结构型式, 如图1所示, 这种结构型式的优点是装卸方便、维护简单, 例如当模具型面出现磨损时, 只需在底面加垫修复即可。经产品试制发现该轧模存在的主要问题是凹模止口反复使用出现破裂、型孔磨损、叶片边缘尺寸超差等问题, 需要进一步改进设计。

轧制过程轧模的受力分析如图2所示, 轧制过程中轧模型孔各截面受力为P, 在轴向、径向的分力分别为Px、Py。当轧制不对称的扭曲叶型时, 将在凹模止口上形成一个Px合力, 如果该力过大, 必然导致止口反复受力出现破裂的问题, 造成轧模无法正常使用。因此, 在设计扭曲叶型的叶片型孔时, 应消除轧制时产生的轴向力。设计型孔时, 可以通过将进气边的毛边模面卷起以平衡或部分地平衡轧制力的轴向分力, 如图3所示, 在α1=α2的情况下, 左右两边合力的轴向分力Px进与Px排必然等值反向, 使Px合力为零, 以防止凹模止口破裂。

如图4所示, 毛边模面的缝隙h太小将导致轧出的叶片毛边太薄, 压下困难, 毛边也容易起波浪, 破坏叶片型面精度;毛边模面的缝隙h太大将不利于毛边模面保护模具型面, 型面易发生损坏。在轧制力的作用下, 轧制过程中上下轧模存在0.5mm的颤动, 而该叶片排气边最薄处仅0.3mm, 为实现无余量轧制, 上下模压紧需要0.3~0.5mm的过盈量, 在无毛边平模面做支撑的情况下, 毛边模面会空转, 而压坏型面。设计型孔时应充分考虑毛边模面的缝隙尺寸, 避免轧制后叶片边缘尺寸超差、轧模型面出现磨损的问题。试验表明:毛边模面缝隙h略小于或等于型孔中最小的ΔY。

3 工艺优化

该叶片毛坯为热锻件, 在锻造后表面存在一定的氧化皮, 如果不去除将通过轧制压入产品表面, 从而影响叶片表面质量, 因此在轧制前增加了磨削叶片叶型表面的工序, 以去除锻造导致的表面缺陷。

高温合金的变形抗力比普通钢大得多, 每次轧制的变形量不能过大, 且多次冷轧易产生冷作硬化现象, 因此将轧制分为预轧和精轧两道工序, 并在预轧后、精轧前增加中间退火工序, 以消除预轧产生的加工应力, 避免精轧时出现成型困难, 防止叶片表面出现“拉裂”。

预轧分多次进行, 每次轧制下压量约20%, 叶型厚度每次减少量控制在0.02~0.03mm之间, 最终为精轧留余量0.1~0.2mm。同样, 精轧也分多次进行, 但随着轧制次数的增加, 叶片型面面积不断增大, 叶型厚度逐渐减薄, 为保证轧制受力和变形均匀, 在精轧过程中应严格控制每次下压量。在精轧后, 增加最终退火工序, 以消除加工应力、稳定叶型尺寸, 确保叶片性能满足设计要求。

4 叶型缺陷解决措施

该叶片叶型厚度薄、形状复杂, 受轧制过程中金属变形不均匀的影响, 在试制中经常出现叶盆挺起、周边存在“荷叶边”的缺陷, 导致叶型尺寸超差, 降低了产品的质量。

4.1 叶盆突起的克服

叶片坐标如图5所示, 叶片中心部位 (叶盆) 厚, 进气边和排气边薄, 用同一型孔轧制时, 进气边、排气边相对压缩量大于叶盆部位, 存在不均匀性, 导致进气边、排气边材料延伸率大于叶盆部位, 这是造成叶盆突起的主要原因。经多次试表明, 叶盆突起问题可以采用适当调整轧床工作台导位板角度的方法加以克服, 通过调整工作台导位板角度来提升工作台, 如图6所示, 使夹钳给叶片板材施加一个向上的拉力P, 从而在出辊断面处产生一个力矩M=P×L, 让前滑区“上层”金属 (即叶片进、排气边) 产生附加压力, 以减少金属的前滑;而前滑区“下层”金属 (即叶片中心部分) 则产生附加拉应力, 迫使前滑增大, 这样就能够使进气边、排气边及中心部分前滑量趋于一致, 保证轧后叶型平直, 避免叶盆突起的现象发生。

4.2 避免“荷叶边”的措施

因该叶片小而薄, 在轧制叶片过程中进气边、排气边很容易产生波浪形的毛边, 俗称为“荷叶边” (如图8所示) , 导致叶型尺寸精度下降。为保证轧后获得足够的叶型弦宽, 轧模设计时往往会减小毛边缝隙h, 但在h太小的情况下, 轧后的叶片毛边就会很薄, 甚至产生波浪痕, 破坏叶面成型。对此, 在轧制过程中, 可以采用着色修模的方法, 将模具毛边修平, 使毛边缝隙h增大。但毛边缝隙h不能太大, 否则将导致没毛边模面无支撑, 使模具出现空转, 而压坏型面。由此可见, 解决“荷叶边”现象, 不仅要在轧模设计时合理安排毛边缝隙h值, 还要在试制过程中采用着色修模法, 反复试验和修模才能有效克服。

5 结语

轧制是刚体的啮合运动与金属在型孔中塑性流动混合在一起的复杂过程[1], 受叶片材料属性、叶型形状的影响, 轧后叶片形状和尺寸与模具型孔形状和尺寸并不完全一致, 而且会遇到影响叶型尺寸精度的各种问题, 因此, 针对不同产品应组织进行大量的试验攻关, 以获得最优的工艺参数。本文通过改进模具结构解决了轧模使用后出现裂纹的问题, 通过优化工艺路线和参数提高了产品的质量, 特别是针对轧制过程中存在的叶盆突起、周边波浪形等缺陷, 经多次试验提出了解决的方法, 取得明显的效果, 为高温合金超薄扭曲叶片轧制工艺的应用积累了经验。

参考文献

大型水轮机转轮叶片的加工工艺 篇6

一、大型水轮机转轮叶片加工工艺的基本思路

近些年, 数控加工技术不断发展, 为水轮机转轮叶片的加工提供了多种加工技术方法, 也为优化其加工工艺提供了良好条件。其中利用龙门铣机床作为主要的数控加工设备是当前转轮叶片加工中较为常见的加工技术。

具体来讲, 利用龙门铣机床进行大型水轮机转轮叶片加工的基本加工思路如下:首先在选择好加工零件的原始铸件后将其运送到加工车间, 其次铸件来料后利用胎具固定叶片, 利用龙门铣机床根据图纸进行加工, 粗加工留余量进行探伤, 合格将工件翻身粗加工另一侧, 留余量探伤, 然后利用激光跟踪仪器检测型线是否符合图纸理论型线, 符合后进行精铣一侧, 然后工件翻身检测另一侧型线, 符合后精铣。在此过程中要尤其注意做好叶片的测量、装卡找正、加工刀具选择和刀位计算等工作, 以确保加工质量。

二、大型水轮机转轮叶片加工技术要点

1 叶片的测量

在转轮叶片的加工过程中, 对叶片进行有效测量的非常重要的一道工序, 并且这一工序应该贯穿于叶片加工的整个过程。只有这样, 才能保证叶片表面的加工精度。一般来讲, 水轮机转轮叶片的表面是一种较为复杂的三维雕塑曲面, 测量起来难度较大, 尤其是在最后的精铣过程中, 对测量结果的精度要求较高, 一般的测量方法和测量仪器很难满足要求。为此需要采用特殊的专业测量工具, 通过直接测量或间接测量的方法完成曲面精度测量。

当然, 在具体的加工过程中, 首先应该对铸件, 即叶片的毛坯进行测量, 以确定其加工余量分布情况, 便于优化龙门铣机床的编程, 同时, 也有利于更加合理的固定铸件在胎具中的位置, 提高加工精度和效率。其次, 在具体的加工过程中, 也应该要进行一定的测量, 主要是为了确定粗加工后的剩余量, 以便于及时调整编程和工件的位置。及时的检测也有利于检测叶片是否出现了变形情况, 以及时调整。最后, 在加工完成之后, 仍然需要进行测量以检验加工是否符合质量要求。

2 正确的在胎具上固定叶片

在利用龙门铣机床进行转轮叶片加工时, 必须要正确的将叶片的毛坯固定在胎具上, 也就是要进行装卡找正。由于叶片本身的形状并不规则, 也没有明显的中心点, 所以对其进行装卡找正, 难度较大。一般应该遵循以下基本装卡原则:首先是要求胎具的强度应该足够大, 因为叶片本身的自重较大, 如果胎具强度不足, 在加工时易出现叶片移动的问题。其次是要求胎具本身应该有较为稳定的支撑点, 以便于确定叶片摆放的重心。再者, 叶片装卡找正时要确保叶片的所有加工部位都在龙门铣机床的有效行程范围内。第四是要求胎具的支撑点必须要可靠, 以避免叶片发生变形。第五是要求在加工过程中采取一定的减振措施。第六是胎具的装卡部位应该灵活易操作。在常规的装卡找正工作中, 常常会使用胎具自身进行找正, 但是实践证明这种找正方法不但无法确保找正效果, 且会耽误较长时间。为此现如今多采用计算机自动三点找正的方法来进行装卡找正, 效果较好。

3 合理选择加工刀具

对于转轮叶片加工而言, 刀具的选择至关重要, 因为若刀具选择不恰当, 不但不利于保证叶片加工的精度, 还可能会对龙门铣机床带来一定的不利影响。一般在大型水轮机转轮叶片的加工中, 多选用硬质合金机卡刀。这种刀具耐磨、抗冲击性能好, 尺寸准确, 刀片可以更换, 比较适合水轮机叶片的加工。刀具形状的选择要根据加工的部位来确定。刀具的尺寸 (刀具直径、刃高、刀杆长度) 由被加工曲面的形状来决定。形状比较平缓、曲率小的曲面, 可采用直径较大的刀具, 以提高加工效率。形状起伏变化大、曲率较大的曲面, 可采用直径较小的刀具, 以避免刀具干涉和过切。总的原则是在不发生刀具干涉的前提下, 尽量采用直径较大的刀具进行加工。对于加工余量分布很不均匀的叶片可考虑采用侧刃较高的刀具, 以避免加工中, 局部位置发生吃刀深度超过刃高的现象。对于被加工曲面或其他曲面和数控铣头发生干涉时, 可考虑采用较长刀杆的刀具进行加工。刀片的形状可根据刀具的不同及粗铣精铣的要求采用三角形、菱形、方形、圆形等不同形状的刀片。

4 刀位计算

刀位计算的主要任务是:首先选定加工坐标系, 然后用三点找正法对叶片的理论造型进行找正定位。在此基础上, 以提高加工效率、保证加工精度和型面质量为原则, 选定刀具、确定走刀方式和刀轴控制方式, 设定走刀方向和排刀方向的精度, 进行刀位轨迹的计算和刀具干涉检查, 最终生成为后置处理用的刀位轨迹数据文件。

结语

总之, 在大型水轮机的转轮叶片加工生产过程中, 加强对其加工精度的控制是非常重要的。一般合格的叶片被加工出来需要经过毛坯、粗加工和精铣三道基本工序, 当然在此过程中还要尤其注意做好叶片的测量工作, 确定最佳的装卡位置, 选择合适的刀具, 进行有效的刀位计算, 以保证叶片的加工效果。

参考文献

[1]李新华, 王旭.瑞丽江电站水轮机转轮叶片加工及工艺探讨[J].机械工程师, 2011 (06) .

[2]王波.水轮机叶片数控加工工艺的关键环节[J].科技咨询导报, 2007 (12) .

动叶片工艺 篇7

由于叶片几何形状为空间扭曲面, 一般不能进行机械加工 (除非用五坐标联动数控铣床) 。在确保几何精度和能够去除表面缺陷的前提下、尽量减少加工余量, 无疑金属型铸造是最佳方式。但采用该铸造方法在试制过程中遇到某些铸造质量问题, 主要有气孔、缩松、冷隔、充型不足。对比查验国外所制的样件, 发现也存在缩松、裂纹等相似的铸造缺陷。因此对该类铸件缺陷产生的原因进行分析研究, 并提出有效的改进措施。

1 铸件的几何形状和技术要求特点分析

1.1 几何形状

大型风机的型号较多, 相对应的叶片种类也较多, 其长度从500~2000mm成系列, 但其几何形状特点基本相同, 可概括如下。

1.1.1 平面投影呈柳叶形, 长宽比一般为 (3~7) :1。

1.1.2 叶片的横剖面形状为梭形切面, 拱度比较大 (即叶面、叶背曲率较大) ;纵向厚度由叶根至叶尖光顺减薄;整个叶片边缘很薄, 仅有1~2mm厚;叶根部的叶轴为Ф100~200mm, 叶形为空间扭曲状, 剖面升角一般为-10。~+10。

综上所述可知, 铸件几何形状定义为空间扭曲光顺的细长不等厚件, 并且边缘极薄。叶片的一般形状见图1。

1.2 技术要求

1.2.1 其力学性能、化学成分应满足GB1173或HB962标准中铸造铝合金技术条件的要求。

1.2.2 铸件经表面加工和抛光后, 不允许有任何铸造缺陷。

1.2.3 铸件内部经检测不允许存在缩松、裂纹;针孔度小于2级, 应满足GB9438或HB963标准中铝合金铸件技术条件的要求。

对如此形状的铸件作如此的质量要求, 应当是比较苛刻的。

2 铸造缺陷产生原因的分析和改进措施

根据试制的叶片铸件缺陷, 进行了细致分析研究, 找出了缺陷产生的原因, 提出了有针对性的工艺改进措施。

2.1 冷隔和浇注充型不足

由于采用金属型, 并且叶边缘及叶尖较薄, 一般2~3mm, 有些仅1mm, 又因几何形状属细长件, 流程长, 所以浇注时合金液失温很快, 流动性骤减。相应需采取的措施如下。

2.1.1适当抬高叶根部位, 使分型面倾斜, 将叶尖最薄处处于最低处, 并将内浇道开在此处, 使最薄处的部位静压头最大, 提高该处铸型的蓄热量, 从而增强壁薄处的充型能力。

2.1.2 将分型面设在叶面和叶背交界处, 即叶边缘, 并开置排气槽, 提高浇注时型腔排气量, 在边缘不形成背压, 减少合金液的充型阻力。

2.1.3 适当增加叶片薄壁处的涂料厚度, 调节铸型的导热梯度。降低合金液的失温速度, 保障合金的液态流动性。

2.2 气孔和夹渣

从气孔和夹渣的形态和分布状况分析, 是由于浇注系统设计不合理, 造成合金液紊流比较严重, 形成卷入性气孔和夹渣。为此需考虑降低浇注系统的静压头高度, 选择阻力系数大的直浇道形状, 调整静压头势能和内浇道动能的平稳转换, 另外采用内浇道开放底注式, 防止内浇道处合金液倒流、对流、翻滚, 尽量达到层流, 平稳充型。

2.3 缩松和裂纹

缩松和裂纹多数都存在于叶片的轴线部位, 多数情况下叶片的各剖面最大厚度都位于轴线附近, 厚度的纵向变化从叶尖至叶根平缓增厚。因采用金属型, 所以铸型各处冷却程度趋于相同, 凝固温度场可按铸件几何体积分布来看待, 即叶片边缘先凝固, 凝固界面逐步推进至剖面最大厚度处。而沿叶轴纵向, 因属于细长杆形, 凝固形式近乎于同时凝固, 而且该铝合金的物理性能属于液一固相体缩较大, 需体积补缩, 又因为要保证叶面外形, 在叶片上不能放置冒口来进行补缩, 故在叶轴线附近很容易产生集中缩松, 严重时产生缩裂。为此采取以下措施。

2.3.1 在考虑浇注位置的情况下, 选择平注、竖直冷却的方法, 即浇注时铸型处于水平位置, 浇注后铸型旋转90。, 在合金尚在液态时形成重力补缩, 冒口放置在铸件热节最大处 (叶根轴处) 。

2.3.2 用刷铸型涂料的厚度来调整凝固温度场, 纵向从叶尖至叶根涂层逐步加厚, 以增加凝固的温度梯度, 从而利于铸件的顺序凝固。

3 叶片的铸造工艺方案

根据上述的缺陷分析和改进措施, 将优化后的铸造工艺方案用于金属型的设计制造中。

3.1 浇注位置

叶片根据其规模大小确定其浇注位置。一般长度在1000mm以内的可以考虑立式浇注, 垂直分型。这样有利于铸件的冒口重力补缩, 开合型也比较方便。合金液的浇注速度可通过改变直浇道的形状进行控制。

长度在1000mm以上的浆叶就应考虑采取水平浇注, 竖直冷却凝固的方式。铸型放平时应使铸型倾斜5。~10。。使桨叶尖处于较低的位置。

3.2 浇注系统

无论是立浇还是平浇, 都应遵循合金流动充型平稳的原则。直浇道应设计成阻流系统大的蛇形浇道。因为大型叶片即使平浇静压头高度也很大, 大多在500mm以上。平浇时, 直浇道应开设在靠近叶尖的部位。内浇道设计成扁平形, 开设位置为分型面最低的前后缘处, 并尽量向叶尖靠近。当叶尖型腔高度小于3mm时, 则内浇道直接开设在该处。

3.3 开设排气槽

在铸型边缘型腔高度小于4mm的地方开设0.1~0.2mm深, 宽5~10mm的通气槽。以防止这些地方被合金液封闭, 排气不畅, 形成背压, 阻碍合金液充型, 造成铸件欠铸缺肉。

3.4 调整涂料厚度, 达到顺序凝固

涂刷涂料的原则是横向截面两边涂层厚中间薄, 沿纵向叶尖薄, 叶根厚。横向截面两边涂层稍厚, 目的是延缓两侧合金液的冷却速度, 以利于充型。纵向从叶尖到叶根涂层逐渐变厚, 是为了增大叶片纵向的温度梯度, 有利于顺序凝固。

4 结论

通过对大型风机叶片的铸造缺陷分析, 找出了缺陷产生的原因, 有针对性地提出改进措施。这些措施在500~1000mm不同规格的叶片生产中得到了验证。

摘要：针对铝合金叶片的铸造缺陷, 分析指出浇注位置、浇注系统设计、型腔排气和充型温度场是造成铸造缺陷的主要因素, 据此, 有针对性地提出了铸型倾斜、平浇竖冷、沿分型面开设排气槽、改变涂料层厚度以及调整凝固顺序等改进措施, 其效果在生产中得到验证。