汽輪機靜葉片裝配內背弧型面線切割工藝研究

毛鵬梟，李雙躍，諶永祥，劉勇，曾岳飛

(1.西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽621010; 2.綿陽市瑞豐機電有限公司，四川綿陽621000)

隨著科學技術的發展，電火花加工技術在不斷地完善。隨著機械零件的形狀和結構不斷發生著變化，數控線切割加工解決了很多傳統加工難以解決的難題，尤其是在銳角、小R及錐度切割的產品加工過程中更具優勢。如果不重視加工工藝與操作技巧，沒有做到工藝合理，也不能高效率地加工出高質量的工件。汽輪機靜葉片內背弧的線切割至關重要，因此在實際操作過程中，必須重視靜葉片內背弧面線切割有關加工工藝，若線切割工藝技術選取不當，會給產品質量造成很大的影響，影響整個汽輪機葉輪的裝配。

1 汽輪機靜葉片加工工藝分析

1.1 汽輪機靜葉片結構

汽輪機高中壓第5級靜葉片結構 (如圖1所示)包括了裝配內背弧型面、靜葉片內背弧面、靜葉片的進出汽邊、銑削過渡面。其中圖1為兩個靜葉片的裝配，形成了喉口的結構。

圖1 汽輪機高中壓第5級靜葉片結構示意

1.2 汽輪機靜葉片加工工藝過程

汽輪機靜葉片加工工藝的主要過程包括:(1)鍛造環形毛坯;(2)車內外環;(3)線切割裝配內背弧型面;(4)銑背弧型面余量;(5)精銑銑背弧型面;(6)拋光汽道內背弧型面;(7)完工檢查，入庫。

汽輪機靜葉片主要就是起到導流蒸汽的作用。在一個汽缸中，有很多組葉片，一個靜葉和一個動葉組成一小組，過熱蒸汽從汽門進入靜葉片中，靜葉片導流蒸汽通過喉口進入動葉片，推動轉子，將熱能轉換為機械能。所以說，靜葉片的加工工藝至關重要，而靜葉片裝配內背弧型面線切割這一工序又直接影響了靜葉片整體裝配的密閉性及能量的轉化效率。

2 線切割裝配內背弧型面工藝內容

2.1 裝配內背弧型面線切割工藝

裝配內背弧型面線切割工藝包括:

(1)將車削加工后的內外環毛坯分割為1/3或1/4環形鍛件;

(2)工藝基準的確定 (工藝基準面及加工基準);

(3)用特定的夾具對鍛件進行定位和裝夾;

(4)用工作臺的相對位置對加工位置進行找正(線電極垂直找正、夾具端面找正);

(5)加工準備 (程序的編制及輸入、工作液選擇、電參量確定);

(6)一個工序線切割加工 (①去除廢料;②當前零件外弧面的切割;③下個零件內弧面的切割);

(7)用加工精度、表面粗糙度、兩個加工完靜葉片裝配密封性、透光度去檢查加工狀況;

(8)加工完畢后，調節工件夾具使工件位于下一個加工起始位置。

2.2 一個線切割工序及電極絲的相對運動軌跡

當鍛件定位夾緊后，首先調整機床坐標，然后將電極絲穿絲對準加工的鍛件起始坐標，準備加工。

(1)線切割的一個工序

①由于將車削加工后的內外環毛坯分割為1/3或1/4環形鍛件時，端面粗糙，所以第一次切割去除端面毛坯，形成了毛坯1的外弧曲面，如圖2(a)所示;

②移動鍛件，用夾具將形成的外弧面定位夾緊，第二次線切割時，電極絲的相對運動軌跡將形成靜葉片毛坯1的內弧曲面，如圖2(b)所示;

③移除切割掉的靜葉片1，保持鍛件不動，電極絲的起點位置向后移動6 mm，進行第三次切割，除去毛坯1與毛坯2中間的廢料，同時形成2的外弧曲面，如圖2(c)所示。

(2)電極絲的相對運動軌跡

如圖2所示，線切割靜葉片內背弧型面一個工序的每一次線切割，電極絲的相對運動軌跡形成了靜葉片的內外弧面。當走絲結束后回工作原點之前電極絲要與夾具體接觸，所以如圖3所示的夾具設計中，為電極絲預留了一個小凹槽。

圖2 鍛件線切割工序及電極絲的相對運動

高速走絲線切割機不具備軌跡偏置功能，只能按電極絲中心軌跡編程，在生成內背弧型面即考慮電極絲中心的偏置，有效保證了軌跡的正確性與連貫性。電極絲的運動軌跡其實是由機床工作臺的相對運動形成的，數控線切割機床在加工中，由于編程軌跡處理不當、工藝過程處理不當等原因導致切削過量現象，稱為“過切”(欠量現象稱為“欠切”)。

過切的不利影響。直接影響工件的表面質量，甚至導致加工產品報廢。

欠切的不利影響。也直接影響工件的表面質量，只是會加大后邊由于兩靜葉片不合格而導致的后續銑削的工作量。

所以為了保證電極絲的軌跡，通過對靜葉片內背弧型面的曲線擬合，可得到哪種曲線最匹配電極絲的軌跡，基于數控加工工藝、插補算法來擬合靜葉片內背弧型面，這樣便可以有效地減小線切割電極絲軌跡誤差，使之達到加工精度要求。

3 線切割夾具的結構及夾緊工作原理

電火花線切割加工中經常會遇到裝夾不同類型的工件，對于不同類型的工件，必須采用不同的裝夾方法，否則可能導致工件裝夾不牢，定位不準，使工件移位或者傾斜，加工出來的工件不符合精度要求，有的甚至把工件夾變形，令加工工件報廢。一般在電火花線切割加工中，在通用夾具上采用壓板、螺釘裝夾工件，但為了適應各種形狀工件加工的需要，還可以使用磁力夾具、旋轉夾具、專用夾具或功能數控回轉臺。

3.1 夾具的結構

在線切割汽輪機高中壓第5級靜葉片的內背弧型面時，由于鍛件為1/3～1/4圓環，故鍛件的體積較大，所以不易用普通工藝的夾具對其進行裝夾。如圖3所示，設計了一種靜葉片夾具，采用六點定位原則限制鍛件的自由度并且巧妙地將夾具固定在機床工作臺上及將加工的環型鍛件牢固地固定在夾具上。

圖3 靜葉片夾具結構圖

3.2 夾緊原理

在固定夾具時，利用元件6(深為80 mm的凹槽)可用幾顆連通的緊定螺釘固定，同時用固定圓通銷3可將此夾具牢牢地固定在機床工作臺上。

當完成定位后，利用可轉動的圓通銷7的端面對鍛件進行頂緊，用上定位銷2下壓對鍛件進行進一步定位固定，用固定圓通銷10和固定銷9將夾具固定板1和主夾具部分4牢牢夾緊，可有效地防止加工過程中鍛件的松動。

靜葉片夾具設計保證了工件切割部位位于機床工作臺縱向/橫向進給的允許范圍之內，同時也考慮切割時電極絲運動空間而且裝夾位置有利于鍛件的工件坐標原點找正，再者對固定鍛件的作用力應均勻，不影響加工精度。

3.3 線切割工件定位原理分析

在線切割加工過程中，工序工件的定位直接影響所加工工件的質量，直接決定著加工精度及工件是否能達到尺寸要求，所以每一個鍛件的定位方法十分重要。如圖4，要使工件在夾具上處于穩定不變的位置，使用六點定位原則，巧妙用多個支承點限制鍛件在夾具中的位置來限制工件的六個自由度。

圖4 工件的定位示意圖

如圖4所示，在xOz平面內，由主夾具板進行大平面定位，由此限制了鍛件的z、軸x軸的轉動和y軸的移動，限制了3個自由度;由元件6(1～5個開槽圓柱端面定位銷)組成了等距離弧形和定位銷8共同限制了y軸的轉動和z軸的移動;由開槽錐端緊定定位螺釘7將鍛件的端面頂住，限制了x軸方向的移動。由此，鍛件的6個自由度都被限制，完成了鍛件的初步定位。

4 線切割工藝參數調整

4.1 線切割機床電參數的調整

對加工質量具有明顯影響的電參數主要包括脈沖電流、脈沖寬度、脈沖間隔、運絲速度等，通常需要在保證表面質量、尺寸精度的前提下，盡量提高加工效率。然而脈沖電源是線切割加工設備電參數的重要組成部分，是影響線切割加工工藝指標的最關鍵的設備之一。

脈沖電流的性能好壞將直接影響切割速度、工件的表面粗糙度、加工精度以及電極絲的損耗等。脈沖電源的調整，視工件的厚度而定，必須滿足:(1)加工放電峰值電流變化范圍不能太大;(2)要調整控制好單個脈沖能量;(3)脈沖頻率要盡可能提高; (4)有利于減少電極絲的損耗;(5)要輸出單向脈沖，參數應在較寬的范圍內可調。

所以，在切割靜葉片內背弧曲面時，厚度為65.5 mm較大，電參數應取大些，但是脈沖波形前沿不能太陡，否則會使加工不穩定，表面粗糙度為1.6 μm，所以可這樣選取電參數:脈沖寬度:2～16 μs;加工電壓:80～100 V;脈沖間隙:5～9;功率管數: 2～6個。

4.2 線切割加工過程中電極絲調節

(1)電極絲張力(松緊程度)的調節

電極絲的上絲、緊絲是線切割操作中的一個重要環節，其張力大小對線切割加工零件的精度和切割速度等都有重要的直接影響。若電極絲上絲過松，即張力過小，電極絲抖動厲害，會造成頻繁短路，以致加工不穩定，工件精度不高，同時電極絲在加工過程中，由于放電壓力作用而產生過度彎曲變形，將導致電極絲切割速度落后并偏離工件輪廓，即出現加工滯后現象，從而造成形狀與尺寸誤差，影響了工件的加工精度;如果上絲過緊，電極絲將超過彈性變形的范圍，由于加工時頻繁地往復、彎曲、摩擦和放電時的急冷、急熱變化的影響，極易造成疲勞斷絲。

一般張力的大小在電極絲抗拉強度允許范圍內盡可能大。對DK77系列機床的鉬絲進行張力有限元分析，可得線切割內背弧型面時張力范圍應為5～10 N，在使用初期張力可大些，使用一段時間后，張力宜小一點。

(2)電極絲垂直度的校正

電極絲運動的位置主要由上下導輪決定，如果導輪有徑向圓跳動或軸向竄動，電極絲就會發生振動，振幅大小取決于導輪的跳動或竄動值。所以在割錐度工件之后或進行再次切割內背弧型面之前，應進行電極絲垂直度的校正，有效保證電極絲相對運動軌跡和鍛件的加工工藝性能的要求。

(3)加工過程中斷絲的處理

在汽輪機靜葉片加工過程中，由于厚度較大(65.5 mm)，機床易發生斷絲。首先應立即關閉電源和變頻開關，再關閉工作液泵及走絲電動機，把變頻粗調置于“手動”一邊，打開變頻開關，讓機床工作臺繼續按原程序走完，最后回到起點位置重新穿絲加工。若加工快結束時斷絲，考慮從加工的末尾進行切割，但需重新編制一部分程序。當加工到二次切割的相交處時，要及時關閉脈沖電源和機床，以免損壞已加工表面。若斷絲不能再用，必須更換新絲時，應測量新絲的直徑。若斷絲直徑和新絲直徑相差較大，就要重新編制程序以保證加工精度。

4.3 工作液的選取使用

在電火花線切割過程中，工作液主要是在脈沖間歇時間內及時將已蝕除下來的電蝕產物從加工區域中排除，以冷卻電極絲和工件，使電極絲與工件間的介質迅速恢復絕緣狀態，使線切割進行下去。所以，工作液的好壞將直接影響加工的順利進行，對切割速度、表面粗糙度、加工精度均有不可忽視的影響。

高速走絲線切割DK77系列機床常用的工作液有水類工作液、煤油工作液、皂化液、乳化型工作液等。然而在加工汽輪機高中壓第5級靜葉片時，由于切割速度高 (大致達到39.5 mm2/min)、厚度較大(65.5 mm)、表面粗糙度為1.6 μm，所以采用濃度較小約為5%～9%的混合工作液。而實際加工現場調研顯示:在使用1～2個工作日后，金屬屑進入工作液中形成一定臟度的混合液，這種混合液在切割中具有良好的效果。現場線切割內背弧型面的場景見圖5。

圖5 實際現場線切割靜葉片裝配內背弧型面

5 結論

在靜葉片裝配內背弧型面線切割時，對工件的定位、裝夾、電參數選擇、工作液選取以及電極絲常見問題等進行了詳細的分析，提出了適合靜葉片裝配內背弧型面線切割的工藝參數，同時也對加工鍛件的最優化問題進行了預算分析，在保證加工質量的同時實現了最大化鍛件的切割，提高了鍛件的利用率，而在實際的生產應用中也形成了更加完善的工藝方法，具有一定的可行性和指導作用。

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