基于RCS的三菱葉片在LX151機床加工中的程序改進

■ 杭州汽輪機股份有限公司葉片分廠 （浙江 310022） 張新苗

基于RCS的三菱葉片在LX151機床加工中的程序改進

■ 杭州汽輪機股份有限公司葉片分廠 （浙江 310022） 張新苗

燃機系列動靜葉片技術(shù)的質(zhì)量改進過程遇到了很多困難。本文通過改進加工工藝以及優(yōu)化程序內(nèi)容，有效地解決了加工難題，確保了生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

近幾年隨著市場的變化和公司的發(fā)展，燃機葉片的精品加工已經(jīng)成為我廠重點項目之一。燃機類葉片外形與普通汽輪機葉片有著較大的差別，質(zhì)量要求也較高，目前同一機組中大大小小的動葉近40種、可調(diào)靜葉6種、固定靜葉近40種。部分葉片型面平坦、容易變形、出汽邊厚度較薄，常常會出現(xiàn)翻邊和刀口等缺陷，個別葉片結(jié)構(gòu)復雜，加工困難，有些葉頂汽封形狀特殊，這些特點都給程序的編制和調(diào)試帶來了前所未有的難題。解決這些加工難點必須通過不斷試驗和總結(jié)，來改進工藝技術(shù)、優(yōu)化程序內(nèi)容以及提高生產(chǎn)加工技術(shù)，其中燃機葉片的程序編制改進工作尤為重要。燃機葉片的幾個品種如圖1所示。

圖 1

1. 燃機葉片汽道端面與型面連接處R位置完美過渡

燃機可調(diào)靜葉1～4級、IGV和OGV葉片的數(shù)控加工中，多年來一直存在加工缺陷瓶頸。在邊角過渡、圓角R過渡和型面過渡中，以往采用的常規(guī)數(shù)控掃描加工存在的缺點有：①葉片加工過的部位外觀質(zhì)量較差，凹凸不平。②鉗工人工修理之后，容易把精加工部位拉毛、劃傷，工作量大且磕碰較多。③加工時間達86min左右。④選擇的刀具直徑較小，效率低且費用高。加工路徑如圖2所示。

圖 2

為有效突破這些難點，我們選擇了更高精度的程序控制。通過近兩年多時間的技術(shù)積累和不斷試驗，優(yōu)化得到了合適的數(shù)控加工工藝和數(shù)控加工模塊，使葉根、R部位、端面和4個特殊區(qū)域形成特殊的相關(guān)線控制方法，運用恰當?shù)牡毒摺⑦M給和轉(zhuǎn)速，在LX151上完成了該類型葉片的數(shù)控工藝改進。該工藝具有的優(yōu)點包括：①加工時間明顯減少，效率比原方案提升很多。②邊角過渡、圓角R過渡和型面平穩(wěn)過渡，葉片外觀一致性很好。③型面、轉(zhuǎn)接位置和過渡等全部機加工，減少人為因素，產(chǎn)品一次性交驗合格率高。④鉗工由8個三角區(qū)域修平整的工作量改為修毛刺和倒圓的工作量。⑤LX151通過夾具修正后，基本實現(xiàn)零試料。⑥采用直徑為10mm左右的常規(guī)刀具，不僅耐用，也避免了小刀具崩刃的情況。效果如圖3所示。

圖 3

2.燃機葉片型面進出汽邊數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

燃機葉片GC、GT各種規(guī)格的動靜葉片種類繁多、型面平坦且容易變形。部分葉片出汽邊厚度為0.08mm，進出汽邊R很小，進出汽側(cè)是魚嘴型型線，加工困難，質(zhì)量難以保證。加工時極易引起過切，把進汽邊圓弧銑成缺口或尖角（見圖4）。出現(xiàn)了邊線偏薄、弦寬難以保證、廢品數(shù)量多等情況。即使是游標卡測量弦寬，出汽邊也會出現(xiàn)各種大大小小的缺口。同時出汽邊偏薄以后測量所得的弦寬也是一個假性尺寸，在砂出汽邊時哪怕是剛剛砂掉機加工紋路，弦寬也已經(jīng)多數(shù)超差。產(chǎn)品外觀不一致，時常出現(xiàn)廢品，導致出現(xiàn)需要補料、加料等現(xiàn)象。之前車間三班倒生產(chǎn)，編程人員也跟著三班倒，型線穩(wěn)定得不到控制，一次一個樣，質(zhì)量可靠性極差。

圖 4

以上特點給程序編制和調(diào)試帶來了一些困難。解決這些加工難點同樣需要通過不斷試驗和總結(jié)經(jīng)驗，改進工藝技術(shù)和優(yōu)化程序，整體上由數(shù)控程序來保證技術(shù)水平。對型線的數(shù)據(jù)首先進行了CAD部分的數(shù)據(jù)優(yōu)化，經(jīng)分析討論發(fā)現(xiàn)圖紙?zhí)峁┑男兔鏀?shù)據(jù)里進汽邊R處的點較少，導致RCS對型面數(shù)據(jù)處理時由于點數(shù)太少而算出的切削軌跡不夠圓滑，這點通過在TOPSOLID軟件和RCS相結(jié)合輸出型面數(shù)據(jù)時進行加密處理，用RCS型面優(yōu)化軟件對型面數(shù)據(jù)進行光順優(yōu)化（見圖5），以保證數(shù)據(jù)點更合理的布置。通過圖4和圖5可對比改進設(shè)置前后進出汽邊的銑削效果。

圖 5

經(jīng)繼續(xù)試制和探索，發(fā)現(xiàn)在RCS軟件中設(shè)定相關(guān)參數(shù)也比較有效。首先設(shè)定型面生成的片體數(shù)目，默認是背弧25個片體、進汽側(cè)9個片體、內(nèi)弧25個片體、出汽側(cè)9個片體，一般的葉片基本不作修改，但燃機葉片可以修改成背弧25個片體、進汽側(cè)19個片體、內(nèi)弧25個片體、出汽側(cè)19個片體；其次在銑削點數(shù)目的設(shè)置中，常用的是等距離的點設(shè)置（見圖6），但是燃機類型的型面銑削中使用插補點設(shè)置，進出汽邊使用角度增量方式（見圖7）。并降低進汽邊的切削參數(shù)，優(yōu)化走刀方式，有效地解決了進汽邊過切和缺損現(xiàn)象。經(jīng)改進后加工的葉片外觀、型線質(zhì)量穩(wěn)定可靠。同時通過不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)，彌補了機床、刀具和工藝等各項綜合誤差。確保出汽邊厚度在0.10～0.12mm之間，在砂進出汽邊、拋光內(nèi)背弧時，弦寬、進出汽邊厚度得到了有效控制，廢品率幾乎為零。公司成品檢驗、東汽集團涂層人員一致反映通過改進后的燃機葉片質(zhì)量、外觀改進很大。

圖 6

圖 7

3. 葉頂汽封的特殊加工

MS251機型GC第三級、第十級、GT第九級動葉有汽封要求。葉片葉頂汽封這樣類型的葉片以前都是分開加工的，在RCS編程軟件中根本無法實現(xiàn)，只能通過五軸機床加工后再換用三軸機床分工序解決這樣的難題。這種方式雖然能實現(xiàn)葉頂汽封的加工，但存在加工周期長、外觀差以及尺寸控制難等問題。

燃機動葉由于葉頂汽封與進出汽邊尺寸要求較高，葉頂汽封高度尺寸約8mm，因此該汽封由五軸機床上型面與汽封一起加工比較理想。經(jīng)分析討論發(fā)現(xiàn)葉頂汽封與葉根轉(zhuǎn)接部位相似，對型線和汽封面進行特定的處理后可以按照型面轉(zhuǎn)接的銑削方式進行加工，這幾個葉片的葉頂汽封均在LX151機床上加工到位。具體方法如下：①對型面數(shù)據(jù)進行處理，確定型面上的點矢量方向。②把葉頂圓弧面作為葉根轉(zhuǎn)接面處理葉根數(shù)據(jù)。③選用R1的錐度球頭刀按葉根轉(zhuǎn)接銑削方式編制葉頂汽封圓弧加工程序。④加工過程中使用汽封測具測量保證型面1.0mm的厚度值。

通過研究分析在RCS中找到與TOPSOLID軟件的接口，在TOPSOLID軟件中運用多軸銑模塊，創(chuàng)建一驅(qū)動幾何體，成功生成三軸刀路軌跡。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)建的驅(qū)動幾何體一定要光順，如果只是選取原始的型面作為驅(qū)動幾何體，加工后進出汽邊位置會產(chǎn)生過切現(xiàn)象。所以不應在原始的型面上選取，可以選取幾檔型線，內(nèi)背弧單獨生成片體，進出汽邊用通過曲線網(wǎng)格的方式，起始和結(jié)束曲率與內(nèi)背弧采用連續(xù)方式。此種方法加工葉頂減薄（見圖8），刀具側(cè)面緊貼汽封面加工可以準確的保證汽封圓弧面尺寸，且加工穩(wěn)定，表面質(zhì)量也能較好地保證工藝要求。按照這樣的方式創(chuàng)建的驅(qū)動幾何體生成的刀路軌跡加工后在進出汽邊位置很光滑，沒有過切現(xiàn)象，外觀尺寸一致。同時也給了我們很大啟發(fā)，在其他的葉片加工中同樣可以更好地使用RCS+TOPSOLID軟件的編程模式。

圖 8

由此可得，汽道端面與型面轉(zhuǎn)接變R加工、橢圓過渡、燃機進汽側(cè)R都不用分多部機床多道工序加工，可以在一臺機床上順利完成各項技術(shù)難以實現(xiàn)的工序加工。

4. 燃機動靜葉片型面變形改進

燃機葉片型面部分比較薄，在SX051B、LX151五軸加工中都產(chǎn)生了較大的變形，嚴重時葉頂部分型線變形0.5～0.8mm左右。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)葉片型線變形主要產(chǎn)生于型面粗銑及半精銑過程中。一開始，程序設(shè)計時把粗銑刀具D50R6刀具換成D32R4刀具并進行加工參數(shù)優(yōu)化，刀具R減小后切削應力減少，變形情況有所減小，但這種方式并不能完全解決葉片變形情況。在后續(xù)加工過程中繼續(xù)試驗多種方式對變形情況進行改善，最后換用D32R1.6的方刀片銑刀進行加工。這種刀具加工產(chǎn)生的切削抗力更加小，同時使用較小的切削步距進行加工，這樣大大減少了加工變形的產(chǎn)生。半精后銑留0.5mm余量，最后用D10R0.8多齒T10精銑刀每齒進給0.04mm高轉(zhuǎn)速、高進給加工型面，達到了工藝要求。

采用這種方式進行加工后，基本解決了燃機動葉型面加工中的變形問題。但可調(diào)靜葉由于受兩端需要精密過渡和葉片較長的影響，目測看變形依然存在，在程序改進中已經(jīng)無法完成更好的優(yōu)化。這是因為其葉型薄以及長度大等，再加上液壓頂針情況下，裝夾時就已經(jīng)有所變形。最后只能限制設(shè)備加工，采用在LX151雙驅(qū)五軸加工中心下加工，在程序編制時，根據(jù)葉片的裝夾、變形等問題，設(shè)定粗加工、半精加工、精加工和超精加工的模式來確定圍帶雙驅(qū)鉗口頂錐推與拉的作用，必要時設(shè)定一定的推、拉力量值（見圖9）。同時在粗加工階段也可通過鎖定A、B軸（見圖10）等多種方法達到防止葉片變形和型面光滑過渡的目的。

圖 9

圖 10

5. 結(jié)語

經(jīng)過多年的努力，燃機系列動靜葉片已加工幾十臺套。雖精品系列技術(shù)質(zhì)量改進過程中困難重重，給編程調(diào)試和加工都帶來了很多困難，但是大部分難題都是經(jīng)過多次的改進才最終得以改善。通過改進工藝和調(diào)整RCS軟件的加工方法，及時地解決了這些加工問題和難點，不僅保證了生產(chǎn)制造的順利進行，產(chǎn)品也在精品工程道路上前進了一大步，為公司開拓市場和發(fā)展壯大奠定了堅實的基礎(chǔ)。

20150822）