汽輪機靜葉片端面加工通用夾具設計應用

唐 坤，王新華，張俊輝

(東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

傳統加工工藝方案已不能滿足現有生產需求及市場化需求，與時俱進、降本增效是各行業發展方向及趨勢，機械制造行業要求越來越高，充分利用先進技術優勢、先進工藝方法、合理的加工策略，充分發揮人才優勢，深挖技術潛力及提升人才創造力，將技術與創新有機結合起來，應用三維軟件工具提高生產力，為產品質量保駕護航。工裝夾具作為產品質量保證的重要工具，使用過程中的可靠性、穩定性、安全性及可操作性非常重要。為提高工件加工精度及穩定性，采用集成工序方案，既減少加工工序及物流轉運，又節省調試時間，夾具扮演重要角色，通用夾具解決了產品工裝通用及快速換模問題，快速換模節省了輔助時間，避免了制造過程中可能產生的不確定因素，實現了降本優化原則，促進了企業良性發展。

1 靜葉片結構組成

靜葉片由汽道型面、內環及外環3部分組成(見圖1)，靠近轉子中心端為內環，遠離轉子中心端為外環。汽道型面分別由出汽型面、進汽型面、內弧型面、背弧型面4部分組成。因功率參數指標的差異，靜葉片在外形結構尺寸存在差異，通流大小由汽道型面安裝角及有效長度尺寸而決定，靜葉片裝配面因共面或不共面存在落差尺寸，出汽側面也因共面或不共面存在落差尺寸，不同級別的靜葉片長度方向尺寸是一個變量值(長度方向尺寸=外環圍帶端面尺寸-內環圍帶端面尺寸)。

圖1 靜葉片組成

2 端面加工工藝方案分析

2.1 分散方案

分散工序加工方案一是采用線切割機床加工方案，先加工外環端面，后加工內環端面，存在二次裝夾，過程中存在工序轉換及機床轉換，物料存在工序轉運。缺點：加工效率低，加工后的表面粗糙度及輪廓度較差，加工完成后應增加拋光工序對表面進行拋磨處理，線切割加工產生的相關廢料對環境污染較大，不利于環保要求。優點：由于加工過程中不受力，對工裝要求相對較低，可節省工裝制造成本。

分散工序加工方案二是采用加工中心機床加工，方案與線切割相同。缺點：每級葉片都設計專用的夾具，制造周期長且成本較高，采用模塊搭建的方式，工裝穩定性較差，進給量較小，效率相對較低，存在廢品損失風險。優點：表面粗糙度及輪廓度較好，采用此方案總裝后返修率占5%～8%。

2.2 集中方案

集中工序[1]加工方案：在機床上一次裝夾，將內、外環端面一次加工成型。優點：加工效率高，加工質量穩定，加工精度高，加工表面粗糙度及輪廓度較好，避免了拋磨工序。缺點：在實施過程中對夾具的要求比較高，此類型產品幾乎都是小批量生產，若每級葉片設計專用夾具，制造成本高且制造周期長。采用集成方案提高加工效率、降低制造成本的關鍵是同類型產品實現通用工裝要求[2-3]。

3 端面加工影響

靜葉片端面加工是產品成型前的關鍵工序，加工精度及穩定性對后序總裝影響較大。影響因素有：1)輻射線相對內環圍帶端面位置度要求，導致相鄰2只葉片裝配后產生錯位，出口面積不能滿足設計圖樣要求；2)通流型面位置度不能正確安裝到位；3)被加工面形成圓錐形，裝配間隙達不到要求，影響裝配后外觀質量及機組通流性能。出現任何一項問題都應返修處理，返修時成本較高，此時葉片的價值比較高，實施過程中稍有不慎產生廢品就會影響到后期總裝，不僅會耽誤交付周期，還會對企業造成負面影響，本工序重要程度非同一般。

4 通用夾具設計

4.1 定位基準分析

夾具的定位基準很重要，它關系到夾具的穩定性及可靠性，原則是優先選用平面，平面表面粗糙度要求相對較高，從分析靜葉片結構特征來看，供選擇的定位面較少，選擇進汽邊及背徑向裝配面定位時，夾具的高度尺寸較大，夾具的剛性及穩定性較差，裝夾時易產生側翻，不能滿足夾具設計要求。選擇出汽邊及內徑向裝配面定位時，夾具高度尺寸小，剛性及穩定相對較好，能夠滿足夾具設計要求。通過分析得知，以靜葉片內、外環內徑向裝配面作為第一基準，以內、外環出汽側面作為第二基準；以通流側壁面作為第三基準設計夾具方案。

4.2 加工機床分析

加工機床的選用非常重要，與制造成本也有必然的關聯，此產品加工機床可選用立式或臥式加工中心。立式加工中心受機床結構及行程的限制，能夠滿足中小型葉片的加工，若外形輪廓尺寸較大則會產生干涉現象，實現通用性可行性不強，而臥式加工中心則可彌補其缺點，臥式通用夾具設計可行性相對較強，故按臥式機床設計通用夾具，設計最重要因素考慮到安全問題，如何做到加工過程中的安全性，避免機床與夾具產生干涉現象，應了解機床及附件相關技術參數，主要包括機床工作臺尺寸大小、主軸軸向有效行程參數、主軸部件尺寸規格大小、機床各線性坐標軸及旋轉坐標軸行程尺寸參數、運動方向及各軸的坐標方向，建立一套數控仿真系統，以成品長度較小的葉片做一套數控加工程序，之后在VERICUT軟件中進行動態仿真模擬[4]，來確定夾具Y軸及Z軸方向的安全行程尺寸，Y軸尺寸不易過大，否則剛性及穩定性差，加工精度低，也不易過小，否則易產生干涉，存在撞機的風險。通用夾具設計應選擇不同大小規格的葉片進行測試，根據測試情況獲取仿真狀態下空間尺寸，根據空間尺寸確定夾具輪廓外形尺寸，確保加工過程中的安全性及可靠性。

4.3 加工毛坯

加工毛坯根據葉片的外形尺寸及質量可分為兩類：方鋼及模鍛毛坯[5]。方鋼毛坯用于中小型葉片，葉片長度不超過450 mm，質量不超過40 kg，毛坯成本相對要高些。模鍛毛坯用于大中型葉片，采用模具進行鍛造，毛坯成本相對較低。2種毛坯到端面加工時已最接近成品狀態，汽道型面及裝配面、進出汽側寬度均已加工完成，只有內、外環端面留有余量約3～5 mm，兩端面分別留有30～40 mm工藝頭。

4.4 夾具的設計

4.4.1 夾具結構

通過加工產品結構分析，實現通用夾具效果，夾具操作上應做到可調節功能[6]，可調的方向為3個：1)左右調節葉片長度方向尺寸；2)前后調節葉片寬度方向尺寸；3)上下調節葉片高度方向尺寸。通用功能需求分析，夾具結構為模塊化裝配式結構，內、外環定位件應做可調節導軌。為便于制造，定位件及主體件均采用板材件，板材厚度為50～65 mm即可。定位件與夾具體緊密貼合，安裝時確保定位件側面與夾具體底面垂直度要求、定位件底面與夾具體底面平行度要求。為方便工件的裝卸，降低工裝制造成本，側面及頂面壓緊板均采用可調式壓板結構。

4.4.2 夾具精度

通用夾具相對使用的頻率較高，存在的磨損頻率也會隨之增高，定位表面加工成型后應進行調質熱處理，以提高夾具使用過程中的耐用度。為了提高快速換模速度，確保夾具的精度，起導向滑動作用的連接副選用H7/g6，相關定位件的平行度、平面度及垂直度要求不得大于0.03 mm。每種產品尺寸規格及結構會存在差異，夾具應根據加工產品實際尺寸作相應的調節，從而滿足加工要求。

4.4.3 夾具結構件分析

夾具的結構支撐件厚度均為40 mm，連接底面增加20 mm的加強筋，為主要定位部件，對夾具的剛度及精度起到至關重要的作用，為確保結構部件是否滿足設計要求，對夾具的支撐件進行有限元分析[7](見圖2)，夾具設計位移量為0.03 mm，分析后的變形位移量為0.024 1 mm(見圖2a)，夾具設計應力為120 MPa，分析結果為107.99 MPa(見圖2b)，故結構件滿足設計要求，備注：另一結構支撐件相對此件僅底部加強筋方向與之相反，其余完全相同。

a) 位移分析 b) 應力分析

4.4.4 夾具結構組成

夾具結構運用Creo Parametric軟件不斷優化改進[8]，通過動運仿真分析，最終形成了如圖3所示的設計方案。夾具由主體底板、左支承板、圓柱銷、右支承板、可調式長壓板、螺釘1、螺釘2、十字定位鍵、墊塊、可調式短壓板、螺釘3、墊圈、T型塊及吊環等部件組成。

4.4.5 夾具調節

將葉片置于夾具定位面，通過調整左支承板及右支承板左右位移關系，從而獲得長度方向的尺寸調節；通過調整左支承板及右支承板前后位移關系，從而獲得寬度方向的尺寸調節；墊塊為活動件，調整墊塊高度位移尺寸，從而獲得高度方向的尺寸調節。圓柱銷與通流側壁面貼緊，控制葉片長度方向的位置度。產品校模找正方法，將夾具放置機床工作臺之上，用百分表找正內、外相對落差尺寸，平行度及平面度相關要求，鎖緊所對應的螺釘1、螺釘2及螺釘3即可，夾具側面定位可通過臥式機床上旋轉B軸進行調節。

圖3 夾具結構圖

4.4.6 夾具方案對比

夾具方案對比如圖4所示。圖4a所示為傳統線切割加工的工作狀態，圖4b所示為搭建的簡易模塊夾具工作狀態，圖4c所示為通用夾具工作狀態。

a) 線切割夾具

b) 模塊夾具

c) 通用夾具

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通用夾具經多個靜葉片的加工測試，夾具的剛性強，裝卸操作方便，達到了通用效果，加工出來的產品質量穩定可靠，進入總裝時未產生錯齒現象，裝配間隙也完全滿足設計要求，合格率達到100%。

2)通用夾具設計大、中、小3種規格即可滿足所有靜葉片工裝夾具要求，相對節省了制造及設計成本，優化了人力資源，降低了工作強度，為工裝管理提供了便利。

3)通用夾具使不同級別靜葉片快速換模[9]效率提升了50%，由于進給量增大，加工效率提升了[10]50%，避免轉運過程中磕碰問題，為外觀質量提供了保障。