燃氣輪機葉輪高精度拉桿孔加工

李海，柴一斌，孫宇龍，池方越，吳景松

杭州汽輪動力集團股份有限公司 浙江杭州 310022

1 序言

渦輪葉輪作為燃氣輪機的核心零部件，結構復雜，加工精度要求高，其工藝開發及成品制造更是關鍵中的關鍵。其中，拉桿孔作為相鄰葉輪之間的連接結構，其重要性不言而喻[1-3]。

如圖1所示，渦輪葉輪采用級間圓弧端面齒嚙合連接，通過盤面12個周向分布的拉桿孔穿入拉桿的方式裝配成轉子。因圓弧端面齒具有自定心功能，相鄰兩級葉輪嚙合后無法調整拉桿孔的位置，因此對拉桿孔的位置度提出了極高的要求。

圖1 渦輪軸系連接示意

拉桿孔孔徑42mm，一般采用鉆鏜的加工方式，其最大長徑比超過5倍徑，表面粗糙度值要求Ra=1.6μm，對鏜削加工提出極大挑戰。

2 解決方案

針對以上提出的高難度加工要求，主要從高精度位置度和高難度鏜削兩方面進行攻關。

2.1 拉桿孔位置度加工工藝

圖樣對拉桿孔的要求為：φ42.58+0.05?0.03mm，位置度φ0.12mm，圓柱度0.012mm。為保證裝配順利，工藝要求提高為：φ42.58+0.05+0.03mm，位置度φ0.05mm，圓柱度0.012mm。故需進行工藝試驗驗證。該試驗模擬葉輪拉桿孔孔加工，試件結構如圖2所示。選用鏜銑床，裝夾采用角鐵搭壓板的方式，試件豎直裝夾。

圖2 拉桿孔試件

（1）傳統軸向分布孔加工方式 找正方式為杠桿百分表“翻中心”，找出天地左右4點位置，確定圓心，按φ420mm節圓，采用T鉆打底孔，精鏜拉桿孔。

1）三坐標檢測結果。位置度最大值為0.0756mm，外圓D600mm圓度為0.0056mm（見表1）。

表1 第1次三坐標檢測數據

2）數據整理。如圖3所示，孔的位置整體向Y正方向偏移。

圖3 三坐標檢測數據示意

3）數據分析。以圖3中I位置示意為例，X向偏差較少，偏移量在0.01mm左右；Y向偏差較大，偏移量在0.035mm左右。Y向為位置度偏差主影響因素。若排除Y向偏移量0.03mm，位置度情況會有較大改善，實測點的整體輪廓度較好，由此可見機床自身重復定位精度較好。三坐標檢測數據轉換后的角度數據見表2，可明顯發現主要偏移在Y向。

表2 第1次三坐標檢測轉換數據 [單位：（°）]

4）可能原因分析。X向找正方式為：杠桿百分表觸碰試件左右方向外圓兩點，確定水平方向；Y向找正方式為杠桿百分表觸碰試件上下方向外圓兩點，確定豎直方向，以此來確定試件中心位置。在這里，Y向百分表觸碰上下外圓兩點時，因百分表觸針重力影響，可能會產生滯后或回縮，導致實際位置和表顯位置出現偏差，孔加工完成后，可能是引起Y向偏差的主要因素。另外，百分表的精度為0.01mm，其誤差也會影響Y向偏差，為次要影響因素，影響量較小。而X向在水平方向，無重力引起的相對位置偏差，其影響因素為百分表本身的精度誤差，影響較小，表現較好。

（2）改進方法 采用上述杠桿百分表“翻中心”的方式，找出中心，初鏜對稱位置的兩個孔。百分表通過機床走行程的方式測每個方向外圓點到孔最遠端的尺寸，然后將X向和Y向的兩組數據分別相減，得到X向和Y向的偏差值，并對其進行補償，最后精鏜12孔。

如圖4所示，X向補償X'=（X2-X1）/2，Y向補償：Y'=（Y2-Y1）/2，坐標零點按X'、Y'進行補償。該方法測得數據為相對值，可以排除重力對百分表的回縮影響，同時因測量為同一百分表，亦可排除量具精度誤差的影響。精鏜后再次用三坐標復驗位置度數據。基于以上方法進行第2次位置度加工試驗。加工狀態如圖5所示。

圖4 坐標補償示意

圖5 加工狀態

1）三坐標檢測結果。位置度最大值為0.0501mm（見表3）。

表3 第2次三坐標檢測數據

2）數據整理。第2次三坐標檢測轉換數據見表4。

表4 第2次三坐標檢測轉換數據 [單位：（°）]

3）數據分析。孔的主要偏移方向為X負向和Y正向，節圓圓度較好。基于此加工方式，位置度有一定提升。

1.3.1 生活質量變化情況評價指標 該院通過應用SF-36生活質量評價量表，評價患者治療后的生活質量。

（3）二次改進方法 基于以上方法進行第3次位置度加工試驗，同時進給方式改為臺面進給。

1）三坐標檢測結果。位置度最大值為0.0269mm，12只孔的節圓圓度為0.0106mm（見表5）。

表5 第3次三坐標檢測數據

2）數據整理。第3次三坐標檢測轉換數據見表6。

表6 第3次三坐標檢測轉換數據 [單位：（°）]

3）數據分析。孔的節圓圓度較好。此加工方式使拉桿孔的位置度提升明顯。

2.2 高難度孔加工探究

渦輪第4級葉輪材料為21501-5（工廠牌號），Cr、Ni含量高，材料切削性能差，拉桿孔長徑比超過5倍徑，鏜削加工難度大。

此次試驗基于葉輪同質材料試塊，設備選用同一臺鏜銑床。

1）瓦爾特模塊式鏜刀桿。采用常規鏜刀在加工長徑比大的孔時，表面振紋明顯，加工不理想。切削參數見表7。

表7 切削參數1

2）選用抗振阻尼鏜刀桿。切削參數見表8。京瓷刀片在使用時磨損較快，故采用抗振阻尼鏜刀桿+特固克TCMT 110204 FG CT3000（或山特維克可樂滿TCGT 110204L-K1125）組合的方式加工此類深孔，加工質量對比較好。表面質量對比如圖6、圖7所示。

表8 切削參數2

圖6 表面質量較差情況

圖7 表面質量較好情況

3 高精度拉桿孔加工工藝在渦輪葉輪上的應用

3.1 裝夾方案

葉輪采用角鐵搭壓板的方式，豎直裝夾。裝夾前，保證角鐵豎直面和機床Z軸垂直度。通過V形塊高度及葉輪外形尺寸，計算確定搭墊塊的位置。所有與工件接觸的位置均采用銅包鐵的方式保護（見圖8）。

圖8 渦輪葉輪裝夾方式

裝夾后，找正葉輪搭壓板位置的端面天地左右4點，誤差≤0.01mm。

3.2 加工路線

渦輪葉輪拉桿孔加工工藝路線為鉆底孔→粗鏜→精鏜。首先，使用傳統找正方法，完成拉桿孔的粗加工、半精加工。其次，使用杠桿百分表和機床X軸、Y軸分別測出A、B和C、D長度數據（見圖9），使用內徑千分尺測出兩孔徑D1（φ42.3mm）、D2（φ42.4mm）。

圖9 坐標補償數據

X軸偏移量為 [（A－D1/2）－（B－D2/2）]/2，Y軸偏移量為[（C－D1/2）－（D－D2/2）]/2。

圖9數據為實際加工測出的數據，X軸：111.24?（42.3/2）=90.09（mm），111.34?（42.4/2）=90.14（mm），X軸偏移量（90.14?90.09）/2=0.025（mm），即機床X軸零位向正向調整0.025mm。Y軸：321.25?（42.4/2）=300.05（mm），321.33?（42.3/2）=300.18（mm），Y軸偏移量（300.18?300.05）/2=0.065（mm），即機床Y軸零位向負方向調整0.065mm。

最后，通過以上計算得出，將工件圓心X正向調整0.025mm，Y負向調整0.065mm。以得出的新圓心進行12只孔的精加工。

3.3 應用效果

通過該工藝方法完成拉桿孔加工的葉輪，在端面齒自定心嚙合后，相鄰兩級葉輪的拉桿孔同軸度較高，拉桿可自由穿插，燃機轉子順利完成裝配。

4 結束語

燃氣輪機葉輪高精度拉桿孔加工工藝的攻關，為燃機轉子裝配提供保障。同時，該工藝可廣泛應用于各類軸向陣列孔的加工，能有效提高零件加工質量，提升產品的裝配精度。