燃气轮机叶片制造技术

燃气轮机叶片制造技术

郭金波

中国航发成都发动机有限公司 四川 成都 610500

摘要:叶片是燃气轮机中极为重要的零件，其质量的好坏对燃机整体性能和使用安全有重要的影响。本文以燃气轮机压气机叶片为例，针对燃机压气机叶片生产中存在的加工质量不稳定等问题，以压气机叶片加工的几个关键环节（榫头压力面和型面数控加工工艺）为突破口，通过对该类叶片材料、结构特性的分析，从毛坯的控制、刀具材料的选择、切削参数及走刀方式的设置、工装夹具的设计思路等多个方面进行研究，以提高燃机压气机叶片的合格率和加工效率。

关键词：燃气轮机压气机叶片 榫头 型面 叶盆 叶背

1 燃气轮机压气机叶片榫头难点加工技术

1.1 压气机叶片榫头特性分析

压气机转子叶片榫头以燕尾形榫头为主，静子叶片中也有一部分是方榫头。转子叶片通过榫头与轮盘外缘的榫槽相连，起到将作用在叶身上的载荷传到轮盘上的作用；静子叶片则通过榫头与压气机机匣或环相连，改变气流方向。榫头与榫槽之间的配合可以是过渡配合，也可以是小间隙配合。由于在工作时叶片上受到巨大的离心力、气动力和振动等载荷，为确保在连接处有足够的强度和适宜的刚性、稳定性，叶片整体的强度以及和轮盘的配合是非常重要的。

为保证榫头和榫槽间的配合关系，榫头的精度，特别是装配处榫头压力面的精度要求很高，面轮廓度公差在±0.015mm左右，还有严格的角度公差限制。同时叶片榫头作为叶身型面加工和检测的基准，榫头的质量直接决定了叶身型面加工的质量和叶片最终的性能。

1.2 榫头难点加工工艺分析

相对于方形榫头，燕尾形榫头型面更复杂，精度要求也更高，切削性也较差，从质量上较难控制。此文重点对燕尾形榫头进行分析。在榫头加工中，压力面的加工既是重点也是难点。因为压力面是叶片装配面的设计基准，型面的加工和检测是通过压力面定位来实现的，压力面质量的好坏直接影响到叶片的质量；同时压力面精度要求高、涉及尺寸多、形状相对复杂、切削加工性不好、不易检测等。

在榫头压力面的精加工过程中，存在叶盆、叶背余量不易控制的问题，因为叶盆、叶背、进、排气边余量分布不均，给后续的叶型加工造成很大的困难。由于工序中的测具检测和零件最终的三坐标检测原理不同，检测结果有、差异，造成对榫头压力面尺寸较难控制。可以从叶片材料特性、刀具控制、装夹定位、检测等多方面入手来进行分析，提出如下相应的改进措施。

1.3 材料特性分析

燃气轮机压气机叶片常见的材料为马氏体不锈钢，该类材料具有优良的综合力学性能，热强性高，耐应力腐蚀性能好，冷热加工性能也不错，但热传导率低，特别是经淬火、回火后具有较高的硬度和强度，且韧性大。目前毛料均为国内模锻件，但由于目前国内锻造工艺和热处理的局限，锻件质量状况一直不稳定，给叶片的机加工造成了很大的困难。

从材料特性上来分析，马氏体不锈钢的铣削难点主要有：

①刀具容易磨损，不锈钢中的碳化物硬质点，使刀具加剧磨损。粘刀现象较严重，在刃口易引起微小的剥落和缺口。

②加工硬化现象严重。

③切削温度高，在相同的切削条件下，比45钢约高200～300°C。

④切削力大，在相同的条件下，比45钢高1.25倍以上。

⑤切削过程中易产生积削瘤，不仅加剧刀具磨损，还会引起已加工表面出现撕裂现象，降低表面质量。

由于该类材料的上述特性，导致刀具磨损严重，切削面光度较差，加工后榫头内部存在较大的内应力，应力释放后可能导致榫头变形，尺寸精度很难保证。要改善该类材料的切削状况，须从刀具、切削参数的选择方面入手，找出适合该类材料的合适的刀具材料，并对刀具的切削次数及切削量进行严格的控制，并采取一定的措施消除内应力。

1.4 刀具的控制

频繁的换刀不仅占去了大量装夹和校准时间，且换刀后又须重新进行首件鉴定。解决刀具磨损过快的问题，可从以下几个方面进行改善：

1. 合理的选择刀具的材料

推荐选用涂层硬质合金刀具。在成型铣刀的设计和控制上，选择与材料特点相适应的前角、后角、切入角等刀具几何形状，并对刃尖进行适当处理。

成型铣刀压力面的角度至关重要，其制造精度是保证叶片榫头合格的前提。成型铣刀在制造时必须压缩公差，验收时必须进行试样加工，所加工的榫头压力面的公差必须控制在0.010mm的范围内。

2. 改善切削条件

成型铣刀所加工的第一件零件用三坐标测量仪进行验证，符合要求的方可使用。同时，根据加工叶片的大小及材料类型，对每把成型铣刀加工零件的数量也必须严格记录。每隔20件用三坐标对所加工的叶片榫头进行抽检。抽检中若发现有不合格的，应检查成型铣刀的压力角是否符合设计要求，并对切削中的进刀量及机床工作台的平行度、垂直度进行检查。

1.5 工艺控制的关键点

榫头压力面的加工是以叶片毛坯上叶背的两个截面做基准来定位的（见图1-1），夹具上的型面定位块是以理论的型线尺寸加上毛坯的理论厚度进行设计的（见图1-2），但由于实际毛坯型线和余量的不规则性，造成在加工时叶片所处的实际位置和设计的理论位置有较大的出入。因为最终的叶型加工是以榫头为基准的，榫头中心线的位置就决定了叶型余量的分布。在加工过程中，加工者往往仅单纯关注榫头加工工序的质量，榫头合格即可，并没有考虑榫头加工对后续工序的影响，导致加工出的叶片余量分布不均匀，有些甚至已经没有余量，这都给后序的型面加工造成了很大的困难。

图1-1 榫头压力面加工的定位基准

图1-2 榫头压力面加工型面定位图

通过对叶片榫头特性及叶片设计基准的分析，在叶片压力面的加工工序中有两个工艺控制的重点，一是保证叶型压力面符合图纸的要求，包括尺寸、角度及光度，这主要是由成型铣刀来控制；另一个是要使榫头加工后叶盆和叶背的余量尽可能分布均匀，型面扭转不大，从而给叶型的加工创造更好的条件，这主要通过在榫头压力面加工过程中的装夹定位来控制。

2 压气机叶片的型面加工

燃机叶片型面对整个叶片的气动性起决定作用，从叶片的几何特性来看，其叶身型面部分为复杂的空间曲面，各部分的曲率、扭转变化较大，是典型的薄壁件。由于其为动力等装置的重要部件，工作条件较为恶劣，对零件本身的精度和质量提出的很高的要求。叶片的材料要求有很高的质量——强度比，加工中难切削，切削抗力大，引起的变形也大。由于其截面形状，在叶盆和叶背方向上抵抗变形的能力不同，进排边缘处又较薄，加工中的形变很复杂。目前数控设备对型面的加工仅仅只算是型面的粗加工或半精加工，加工后型面还必须进行手工抛光来满足型面的尺寸和光度要求。

2. 1 型面定义及特性分析

型面是通过对各定义截面的相关尺寸来控制的，如各截面的前后缘厚度、最大厚度、弦长、扭角及叶型偏移、榫头平台高度等。由于叶身薄、刚性差，加工中切削抗力、让刀现象引起变形（两端刚性较好，中间刚性较差；叶背刚性好，叶盆刚性较差）。

数控加工后不能直接符合图纸尺寸的要求，一般留有0.20mm左右的余量，最终通过人工抛光来得到图纸上规定的最终尺寸。型面实体造型完成后通过UG中所带的程序编辑器，通过对刀具、进刀量、走刀和转速等参数的设置自动生成数控加工程序。

2.2 叶片型面的CAD建模

    叶盆和叶背上的型线均为自由曲线，进排气边缘为一段圆弧，将各曲线光滑过渡，并保证各段曲线的连续。根据给定的扭转角将各个平面上的曲线通过Xform—Rotate命令进行旋转，得到一组空间曲线，叶片的型面是由几个截面串组成，在对叶片造型时，应使用导入截面数据点的方法来生成各截面的型线。

2.3 叶片型面的数控加工

叶片型面主要是在多坐标数控机床上完成的，所采用的刀具有球头刀、平底刀、牛鼻刀、环形刀、鼓形刀、锥形刀等，可根据型面曲率的变化程度、机床主轴自由度、加工要求选择适合的刀具。在加工中为使加工基准同设计基准一致，选用榫头压力面和榫头前缘端面为定位基准，榫头底平面和工艺台中心孔压紧的方式，使工艺基准和零件的设计、检测基准尽量统一。

①叶型的粗加工：切削量一般在2.5至3mm左右，切削后用型面测具和样板检测叶身真实余量，真实余量不大于1.5mm；

2. 叶型的精加工：叶身表面一般留有0.20mm左右的余量。加工后按要求进行检测，检测尺寸包括叶型真实余量，叶型的相关尺寸，榫头平台面高度及R转接等。

2.4 型面数控加工难点分析

①叶身刚性差：无论是叶身长而窄的静子叶片，还是扭角较大的转子叶片，叶身部分的刚性都较差，同时叶身的变形和让刀现象非常明显，导致型面余量较大且分布不均，存在两端余量小、中间余量大、叶背余量小、叶盆余量大的特点，型面局部位置尺寸（如前、后缘）、叶型位置度容易超差等。

②型面曲线复杂、精度高：叶片型面主要为变截面扭曲叶片，叶片汽道型线部分是空间三坐标数据点，加工精度要求很高。叶片汽道的进、出汽边较薄，叶顶、叶根圆角较小，从加工到检测需全型线投影透视，而且种类变化多样，需多轴数控机床进行加工，对设备及工艺技术水平要求很高。

3叶片的检测技术

3.1 传统的手工测具检测

相对于三坐标检测，叶片传统的手工测具检测比较成熟，检测过程直观、灵活，但检测效率较低、检测中人为因素影响大、测具设计、制造复杂且精度不稳定等。但由于三坐标检测并不能涵盖叶片需检测的所有尺寸和特性，因此在一定的时期内，人工测具检测的方式还会继续存在。针对目前人工测具使用中暴露出来的问题，可从以下几个方面进行一些分析和改进。

3.1.1 测具的设计

一台典型的压气机叶片（共36级）所需的工装上千套，设计工作量相当大，若采用传统的思路和方式来进行设计是很难满足生产进度的，在测具的设计过程中可按如下思路进行：

1. 合并同类项

对尺寸和相关特性相似的叶片可划为一类，然后针对划分的具体类别来制定所需要设计的测具，同一类的叶片只需设计一个即可。这样相对于原来单级的设计，就可以压缩掉大量不必要的工装，还可以节省很大一部分设计和制造时间，降低制造成本。

2. 模块化设计

压气机叶片从几何特性上来看大多都类似，检测项次也差不多，叶片之间的差别更多的是尺寸上的，对于压气机叶片的测具从类别上来看主要有型面测具（主要用于控制型面的总体尺寸和偏移）、厚度测具（型面的前、后缘厚度、最大厚度及榫头的脖子厚度等）、高度测具（榫头压力面高度、平台面高度及叶尖高度等）、长度测具（榫头长度、型面弦长等），角度测具（型面扭角、榫头压力面角度、榫头安装角等）及一系列样板、推/卡规（配合型面测具使用，用以控制型面轮廓及偏移）等。可将这些典型的测具样式放入数据库中，建立一些标准的模块，这样在以后同类型测具的设计时，就可以调用这些模块，进行参数化设计。这样即能保证设计质量，也能够节省大量的时间。

3.2 叶片的三坐标检测

三坐标测量仪可用于各种尺寸、角度、形位误差的检测，对于燃机叶片来说，原来叶型轮廓的偏移都是靠型面测具和样板来进行检测，这些测具只能大体判断零件是否合格，无法读出准确的数据。三坐标测量仪不仅可以输出准确的结果，还能输出所扫描型面的轮廓图形，这样就能对叶片的质量进行准确、直观的分析和判断，同时也有利于对不合格的叶片进行返修。

三坐标测量仪的检测几乎不受人为因素的影响，操作者只需按程序操作即可。检测后自行输出检测结果并显示尺寸是否合格，无须检验人员进行判断，最大限度的避免了操作过程中各种人为因素造成的差错和误差。目前好的三坐标测量仪的检测精度可达0.002，相对于叶片的尺寸公差来说基本足够了，同时检测过程中由于是一次装夹、采点便能完成所有尺寸的检测，有效的避免了多次装夹过程中产生的误差。

总结

燃机压气机叶片的制造涉及多门类、多学科是一项高精制造技术，随着航空制造业、航空制造技术的飞速发展，以及我国材料锻造/铸造技术的发展，把先进的、成熟的航空制造和检测技术运用到燃机叶片的制造中，相信燃机叶片的制造还有非常大的发展空间。通过优化工艺、工装等来提高生产能力，推动压气机叶片制造技术的整体提高和进步，探索出一条适合国内市场需求的燃机压气机叶片的制造方法。

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