一种基于多工序协同的型线位置度综合误差控制加工方法研究

熊小聪 李启元 王龙清 刘波 周云波 胥家良 包兴进 董强

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000）

0 前言

1 400 mm 长度等级的钛合金叶片（以下简称叶片A） 是公司为提高市场竞争力， 自主研发的百万机组末级超长叶片。 该叶片运用于某1 000 MW 等级超超临界二次再热机组， 是目前国内最长的用于火电机组的全转速钛合金叶片。 叶片为“枞树型叶根、 整体凸台、 整体CCB 围带” 结构（见图1）， 叶身细长， 整体刚性弱， 制造过程中叶身型面极易产生较大变形。 因该叶片材料特殊，采用机械校形来满足型面位置度设计要求的方式已不适用， 需通过研究新工艺方法保证产品加工质量。

图1 叶片结构示意图

1 优化补偿加工方法研究

1.1 方案可行性分析

枞树形叶片以叶根榫齿作为基准进行装配（见图2）， 叶片制造时型面检测基准应同装配基准一致。 叶片机械加工时采用“先汽道后叶根” 加工方案[1]（见图3）， 当叶根榫齿加工前物料处于充分变形状态时通过调整叶根加工方法实现产品最终状态型面位置度优化调整。

图2 叶片装配

图3 “先汽道后叶根” 叶片加工

叶片未加工叶根榫齿前， 以叶根背平面、 叶根出汽侧面及端面缺口作为检测基准（见图4）， 根据3-2-1 原则建立检测坐标系， 获取叶片各截面型面位置数据。 叶根背平面、 叶根出汽侧面的矢量方面决定检测坐标系的方向， 实际检测坐标系将决定各截面位置检测数据， 故通过调整构建实测坐标系平面的空间位置可以使截面检测结果发生改变。 叶身榫齿以叶根背平面、 叶根出汽侧面为定位进行加工， 加工完成后以叶根榫齿建立的实测坐标系同叶根背面、 叶根出汽侧面构建的坐标系理论上一致， 故通过调整叶根加工可调整叶片最终型面位置度。

图4 三坐标检测基准

1.2 综合误差控制算法

物料经三坐标检测后， 可得到各截面型面偏移数据STACK X 和STACK Y（见图5）， 将截面高度和X 向偏移量STACK X 组成坐标点集， 将截面高度和Y 向偏移量STACK Y 组成坐标点集。 当是一个N点的集合， 其中横坐标｛xk, ｝是确定时可以求得满足均方根误差E2（f）最小的拟合曲线y=Ax,+B【2】。 通过分别求取X 向和Y 向的最小二乘拟合曲线， 根据直线斜率A 推算叶根加工时叶根背平面、 叶根出汽侧面与原始状态的角度差异， 定制叶根加工调整方案。

图5 最小二乘拟合曲线

最小二乘拟合直线方程：Y=AX+B， 误差函数（见图6）为：

分别对A，B求偏导并置零， 求取关于A，B的线性方程组：

1 450 mm 叶片加工时， 采用的拟合直线曲线为y=ax， 故线性方程组为：

图6 点（Xk,Yk）与最小二乘拟合直线Y=AX+B 的离差距离

利用MATLAB 编程实现单只叶片已知点集坐标的拟合直线方程y=ax求解， 获取加工所需的倾斜度a。

2 实施方案

2.1 三坐标数据提取与拟合曲线求解

利用Blade 分析软件将三坐标检测结果导出为*.CSV 格式输出， 数据中包含型线位置度、 轮廓度、 最大厚度等检测数据； 基于EXCEL 平台开发“三坐标检测结果趋势分析” 软件， 对*.CSV 格式文件进行自动读取， 以表格的形式对数据汇总、分析， 并可实现结果是否符合设计标准的自动判断及合格率分析， 快速生成曲线拟合所需点集的数据文件。 基于MATLAB 平台开发基于最小二乘拟合曲线解析算法， 求解每只叶片的X、 Y 向拟合曲线； 利用EXCEL 表格公式计算功能对结果进行二次评估及明确现场加工调整方案。 构建基础数据统计、 分析、 优化计算、 调整数据复核的数据处理流程， 如图7 所示。

图7 数据处理流程

2.1 工艺方案

叶根齿形以叶根中间体背平面、 叶根出汽侧面定位进行加工， 因型线位置调整涉及X、 Y 两个方向， 故通过卧加设备实施定制的叶根两侧加工方案来实现对X 向截面位置度的调整， 通过磨床设备调整加工时叶根背平面的角度来实现Y 方向截面位置度的调整。 经两侧加工和齿形磨削工序协同， 最终实现型线位置度综合误差控制的加工调整。

以叶根背平面为主定位进行装夹（见图8）， 加工前对叶根出汽侧面进行找正后整体旋转拟合分析角度进行两侧面加工， 达到调整检测坐标系X向矢量偏差的目的。 加工后对叶片型面进行再次三坐标检测， 结果显示： 截面X 位置度数据得到明显改善并与预测结果比较相近（见图9）， 具有实施的可行性。 磨削榫齿型线时可采用类似方法对Y 方向截面位置度进行调整。

图8 叶根侧面加工夹具方案

图9 X 向偏差调整结果

3 结论

通过实施基于多工序协同的型线位置度综合误差控制加工方法， 已加工的400 多件1 400 mm长度等级的钛合金叶片型线位置度均符合产品设计标准要求。 该加工方法在特定条件下可以避免采用传统机械校形， 改善叶片型线位置度的同时让叶片本体应力水平更加均匀， 有利于避免应力腐蚀导致的叶片开裂。