汽轮机叶片切削加工工艺研究

摘要：电站汽轮机是目前电力行业应用广泛的发电设备，电厂在汽轮机运行及日常维修管理时，为确保汽轮机的运行安全与稳定，工作人员通常要定期进行零件质量检查，及时找出隐患，并采取合理的措施加以解决。叶片是汽轮机中的关键零件，设计人员要通过增加叶片扭转角以及削减叶片厚度，减轻叶片重量，而设计需求会直接影响叶片切削加工方式，为叶片生产加工带来新的挑战。基于此，本文重点从叶片的切削加工角度分析问题，结合基本工作流程和相关注意事项，研究如何通过提升叶片的精度和加工质量全面发挥汽轮机叶片通流效率，以供参考。

关键词：汽轮机；叶片切削；叶片加工

一、常见汽轮机叶片的类型及其结构特点

（一）叶片的常见类型

叶片的种类较多，不同叶片适用于不同结构的汽轮机，因此，在具体开展叶片切削加工工作前，应先确定叶片的种类，明确不同叶片的切削侧重点。例如，常规叶片一般可以按照工作性质分成静叶片和动叶片两种类型。静叶片是装配在隔板上，静止不动的叶片，根据装配位置的不同有着不同命名。在蒸汽室中的静叶片称为喷嘴，在速度级中称为导向叶片，静叶片在汽轮机中承担着为蒸汽流导向和使蒸汽加速的功能，使蒸汽流在进入下一列动叶组前改变方向。动叶片是装配在汽轮机转子上，需要通过叶根固定叶片，随着汽轮机的转子同时转动，动叶片的主要功能是负责传递动力，汽流通过推动叶片带动转子转动。两种叶片的造型具有较明显的差异，应分别编制不同的叶片切削工艺，确保成品叶片满足生产质量的需求。另外，根据叶根的形状进行划分，将叶片分为倒T型、双倒T型、枞树型、菌型、叉槽型等多种类型。需要关注的是，不同形状的叶片加工方式、生产工序和装配要求具有一定区别，需要工作人员高度关注。叶根类型如图1～5所示。

（二）叶片的结构特点

叶片的汽道型面决定着后续切削时的刀具运行路线，根据汽道型面的形状以及是否扭曲可分为等截面直叶片和变截面扭曲叶片。在研究如何优化切削工艺时，应着重围绕叶片结构进行综合分析。实际上，叶片主要由叶根、汽道和叶冠组成，动叶片的叶根部分与汽轮机的转子紧密连接，动叶片的叶冠部分具有外端固定的作用，与此同时，将所有叶片连接起来会形成封闭的槽道，以防止蒸汽流失。叶片的工作区域是汽道型面，其形状多为直纹曲面或自由曲面，在将整级叶片装配完成后，每两只叶片的汽道型面会形成蒸汽通道，而汽道型面的加工精度和蒸汽通道的通流宽度会直接影响汽轮机的运行状态。

（三）叶片的汽道型面结构分析

汽道型面的截面由汽道背弧形线、汽道内弧形线、进汽边型线和出汽边型线四段型线构成。较大的圆弧形状进汽边是为了更好地接纳由各个方向进入的蒸汽；较薄的圆弧形状出汽边是为了降低蒸汽流出叶片时的损耗。叶片的汽道型面是整只叶片的主要工作部分，而叶片型面上的截面型线是整个叶片造型的关键，所以叶片型线必须要有足够的精度和光顺度，确保叶片的起动性能和转换效率。对此，在落实切削加工任务时，可以考虑结合叶片组成结构的不同功能特征和安装位置采取分步骤加工的方式，以分摊加工压力、管控叶片质量，同时要重点关注叶片汽道型面的加工精度，确保加工效果满足叶片的实际使用需求。除此之外，由于汽轮机的运行需求不同，预扭叶片的进出汽侧汽道型面薄厚也会存在差异，尤其是出汽侧部位较薄，刚性较弱，受到切削作用力的影响会发生变形的现象，这也是现阶段的切削加工难题。

二、汽轮机叶片加工工艺流程及相关注意事项

要想科学提升叶片的精度，就要从叶片的加工制造环节着手，确定加工顺序，了解每个加工环节的工作要点，管控工作质量及效率。

（一）基本工艺流程

汽轮机的叶片加工流程较为复杂，工作难度及强度较大，要由专业工作人员以相互配合的方式开展。该工作的基本原则是遵循重要性原则，要结合汽轮机的基本运行原理，在叶片主要位置加工完成后，再进行叶片次要位置的加工。需要注意的是，先进行粗加工，后进行精细化加工。基本顺序是先处理毛坯，后进行作业面的加工处理，关键要按照汽道、叶根、叶冠的顺序开展基础切削任务，每项工作流程都要设置专门的负责人管控工作效果。传统的加工方式为先加工叶片毛坯，在铣出基准面后，打顶针孔，然后进行汽道型面的加工，最后加工叶根部分和叶冠部分。这种加工方式对原材料的利用率不高，加工精度受操作人员的技能水平限制，无法有效控制叶片质量。相关加工流程如图6所示。

为了满足目前生产加工需求，引进数控机床设备进行汽轮机叶片加工，利用数控编程软件控制加工程序，将汽道型面、叶根、叶冠三个位置的加工合并，整个加工过程都在数控机床集成，一次装夹成型。方钢毛坯的叶片需要先铣准基准面，再进行粗精铣汽道工序加工；模锻毛坯的叶片，需要先铣准工艺柄，然后进行粗精铣汽道工序加工。使用数控机床加工，可以避免人工因素影响叶片工件质量，提高加工效率。

（二）相关注意事项

以我国传统火力发电厂使用的电站汽轮机为例，在常规的叶片加工环节中，通常应挑选合适的原材料，因为原材料的质量会直接影响最终叶片成品的使用效果。同时，工艺人员应提前按照汽轮机的产品图确定叶片的参数信息，主要包括大小、形状、汽道厚度等，并确定叶片的加工工艺流程，编制加工工艺以及后续成品叶片的装配方案。新时期，在开展叶片切削加工工作时，应重点研究如何提高工作效率，涉及引进信息技术进行自动化、智能化切削加工的环节，这项工作有一定的操作难度，需要数控机床等基础设施，确保技能人才具有对数控加工技术的灵活应用能力。另外，在实际工作中，考虑到人为因素、环境因素等对叶片质量造成的影响，加大监管力度，可以确保顺利完成叶片加工任务。切削加工只是叶片制造过程中的基础环节，使用数控机床进行粗加工、精加工处理时，一般要进行抛光、质量检测，才能将叶片正式应用于汽轮机的安装工作中。

三、汽轮机叶片切削环节的刀具应用思路

切削时使用的主要设施是刀具，锋利度、下落的速度及角度等都会影响叶片的切削成果，应要求工作人员理清机床刀具的更换思路，理清换刀顺序。具体工作流程如下：

（一）确定刀具的运行路线

汽轮机的叶片与其他金属零部件不同，形状较复杂，汽道型面设计上有曲面弧度，会导致实际切削难度较高。因此，机床工作人员使用普通铣床进行铣削加工时，需要不断提升叶片的加工精度，更好地满足叶片的精度需求，着重研究进行自动化切削的可行性。现阶段，自动化切削的侧重点是在数控机床上安装刀具，选择合适的刀头后，预设刀具的运行路线，再启动设备，数控机床进行自动切削。这就对相关数控机床编程设备的功能提出了较高的要求，目前较常见的方法是引进CAM软件，并安排工作人员系统地学习数控编程软件的操作方法。利用软件对粗加工和精加工环节进行编程设计之后，还应进行数学建模，便于模拟刀具切削的全过程，精准确定刀具的运行路线。最后，将相关数据导入数控机床的控制系统中，机床全程动态化运行，在此基础上准备开始切削加工。

（二）明确刀具与叶片的接触点

在现场进行汽轮机叶片切削工作时，要掌握新切削加工工艺的操作方法，关键是对加工的第一片叶片进行校模时找出刀具和叶片的接触点。通常情况下，如果校模过程的状况不好，接触点选择不当，会导致切削位置发生偏移，引发较大的误差，造成叶片报废，机械加工工作的经济成本提高。基于此，工艺人员应尝试使用专业的编程软件计算接触点。一般要及时有序地构建三维坐标系，根据叶片曲面的弧度特点设定矢量坐标点，并在计算机的系统程序中设定刀具的运行参数，尝试调整刀具的滚轴旋转角度。例如，将刀具旋转角度设置为20°，在刀具偏移的过程中观察刀心和刀尖的距离变化情况。通常在顺时针旋转后，进行逆时针旋转测试，以此观察刀具的灵活度。此外，可以结合相关计算公式得出刀具转动的矢量方向，从而得到各个接触点处的切削力，并通过刀具运动时的坐标点变化情况，判断刀具与叶片的各个接触点位置，以此有针对性地开展精细化的切削加工任务。

（三）调整叶片的切削数据

在进行叶片切削工作之前，要总结以往的工作经验，不断研究如何简化切削流程，提高切削水平。结合新时期的汽轮机叶片切削任务特点看，由于叶片的汽道型面不同，工艺人员在切削加工环节中要及时调整切削数据，通常可以先借助编程软件收集校模数据，计算切削刀具的进刀量等参数，及时生成三维模型。影响叶片精度的切削数据包括切削速度、宽度、深度等，当工作人员认真调整这些数据后，叶片加工质量会显著提升。但是在实际数据采集时，确保数据的真实和完整已经成为工艺人员关注的重点问题。因此，很多工艺人员都会尝试针对一种叶片设置多个切削参数，通过反复实验的方式选择合适的参数，并为实际的切削工作提供准确的数据作为理论依据。

四、合理开展汽轮机叶片切削仿真实验

要推广现代化的叶片切削方案，就要在完成创新设计后进行仿真实验，让相关行业和人才都发现该切削工艺的应用价值，以此引导人们主动学习新的切削方案，提升叶片切削水平。

（一）实验准备环节

在确定切削加工实验前，要进行切削参数测试，主要用于分析方案是否具有可行性。在测试时，先为工作人员分配具体工作任务，并测试工作人员工作态度和能力，确保综合能力符合参与切削工作的基本需求，避免人为因素影响叶片切削效果。同时，做好充足的前期准备工作，具体包括：首先，投入一定数量的毛坯，用于切削实验的使用。其次，检查数控机床的运行状态，做好周围环境的安全管理工作。最后，围绕叶片样本的特点稳步开展虚拟建模工作。一般建模时，要从多个角度完成任务，分别对机床、刀具、毛坯和工装夹具完成建模操作。要注意及时建立数据库，收集相关建模信息，为建模工作的稳步开展奠定良好基础。当所有准备工作结束后，可以进行模拟切削操作，并拟定完善的内部管理制度，确保工作过程的规范、安全。

（二）实验具体流程

本次切削实验主要是在Vericut系统中完成各项操作的，并通过计算机显示屏实时观察实验过程。通常要重点观察叶片和机床、刀具之间是否存在摩擦、碰撞的现象，及时分析问题，调整装置的运行轨迹。与其他实验操作相比，Vericut系统的优势是：当发生异常问题时，虚拟模型的相应部分会自动通过高亮显示的方式标记问题，提示工作人员及时处理。应注意在实验过程中设定好工件位置点，先进行样本点采集工作，确保样本点数量充足、数据真实，并按照规定要求修改参数信息和系统运行程序。整体实验完成后，可以使用离线检测的方式进行实验评价。另外，应使用信息技术完整记录工作中产生的数据信息，在实验结束后进行工作总结，这是进一步创新叶片切削思路的关键，主要用于分析工作中是否存在不足。

（三）实验结果分析

在分析切削加工实验结果时，工作人员应及时标记汽道背弧面、内弧面、出汽边和进汽边的参数信息，综合分析数值，统计叶片的变形情况，并结合国家对叶片质量问题出台的管理规定，判断切削加工误差是否在合理范围内。如果误差较小，表示本次实验科学有效，说明由此方法加工的叶片成品可以投入使用。同时，实验结果也证明了叶片切削工作会受到多种因素的影响，这是后续工作中应关注的关键问题。另外，在优化切削参数后可以有效控制叶片变形量，证实了进行叶片自动化切削工作的可行性。不过，如果决定将实验步骤应用于实际加工环节中，工作人员应结合以往的切削实验数据进行对比分析，找出本次实验的优势和不足，由此设定下一步的工作目标，以此完善切削流程，让叶片加工工作符合时代的发展需求。

五、结语

综上所述，在进行叶片切削加工工作时，应根据不同运行方式的汽轮机中叶片的不同特点有针对性地制定切削计划。叶片切削加工技术可以融入创新意识，引进信息技术及设备来提升切削水平，简化切削流程，减轻员工的工作压力，但需要提前进行仿真实验，灵活调整切削数据，重新设计刀具的切削路线，还需要人才之间相互协作，共同分享工作经验，总结工作优缺点，找出未来工作的着力点，全面提升叶片制造行业的整体发展水平，以此提高叶片制造的效率和质量。

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作者简介：张旭明（1996），男，辽宁省喀左县人，大学本科，工程师（助理），主要研究方向为机械制造。