2 五坐标联动加工中心在叶片型面加工中的应用

1. 机床开发背景
   汽轮机叶片的设计、制造能力是衡量一个透平厂研发能力的重要标志。叶片机械加工工作量大，精度要求高，结构复杂，制造成本高。国内外透平厂都非常重视叶片制造技术的发展。国内汽轮机制造业，由于受进口机床价格高，加工编程复杂等因素影响，五坐标联动加工中心应用还不广泛，如国内主要汽轮机制造厂，其五坐标联动机床的主轴总数仅为50余根，而航空发动机厂、鼓风机厂也仅有少量的几台。东方汽轮机厂原有的五坐标联动的主轴远不能满足工厂生产要求。为满足东汽厂叶片生产能力的需要，同时降低叶片制造成本，东汽厂领导本着振兴民族机床工业的理念，经过与北京机电院领导、技术、管理人员的多次论证，决定开发五坐标联动加工中心以取代昂贵的进口设备。为减少投资风险，机电院首先开发一台稍小规格五坐标联动加工机床 5C-VMC1250进行工业性试验，在充分掌握五坐标联动加工中心的性能特点、加工工艺要求、完善5C-VMC1250型五坐标联动加工中心在使用中存在的问题的基础上，进行大规格五坐标联动加工中心XKH1600 的批量生产。
2. 叶片的加工工艺分析
   叶片在工作中承受着高温、高压、极大的离心力和蒸汽的交变应力。为了保证汽轮机的效率和叶片在使用中的安全性，叶片的材料都较为特殊，如材料中含Ni、V、N等成分，硬度在360HB以上，强度s_0.02为800MPa以上，加工性较差，同时叶片汽道部分(通流部分)是一个光滑的空间曲面，其精度要求高，加工难度大。特别是大型汽轮机末级叶片(如40英寸动叶片)，其结构更为复杂，叶型扭转接近90°角，叶身中部有两个空间的凸台，叶根圆角部分由多个变直径的圆弧组成，传统的仿形铣、普通的三坐标或四坐标铣床都不能满足加工工艺要求。用普通数控铣床加工一方面受叶片结构的限制，刀具与工件容易产生干涉，另一方面加工效率低且为近似加工，加工质量不能满足要求，手工修整量较大，加工过程中需多次装夹，使用多台机床和专用工装才能完成相应的加工。目前，国内外大型汽轮机叶片基本上都采用五坐标联动机床加工，其加工效率比四坐标联动机床高1倍以上，能够实现一次装夹，完成包括型面、凸台、叶冠、叶根圆角等多个空间曲面的加工，比四坐标机床可节省12～15道工序，比常规叶片加工方法节省25道工序，加工质量稳定，工艺流程合理，生产组织方便。这种加工工艺是叶片加工先进、合理、高效的工艺手段，也是叶片加工技术的发展方向。
3. XKH1600型五轴联动加工中心在叶片加工中的应用
   图1 40英寸叶片结构简图
   1. 40英寸叶片的结构特点
      目前XKH1600型五轴联动加工中心加工的主要产品为600MW汽轮机末级动叶片(40英寸叶片)。现以该型叶片为例，简要介绍一下XKH1600五轴联动加工中心加工这种叶片的情况。
      该叶片叶身弯扭变化较大，在叶根处型线的曲率较大，叶顶处型线比较平坦，叶根与叶顶的型线角度几乎达90°。叶身的中间位置在内背弧型面上各有一个凸台。叶根圆角为非常复杂的混合曲面，叶根圆角在叶片高度方向上的各个位置，其R值是变化的，这给叶根圆角的造型和加工带来了一定的难度。
   2. 加工内容及加工状况
      首台XKH1600型五坐标联动加工中心于2003年11 月投入使用。机床每天工作24小时(东汽工作安排为四班三运转)，每周停机8小时用于机床维修保养，月工作时间为680小时左右。在XKH1600加工40英寸叶片的加工内容包括：叶身型面、内背弧凸台、叶根过渡圆角、叶冠过渡圆角及叶冠装配面型线。各加工部位在机床上的加工形式见图2～7。

3 前景及展望