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精密制造与自动化 2023年第1期 62 汽轮机叶槽加工工艺优化 马海涛（上海市高级技工学校 上海 200437）摘 要 以 T 型槽加工为例，介绍了 T 型槽加工工艺，主要内容包括典型重复特征参数化、标准化，在数控程序中加入刀具检测程序段和断点切入程序段。优化后的工艺在汽轮机的加工中获得了较好的效果，提高了编程效率，减少了刀具使用错误率。关键词 叶槽 加工工艺 汽轮机 1 1 引引言言 汽轮机是用于发电的大型设备，通过蒸汽推动叶片带动发电设备进行发电。叶槽连接叶片与发电设备，是装配汽轮机叶片的重要结构，其精度要求高、结构复杂，同时保证汽轮机运转的低噪音和安全高效。叶槽可以根据叶根的类型分为直齿榫齿槽、圆弧榫齿槽、T 型槽、菌型槽、圆柄槽、叉齿槽、燕尾槽等，其加工设备可以采用专用铣床1、线切割、车床2等。专用铣床加工叶槽需要采用成型铣刀完成，在精度要求高的情况下，还需要对成形铣刀做进一步改进3。这就使得制造成本大大提高，生产效率低。线切割机床加工叶槽虽然不使用成形刀具加工叶槽，缩短了工艺准备时间，但机床不具备旋转机构，且工作台面积较小，需要对现有机床改进4才能进行加工，这需要更高的技术要求。立式车床加工叶槽成为首选工艺设备，但零件尺寸大，加工时间长，加工过程中仍存在许多工艺问题，需要进一步优化。2 2 叶槽加工工艺分析叶槽加工工艺分析 叶槽结构复杂，种类多，规格多，加工时间特别长，且存在大量相似重复的走刀，对刀具的性能是一次考验。因此，在叶槽的加工过程中，刀具健康状态是影响叶槽加工的首要因素。长时间的加工使得刀具磨损大，影响加工精度。刀具易损坏，影响加工进度。更换刀具后，仍需对已加工好的特征走空刀，影响加工效率。叶槽结构大都是单一特征重复组合而成，其加工工艺一致，数控编程程序也具有极高的相似度。同类型叶槽在加工过程中，结构相同，但尺寸不同，传统的数控编程易出现数据计算错误、加工操作人员易错误使用刀具等问题。3 3 叶槽加工工艺优化叶槽加工工艺优化 针对上述问题，使用模块化循环子程序对重复的单一特征进行数控编程，可以提高编程效率；增加刀具参数检验程序可以保证刀具的正确使用；加入断点切入功能，在刀具损坏处继续进行加工，减小刀具损坏对加工的影响，提高加工效率。3.1 3.1 加工程序模块加工程序模块 以 T 型叶槽为例，其结构如图 1 所示。参考西门子数控系统自带的标准循环子程序，结合上海汽轮机厂实际需求，编制了叶槽加工子程序，在程序中加入刀具参数校验保护、参数出错报警、断点切入等功能。利用该程序可以加工不同规格的标准槽型和非标槽型，实现了不同加工工步的全覆盖，提高了编程效率以及加工过程中的安全性。加工程序模块调用格式如下：QF_CYCLE_T(FORM,STEP,SPD_B,SPD_6,SPL,SPL_R,VARI)其中，FORM 为槽规格及其标注方式。STEP为工步号，分别对应T型槽加工工步子程序。SPD_B为基准内圆尺寸，即图 1 中尺寸 X1。SPL 为用于定位 T 型槽下平面尺寸，即图 1 中尺寸 Z1。SPD_6:T型槽下平面内圆尺寸，即图 1 中尺寸 X2，该尺寸与T 型槽的规格尺寸无关。SPL_R 为图 1 中尺寸 Z2，该尺寸用于复核校验 T 型槽槽型规格准确性。VARI为断点切入的切入点。将 T 型槽加工分为 12 个工步，每个工步独立 马海涛 汽轮机叶槽加工工艺优化 63 编制子程序，对应不同的功能，如表 1 所示。其中，在工步 0、1、2、4、9、10、11 中嵌套校验模块，校验直槽和弯槽割刀的刀具参数。在工步 3、6、7、8 中对刀具的刀尖圆弧进行验证，确保程序与加工 使用的刀具一致。在工步 6、7、9、10、11 中嵌入断点切入程序段，保证加工的连续性和高效率。X1（a）第一种标注方式（b）第二种标注方式X1X2Z2Z1X1X2Z1Z1X1Z1槽型槽型槽型槽型 图图 1 T 型槽结构型槽结构 表表 1 T 型槽子程序功能对照表型槽子程序功能对照表 子程序名 程序功能 备注 工步 0 粗加工割直槽 粗、精加工零点的统一 工步 1 细割槽底 0.4mm 余量 工步 2 粗割开档 1mm 余量 工步 3 圆头刀粗车槽底 R 0.5mm 余量；圆心对刀 工步 4 细割开档 0.2mm 余量 工步 5 修正 SPL_R 槽型没有工步 5 工步 6 细割上部弯槽 圆心对刀 工步 7 细割下部弯槽 圆心对刀 工步 8 精车槽底 R 圆心对刀 工步 9 精车肩胛 工步 10 弯头割刀精车上弯槽 工步 11 弯头割刀精车下弯槽 3.23.2 刀具宽度校验程序段刀具宽度校验程序段 刀具宽度校验是校验使用刀具与程序刀具是否一致。是根据输入的刀具代码从机床系统中获得对应的刀具参数；在预设坐标系下，计算刀具与所加工工件之间的偏置值；判断刀具与所加工工件之间的偏置值是否高于预设阈值；若高于预设阈值，则系统发出警报。刀具宽度校验程序段如下：CYCLE_T_T_T:SPD_1=SPD_1-MARG*2 SPD_4=SPD_4-MARG*2 SPL_1=SPL_1+MARG SPL_2=SPL_2-MARG Z_DW=$TC_DP43,1 Z_UP=$TC_DP43,2 WIDG=Z_DW-Z_UP IF(WIDG=19.20)GOTOF QF_GT_3 ENDIF 3.33.3 刀尖圆弧校验程序段刀尖圆弧校验程序段 工步 3 加工内容是：使用圆头刀加工圆弧，直至刀具中心和槽底圆弧中心重合；圆头刀以圆弧中心扩大圆弧，直至圆弧粗加工尺寸。在该工步中，加入圆头刀刀具圆弧半径的验证指令，即加工刀具圆弧半径必须应该与程序的刀具半径相匹配，否则程序报警。如在加工中有报警出现，优先检查当前刀具的圆弧半径。刀尖圆弧校验程序段如下：N588 CYCLE_T_T3 RAD_PC=$TC_DP63,1 从系统提取的当前刀片半径 IF RAD_PCRAD_S GOTOF QF_GT_3 ENDIF IF RAD_PCRCI-1 GOTOF QF_GT_3 ENDIF 3.4 3.4 断点切入程序段断点切入程序段 工步 6 中，由于粗车弯槽循环切削加工刀数多，如果中途遇到换刀等情况，需要在原先断点处继续切削，为了节约时间提升加工效率，避免出现重复走刀，所以在该工步设计了断点切入功能。在主模块中设置 VARI 参数，该参数表示的是当前加工层数，在加工时由“MSG”功能提示信息。当 VARI=100，精密制造与自动化 2023年第1期 64 表示精加工最后一刀，明确断点所处的切削层数，把该数据填入 QF_CYCLE_T 的最后一个参数（参数 VARI。）如果是最后一刀（精加工轮廓），那么只要把参数 VARI 改为 100 即可，最后执行程序。需要注意的是，在应用断点切入功能后，必须把变量 VARI 的数值改回初始值“0”。工步 6 断点切入程序段如下：IF VARI=0 VARI=1 ENDIF VARI_1=VARI 当前加工位置(层数可以修正，当“VARI_1=100”则精加工最后一刀)VARI_1=TRUNC(VARI_1).IF(VARI_1MID_Z)AND(VARI_1100)GOTOF QF_GT_2 ENDIF .VARI_1=VARI_1-1 IF(VARI_1+1)=100 GOTOF CYCLE_T_T63 ENDIF IF(SPL_M-VARI_1*MID_21)SPL_X GOTOF CYCLE_T_T62 ENDIF 工步 9 是使用双头菱形偏刀精割槽宽及肩胛，其加工刀路如图 2 所示。在实际加工过程中，加工完槽子开档发现刀具损坏或加工尺寸没有达到图纸要求，需要修正，可以使用断点切入功能。在该工步中，VARI参数是指精车肩胛的四步。若VARI=101，则从开始加工(即程序从头开始执行)；若VARI=102，则跳跃至开始加工；若 VARI=103，则跳跃至开始加工；若 VARI=104，则跳跃至开始加工。需要注意的是，在应用断点切入功能后，必须把变量 VARI 的数值改回初始值“0”。工步 9 断点切入程序段如下：IF VARI=0 VARI=101 ENDIF IF(VARI101)AND(VARI102)AND(VARI103)AND(VARI104)GOTOF QF_GT_4 ENDIF CASE(VARI)OF 101 GOTOF CYCLE_T_T91 102 GOTOF CYCLE_T_T92 103 GOTOF CYCLE_T_T93 104 GOTOF CYCLE_T_T94 对 VARI 进行判断 CYCLE_T_T91 MSG(精加工下部 SPD_B肩胛内圆，轴向尺寸 Z=-SPL_2，断点切入参数定义为-101).图图 2 刀刀路路图图 断点切入功能还可以对磨损后的叶槽进行修整，叶槽定位装夹后，输入断点切入变量 VARI 值，数控加工程序自动跳转到需要加工位置进行加工。4 4 结语结语 汽轮机叶槽的加工是复杂的，为了保证加工精度的要求，降低成本，在不更新机床设备的前提下，利用机床编程系统，对叶槽加工工艺进行优化。对典型重复特征使用参数化、标准化子程序编程提高数控编程效率，在程序模块加入刀具检测确保刀具正确使用，断点切入程序段，保证中途换刀可以继续进行加工，同时还使用断点切入修整工件。该工艺在上海汽轮机厂取得了较好的效果，据统计，进 行上述工艺优化后数控程序员的编程效率提高了 50%，机床操作员在刀具使用方面错误率降低了50%，生产效率提高了 30%。参考文献 1 王红海,庄乾才,马德鹏,等.外包 T 叶根动叶片加工工艺的研究J.汽轮机技术,2022,64(05):397-400.2 张登才,易泰勋.核电转子叉型轮槽车削技术研究J.东方汽轮机,2010(04):62-64.3 葛春新,黄轶群,周炜.燃气轮机静叶外环轮槽加工刀具的改进J.热力透平,2013,42(03):200-203.4 王超,云健,石龙飞.线切割燕尾形静叶榫槽工艺装备改造J.汽轮机技术,2009,51(03):236-238.