某型空气透平进气段涡壳加工工艺设计

孔祥洪 胡建军

东方汽轮机有限公司 四川德阳 618000

某型空气透平是透平通流技术研究创新所必须的基础研究平台，是实现透平核心技术重大突破的所必备的基础设施。该机组为轴向进气，无喷嘴结构。为提高机组效率，其轴承等零件需安装在进气段涡壳内。

进气段涡壳为焊接结构件，外形为流线形，内部安装汽封、轴承，结构复杂。通过对该涡壳加工工艺性分析，选择合适的加工设备，设计合理的工艺流程、数控程序，并制作少量专用工装，加工出合格产品，满足了生产需要[1]。

1 结构特点

进气段涡壳结构简图如图1所示。

图1 某型空气透平进气涡壳结构简图

进气段涡壳为焊接结构件，安装在透平进气段轴承座外部，外部为流线型，内部有汽封结构、轴承结构，轴承座支撑筋需穿过涡壳支撑于汽缸内部，且支撑筋有型线。为满足安装要求，整个零件由进气涡壳上半、下半、导流器上半、下半4部分组成，导流器上半与进气涡壳上半把接成一体，导流器下半与进气涡壳下半把接在轴承座上，导流器上下半有连接螺栓。工件上下半外形一致，内部结构不对称。安装汽封圈用T型槽需与机组通流部件同轴。

进气涡壳整体外形尺寸：Φ829×880，重525Kg，整体外形表面粗糙度Ra3．2。四部分需把合后加工外形，加工后的壁厚理论值为18mm，连接螺栓规格为M10，工件刚性差，连接螺栓把紧力小，不足以克服工件变形。

2 机械加工工艺方案设计

2.1 总体加工方案的制定及结构设备选择

根据进气段涡壳结构及工艺性分析，工件加工工艺的关键控制点有三处：

（1）焊接薄壁件变形控制；

（2）进气涡壳椭球面整体加工及精度保证；

（3）安装汽封圈用T型槽与机组通流部件同轴度控制。

为保证精加工后尺寸稳定，考虑焊接时按工件结构分为四件焊接，粗加工时将导流器与涡壳上下半分别搭焊为整圆，并整体进炉热处理，热处理后再拆开上下半，检查变形情况。粗加工留量不宜过大，但也需留足。综合考虑工件结构、外形尺寸等因素，定粗加工余量为单边4mm。

进气涡壳椭球面整体加工，需进行设备选型并设计夹具。根据现有设备，可选用卧车或立车加工。如选择卧车加工，则工件成悬臂状态，但机床转速高，表面粗糙度易保证；如选择立车加工，工件装夹简单，状态好，但整体加工时工件与芯座高度之和约920mm，需要在Φ2．5m立车加工，工作台最高转速较低，靠近工件中心部分表面粗糙度下降。最终确定采用Φ1．6m立车粗加工、卧车精加工的工艺方案，兼顾加工效率与加工精度。工件装夹需设计芯座，避免装夹变形，保证外形加工无接刀；设计工艺连接板，代替连接进气涡壳下半与进气段下半的轴承座[2]。

T型槽如按进气涡壳本身中心加工，因进气涡壳与机组进气段轴承座等接配产生的误差累积，可能与进气段内孔不同心。需将进气涡壳与机组进气段对中、接配后，按机组进气段内孔、端面找正后加工T型槽。

根据以上分析及现有设备情况，确定加工设备及分工：

数控立车，型号SVT160×10/8L-NC，最大车削直径1．6m，最大加工高度1m，最高转速315r/min，数控系统为SINUMERIK 840D。粗车外形、精加工内孔、端面。

数控卧车，型号CKQ61100，最大车削直径1m，最大车削长度1．4m，最高转速710r/min，数控系统FANUC 0i-TC。精车外形。

数控镗铣卧式床，型号TK6513/20，主轴直径Φ130mm，回转工作台2m×2m，最大加工高度2m，数控系统为SINUMERIK 840D。各接配面、连接螺栓孔、销孔加工；穿支撑筋椭圆孔加工。

数控落地镗铣床，型号TK6916B，主轴直径Φ160mm，回转工作台2．5m×3m，固定工作台4m×5m，最大加工高度3m，数控系统为SINUMERIK 840D。机组各段接配后T型槽加工。

2.2 进气涡壳加工简要工艺流程

根据进气涡壳总体加工方案的细化，设计了某型空气透平进气涡壳加工的详细工艺方案，分为导流器、进气段涡壳两部分。设备SVT160×10/8L-NC简写为SVT160；TK6513/20间写为TK6513[3]。

2.2.1 导流器加工简要流程

（1）焊接毛坯来料，在端面焊工艺压板搭子并搭焊上下半。

（2）SVT160：车外形，单边留4mm精加工余量。

（3）热处理。

（4）钳工分开上下半。

（5）划线，检查工件变形，确认加工余量。

（6）TK6513：铣准水平中分面。

（7）钳工去除端面搭子。

（8）在上下半水平中分面外侧焊压板搭子。

（9）TK6513：分别铣准上下半垂直端面，钻端面上连接孔。

导流器外形加工安排在进气段涡壳与导流器把合后加工。

2.2.2 进气段涡壳加工简要流程

（1）接毛坯来料，对齐上下半，搭焊成整体。

（2）SVT160：车外形、内孔，均单边留4mm精加工余量。

（3）热处理。

（4）钳工分开上下半。

（5）划线，检查工件变形，确认加工余量。

（6）TK6513：铣准水平中分面，加工中分面连接螺栓孔，加工上下半立车基准。

（7）合并上下半，装中分面定位销及连接螺栓。

（8）SVT160：车准大端面、内孔，T型槽不加工。

（9）钳工分开上下半。

图3 连接板示意图

图4

（10）TK6513：分别铣准上下半两侧垂直端面，钻端面上连接孔。

（11）钳工：将导流器上下半、涡壳上下半把合为整体并定位在芯座上。

（12）CKQ61100：夹芯座，车准椭圆外形。

（13）TK6513：立放，铣下半穿支撑筋的椭圆孔见图2。

图2 下半穿支撑筋的椭圆孔示意图

（14）钳工：拆开各零件及工装，各零件安装在进气段工作位置。

（15）TK6916B：找机组轴线，镗准进气段涡壳内安装气封圈用T型槽。

（16）钳工：机组解体，清理。有了详尽、合理的工艺流程，工件加工各项指标达到了设计要求。

3 工装设计

（1）连接板。根据图纸及技术要求，工件椭圆外形需整体加工。工件的工作状态是涡壳下半与导流器下半把紧在轴承座上，涡壳上半与导流器上半接配后与涡壳下半把紧。加工时需设计一个连接板代替轴承座。设计出连接板如图3。其中连接板厚度尺寸需按涡壳下半与导流器下半实际测量尺寸配车准，保证间隙在0．05mm以内。

（2）芯座。整体加工外形，装夹必须设计一个芯座，该芯座与工件有刚性连接，并有起吊结构，如图4。其中芯座定位圆尺寸需按涡壳内孔实际测量尺寸配车准，保证间隙在0．05mm以内。为提高工件时刚性，定位圆长度有45mm，并留有10mm导向用倒角。侧面M16起吊孔，作为工件与芯座整体接配后吊装在卧车加工用；中心M30螺孔穿螺杆、搭压板将涡壳与芯座压紧。

4 椭圆数控程序设计

该工件的外形加工需编制椭圆的车削程序，支撑筋的椭圆孔需编制椭圆的铣削程序。

椭圆车削可采用宏程序，也可采用参数编程。为使程序易懂、粗、精加工通用，采用了R参数手工编程。根据椭圆的参数方程，以R参数控制进行条件跳转，用直线插补拟合椭圆曲线。

X=bsin（α）

Z＝asin（α）

其中b为椭圆短轴，a为椭圆长轴，α为角度参数。零点设置：X零点：回转中心，Z零点：椭圆起始端面，刀尖编程。

以下为工件外形椭圆段精车程序清单：

粗车时，修改a、b值即可准确留量；调整步长以调整加工尺寸精度和表面粗糙度。参数编程简单、易懂，粗加工留量准确，加工精度也能满足工件精加工需求。

椭圆铣削程序编制的思路与此相同，配合数控镗床的旋转工作台，反复调用椭圆加工子程序，完成5个椭圆孔加工，不再详述。

5 结语

通过进气段涡壳加工工艺流程、工装、数控程序的研究，结合相关制造经验，研究总结出了一套完整的加工技术，解决了技术难题，实现了工件的经济、高效加工。