汽轮机静叶片端面加工通用夹具设计应用

唐 坤，王新华，张俊辉

(东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

传统加工工艺方案已不能满足现有生产需求及市场化需求，与时俱进、降本增效是各行业发展方向及趋势，机械制造行业要求越来越高，充分利用先进技术优势、先进工艺方法、合理的加工策略，充分发挥人才优势，深挖技术潜力及提升人才创造力，将技术与创新有机结合起来，应用三维软件工具提高生产力，为产品质量保驾护航。工装夹具作为产品质量保证的重要工具，使用过程中的可靠性、稳定性、安全性及可操作性非常重要。为提高工件加工精度及稳定性，采用集成工序方案，既减少加工工序及物流转运，又节省调试时间，夹具扮演重要角色，通用夹具解决了产品工装通用及快速换模问题，快速换模节省了辅助时间，避免了制造过程中可能产生的不确定因素，实现了降本优化原则，促进了企业良性发展。

1 静叶片结构组成

静叶片由汽道型面、内环及外环3部分组成(见图1)，靠近转子中心端为内环，远离转子中心端为外环。汽道型面分别由出汽型面、进汽型面、内弧型面、背弧型面4部分组成。因功率参数指标的差异，静叶片在外形结构尺寸存在差异，通流大小由汽道型面安装角及有效长度尺寸而决定，静叶片装配面因共面或不共面存在落差尺寸，出汽侧面也因共面或不共面存在落差尺寸，不同级别的静叶片长度方向尺寸是一个变量值(长度方向尺寸=外环围带端面尺寸-内环围带端面尺寸)。

图1 静叶片组成

2 端面加工工艺方案分析

2.1 分散方案

分散工序加工方案一是采用线切割机床加工方案，先加工外环端面，后加工内环端面，存在二次装夹，过程中存在工序转换及机床转换，物料存在工序转运。缺点：加工效率低，加工后的表面粗糙度及轮廓度较差，加工完成后应增加抛光工序对表面进行抛磨处理，线切割加工产生的相关废料对环境污染较大，不利于环保要求。优点：由于加工过程中不受力，对工装要求相对较低，可节省工装制造成本。

分散工序加工方案二是采用加工中心机床加工，方案与线切割相同。缺点：每级叶片都设计专用的夹具，制造周期长且成本较高，采用模块搭建的方式，工装稳定性较差，进给量较小，效率相对较低，存在废品损失风险。优点：表面粗糙度及轮廓度较好，采用此方案总装后返修率占5%～8%。

2.2 集中方案

集中工序[1]加工方案：在机床上一次装夹，将内、外环端面一次加工成型。优点：加工效率高，加工质量稳定，加工精度高，加工表面粗糙度及轮廓度较好，避免了抛磨工序。缺点：在实施过程中对夹具的要求比较高，此类型产品几乎都是小批量生产，若每级叶片设计专用夹具，制造成本高且制造周期长。采用集成方案提高加工效率、降低制造成本的关键是同类型产品实现通用工装要求[2-3]。

3 端面加工影响

静叶片端面加工是产品成型前的关键工序，加工精度及稳定性对后序总装影响较大。影响因素有：1)辐射线相对内环围带端面位置度要求，导致相邻2只叶片装配后产生错位，出口面积不能满足设计图样要求；2)通流型面位置度不能正确安装到位；3)被加工面形成圆锥形，装配间隙达不到要求，影响装配后外观质量及机组通流性能。出现任何一项问题都应返修处理，返修时成本较高，此时叶片的价值比较高，实施过程中稍有不慎产生废品就会影响到后期总装，不仅会耽误交付周期，还会对企业造成负面影响，本工序重要程度非同一般。

4 通用夹具设计

4.1 定位基准分析

夹具的定位基准很重要，它关系到夹具的稳定性及可靠性，原则是优先选用平面，平面表面粗糙度要求相对较高，从分析静叶片结构特征来看，供选择的定位面较少，选择进汽边及背径向装配面定位时，夹具的高度尺寸较大，夹具的刚性及稳定性较差，装夹时易产生侧翻，不能满足夹具设计要求。选择出汽边及内径向装配面定位时，夹具高度尺寸小，刚性及稳定相对较好，能够满足夹具设计要求。通过分析得知，以静叶片内、外环内径向装配面作为第一基准，以内、外环出汽侧面作为第二基准；以通流侧壁面作为第三基准设计夹具方案。

4.2 加工机床分析

加工机床的选用非常重要，与制造成本也有必然的关联，此产品加工机床可选用立式或卧式加工中心。立式加工中心受机床结构及行程的限制，能够满足中小型叶片的加工，若外形轮廓尺寸较大则会产生干涉现象，实现通用性可行性不强，而卧式加工中心则可弥补其缺点，卧式通用夹具设计可行性相对较强，故按卧式机床设计通用夹具，设计最重要因素考虑到安全问题，如何做到加工过程中的安全性，避免机床与夹具产生干涉现象，应了解机床及附件相关技术参数，主要包括机床工作台尺寸大小、主轴轴向有效行程参数、主轴部件尺寸规格大小、机床各线性坐标轴及旋转坐标轴行程尺寸参数、运动方向及各轴的坐标方向，建立一套数控仿真系统，以成品长度较小的叶片做一套数控加工程序，之后在VERICUT软件中进行动态仿真模拟[4]，来确定夹具Y轴及Z轴方向的安全行程尺寸，Y轴尺寸不易过大，否则刚性及稳定性差，加工精度低，也不易过小，否则易产生干涉，存在撞机的风险。通用夹具设计应选择不同大小规格的叶片进行测试，根据测试情况获取仿真状态下空间尺寸，根据空间尺寸确定夹具轮廓外形尺寸，确保加工过程中的安全性及可靠性。

4.3 加工毛坯

加工毛坯根据叶片的外形尺寸及质量可分为两类：方钢及模锻毛坯[5]。方钢毛坯用于中小型叶片，叶片长度不超过450 mm，质量不超过40 kg，毛坯成本相对要高些。模锻毛坯用于大中型叶片，采用模具进行锻造，毛坯成本相对较低。2种毛坯到端面加工时已最接近成品状态，汽道型面及装配面、进出汽侧宽度均已加工完成，只有内、外环端面留有余量约3～5 mm，两端面分别留有30～40 mm工艺头。

4.4 夹具的设计

4.4.1 夹具结构

通过加工产品结构分析，实现通用夹具效果，夹具操作上应做到可调节功能[6]，可调的方向为3个：1)左右调节叶片长度方向尺寸；2)前后调节叶片宽度方向尺寸；3)上下调节叶片高度方向尺寸。通用功能需求分析，夹具结构为模块化装配式结构，内、外环定位件应做可调节导轨。为便于制造，定位件及主体件均采用板材件，板材厚度为50～65 mm即可。定位件与夹具体紧密贴合，安装时确保定位件侧面与夹具体底面垂直度要求、定位件底面与夹具体底面平行度要求。为方便工件的装卸，降低工装制造成本，侧面及顶面压紧板均采用可调式压板结构。

4.4.2 夹具精度

通用夹具相对使用的频率较高，存在的磨损频率也会随之增高，定位表面加工成型后应进行调质热处理，以提高夹具使用过程中的耐用度。为了提高快速换模速度，确保夹具的精度，起导向滑动作用的连接副选用H7/g6，相关定位件的平行度、平面度及垂直度要求不得大于0.03 mm。每种产品尺寸规格及结构会存在差异，夹具应根据加工产品实际尺寸作相应的调节，从而满足加工要求。

4.4.3 夹具结构件分析

夹具的结构支撑件厚度均为40 mm，连接底面增加20 mm的加强筋，为主要定位部件，对夹具的刚度及精度起到至关重要的作用，为确保结构部件是否满足设计要求，对夹具的支撑件进行有限元分析[7](见图2)，夹具设计位移量为0.03 mm，分析后的变形位移量为0.024 1 mm(见图2a)，夹具设计应力为120 MPa，分析结果为107.99 MPa(见图2b)，故结构件满足设计要求，备注：另一结构支撑件相对此件仅底部加强筋方向与之相反，其余完全相同。

a) 位移分析 b) 应力分析

4.4.4 夹具结构组成

夹具结构运用Creo Parametric软件不断优化改进[8]，通过动运仿真分析，最终形成了如图3所示的设计方案。夹具由主体底板、左支承板、圆柱销、右支承板、可调式长压板、螺钉1、螺钉2、十字定位键、垫块、可调式短压板、螺钉3、垫圈、T型块及吊环等部件组成。

4.4.5 夹具调节

将叶片置于夹具定位面，通过调整左支承板及右支承板左右位移关系，从而获得长度方向的尺寸调节；通过调整左支承板及右支承板前后位移关系，从而获得宽度方向的尺寸调节；垫块为活动件，调整垫块高度位移尺寸，从而获得高度方向的尺寸调节。圆柱销与通流侧壁面贴紧，控制叶片长度方向的位置度。产品校模找正方法，将夹具放置机床工作台之上，用百分表找正内、外相对落差尺寸，平行度及平面度相关要求，锁紧所对应的螺钉1、螺钉2及螺钉3即可，夹具侧面定位可通过卧式机床上旋转B轴进行调节。

图3 夹具结构图

4.4.6 夹具方案对比

夹具方案对比如图4所示。图4a所示为传统线切割加工的工作状态，图4b所示为搭建的简易模块夹具工作状态，图4c所示为通用夹具工作状态。

a) 线切割夹具

b) 模块夹具

c) 通用夹具

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通用夹具经多个静叶片的加工测试，夹具的刚性强，装卸操作方便，达到了通用效果，加工出来的产品质量稳定可靠，进入总装时未产生错齿现象，装配间隙也完全满足设计要求，合格率达到100%。

2)通用夹具设计大、中、小3种规格即可满足所有静叶片工装夹具要求，相对节省了制造及设计成本，优化了人力资源，降低了工作强度，为工装管理提供了便利。

3)通用夹具使不同级别静叶片快速换模[9]效率提升了50%，由于进给量增大，加工效率提升了[10]50%，避免转运过程中磕碰问题，为外观质量提供了保障。