绝对干货,燃气轮机叶轮高精度拉杆孔加工

# 01

序言

涡轮叶轮作为燃气轮机的核心零部件，结构复杂，加工精度要求高，其工艺开发及成品制造更是关键中的关键。其中，拉杆孔作为相邻叶轮之间的连接结构，其重要性不言而喻[1-3]。

如图1所示，涡轮叶轮采用级间圆弧端面齿啮合连接，通过盘面12个周向分布的拉杆孔穿入拉杆的方式装配成转子。因圆弧端面齿具有自定心功能，相邻两级叶轮啮合后无法调整拉杆孔的位置，因此对拉杆孔的位置度提出了极高的要求。

图1　涡轮轴系连接示意

拉杆孔孔径42mm，一般采用钻镗的加工方式，其最大长径比超过5倍径，表面粗糙度值要求Ra=1.6μm，对镗削加工提出极大挑战。

# 02

解决方案

针对以上提出的高难度加工要求，主要从高精度位置度和高难度镗削两方面进行攻关。

2.1 拉杆孔位置度加工工艺

图样对拉杆孔的要求为：φ42.58mm，位置度φ0.12mm，圆柱度0.012mm。为保证装配顺利，工艺要求提高为：φ42.58mm，位置度φ 0.05mm，圆柱度0.012mm。故需进行工艺试验验证。该试验模拟叶轮拉杆孔孔加工，试件结构如图2所示。选用镗铣床，装夹采用角铁搭压板的方式，试件竖直装夹。

图2　拉杆孔试件

（1）传统轴向分布孔加工方式  找正方式为杠杆百分表“翻中心”，找出天地左右4点位置，确定圆心，按φ420mm节圆，采用T钻打底孔，精镗拉杆孔。

1 ）三坐标检测结果。位置度最大值为0.0756mm，外圆D600mm圆度为0.0056mm（见表1）。

表1　第1次三坐标检测数据

2）数据整理。如图3所示，孔的位置整体向Y正方向偏移。

图3　三坐标检测数据示意

3）数据分析。以图3中I位置示意为例，X向偏差较少，偏移量在0.01mm左右；Y向偏差较大，偏移量在0.035mm左右。Y向为位置度偏差主影响因素。若排除Y向偏移量0.03mm，位置度情况会有较大改善，实测点的整体轮廓度较好，由此可见机床自身重复定位精度较好。三坐标检测数据转换后的角度数据见表2，可明显发现主要偏移在Y向。

表2　第1次三坐标检测转换数据 [单位：（°）]

4）可能原因分析。X向找正方式为：杠杆百分表触碰试件左右方向外圆两点，确定水平方向；Y向找正方式为杠杆百分表触碰试件上下方向外圆两点，确定竖直方向，以此来确定试件中心位置。在这里，Y向百分表触碰上下外圆两点时，因百分表触针重力影响，可能会产生滞后或回缩，导致实际位置和表显位置出现偏差，孔加工完成后，可能是引起Y向偏差的主要因素。另外，百分表的精度为0.01mm，其误差也会影响Y向偏差，为次要影响因素，影响量较小。而X向在水平方向，无重力引起的相对位置偏差，其影响因素为百分表本身的精度误差，影响较小，表现较好。

（2）改进方法  采用上述杠杆百分表“翻中心”的方式，找出中心，初镗对称位置的两个孔。百分表通过机床走行程的方式测每个方向外圆点到孔最远端的尺寸，然后将X向和Y向的两组数据分别相减，得到X向和Y向的偏差值，并对其进行补偿，最后精镗12孔。

如图4所示，X向补偿X ^'=（X₂-X₁）/2，Y向补偿：Y^'=（Y₂-Y₁）/2，坐标零点按X ^'、Y^'进行补偿。该方法测得数据为相对值，可以排除重力对百分表的回缩影响，同时因测量为同一百分表，亦可排除量具精度误差的影响。精镗后再次用三坐标复验位置度数据。基于以上方法进行第2次位置度加工试验。加工状态如图5所示。

图4　坐标补偿示意

a）状态1 　　　　　　　 b）状态2
图5　加工状态

1 ）三坐标检测结果。位置度最大值为0.0501mm（见表3）。

表3　第2次三坐标检测数据

2）数据整理。第2次三坐标检测转换数据见表4。

表4　第2次三坐标检测转换数据 [单位：（°）]

3）数据分析。孔的主要偏移方向为X负向和Y正向，节圆圆度较好。基于此加工方式，位置度有一定提升。

（3）二次改进方法 基于以上方法进行第3次位置度加工试验，同时进给方式改为台面进给。

1 ）三坐标检测结果。位置度最大值为0.0269mm，12只孔的节圆圆度为0.0106mm（见表5）。

表5　第3次三坐标检测数据

2）数据整理。第3次三坐标检测转换数据见表6。

表6　第3次三坐标检测转换数据 [单位：（°）]

3）数据分析。孔的节圆圆度较好。此加工方式使拉杆孔的位置度提升明显。

2.2 高难度孔加工探究

涡轮第4级叶轮材料为21501-5（工厂牌号），Cr、Ni含量高，材料切削性能差，拉杆孔长径比超过5倍径，镗削加工难度大。

此次试验基于叶轮同质材料试块，设备选用同一台镗铣床。

1）瓦尔特模块式镗刀杆。采用常规镗刀在加工长径比大的孔时，表面振纹明显，加工不理想。切削参数见表7。

表7　切削参数1

2）选用抗振阻尼镗刀杆。切削参数见表8。京瓷刀片在使用时磨损较快，故采用抗振阻尼镗刀杆+特固克TCMT 110204 FG CT3000（或山特维克可乐满TCGT 110204L-K1125）组合的方式加工此类深孔，加工质量对比较好。表面质量对比如图6、图7所示。

表8　切削参数2

图6　表面质量较差情况

图7　表面质量较好情况

# 03

高精度拉杆孔加工工艺在涡轮叶轮上的应用

3.1 装夹方案

叶轮采用角铁搭压板的方式，竖直装夹。装夹前，保证角铁竖直面和机床Z轴垂直度。通过V形块高度及叶轮外形尺寸，计算确定搭垫块的位置。所有与工件接触的位置均采用铜包铁的方式保护（见图8）。

图8　涡轮叶轮装夹方式

装夹后，找正叶轮搭压板位置的端面天地左右4点，误差≤0.01mm。

3.2 加工路线

涡轮叶轮拉杆孔加工工艺路线为钻底孔→粗镗→精镗。首先，使用传统找正方法，完成拉杆孔的加工、半精加工。其次，使用杠杆百分表和机床X轴、Y轴分别测出A、B和C、D长度数据（见图9），使用内径千分尺测出两孔径D₁（φ42.3mm）、D₂（φ42.4mm）。

图9　坐标补偿数据

X轴偏移量为[（A－D₁/2）－（B－D₂/2）]/2，Y轴偏移量为[（C－D₁/2）－（D－D₂/2）]/2。

图9数据为实际加工测出的数据，X轴：111.24‒（42.3/2）=90.09（mm），111.34‒（42.4/2）=90.14（mm），X轴偏移量（90.14‒90.09）/2= 0.025 （ mm ），即机床X轴零位向正向调整0.025mm。Y轴：321.25 ‒（42.4/2） =300.05（mm），321.33‒（42.3/2）=300.18（mm），Y轴偏移量（300.18‒300.05）/2=0.065（mm），即机床Y轴零位向负方向调整0.065mm。

最后，通过以上计算得出，将工件圆心X正向调整0.025mm，Y负向调整0.065mm。以得出的新圆心进行12只孔的精加工。

3.3 应用效果

通过该工艺方法完成拉杆孔加工的叶轮，在端面齿自定心啮合后，相邻两级叶轮的拉杆孔同轴度较高，拉杆可自由穿插，燃机转子顺利完成装配。

# 04

结束语

燃气轮机叶轮高精度拉杆孔加工工艺的攻关，为燃机转子装配提供保障。同时，该工艺可广泛应用于各类轴向阵列孔的加工，能有效提高零件加工质量，提升产品的装配精度。

参考文献：

[1] 孟少农. 机械加工工艺手册（第3卷）[M]. 北京：机械工业出版社，1992.
[2] 王先逵. 机械制造工艺学[M]. 北京：机械工业出版社，1995.
[3] 何世禹. 机械工程材料[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.