熊小聰 李啟元 王龍清 劉波 周云波 胥家良 包興進(jìn) 董強(qiáng)

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

0 前言

1 400 mm 長(zhǎng)度等級(jí)的鈦合金葉片（以下簡(jiǎn)稱(chēng)葉片A） 是公司為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力， 自主研發(fā)的百萬(wàn)機(jī)組末級(jí)超長(zhǎng)葉片。 該葉片運(yùn)用于某1 000 MW 等級(jí)超超臨界二次再熱機(jī)組， 是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的用于火電機(jī)組的全轉(zhuǎn)速鈦合金葉片。 葉片為“樅樹(shù)型葉根、 整體凸臺(tái)、 整體CCB 圍帶” 結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）， 葉身細(xì)長(zhǎng)， 整體剛性弱， 制造過(guò)程中葉身型面極易產(chǎn)生較大變形。 因該葉片材料特殊，采用機(jī)械校形來(lái)滿(mǎn)足型面位置度設(shè)計(jì)要求的方式已不適用， 需通過(guò)研究新工藝方法保證產(chǎn)品加工質(zhì)量。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)示意圖

1 優(yōu)化補(bǔ)償加工方法研究

1.1 方案可行性分析

樅樹(shù)形葉片以葉根榫齒作為基準(zhǔn)進(jìn)行裝配（見(jiàn)圖2）， 葉片制造時(shí)型面檢測(cè)基準(zhǔn)應(yīng)同裝配基準(zhǔn)一致。 葉片機(jī)械加工時(shí)采用“先汽道后葉根” 加工方案[1]（見(jiàn)圖3）， 當(dāng)葉根榫齒加工前物料處于充分變形狀態(tài)時(shí)通過(guò)調(diào)整葉根加工方法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最終狀態(tài)型面位置度優(yōu)化調(diào)整。

圖2 葉片裝配

圖3 “先汽道后葉根” 葉片加工

葉片未加工葉根榫齒前， 以葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面及端面缺口作為檢測(cè)基準(zhǔn)（見(jiàn)圖4）， 根據(jù)3-2-1 原則建立檢測(cè)坐標(biāo)系， 獲取葉片各截面型面位置數(shù)據(jù)。 葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面的矢量方面決定檢測(cè)坐標(biāo)系的方向， 實(shí)際檢測(cè)坐標(biāo)系將決定各截面位置檢測(cè)數(shù)據(jù)， 故通過(guò)調(diào)整構(gòu)建實(shí)測(cè)坐標(biāo)系平面的空間位置可以使截面檢測(cè)結(jié)果發(fā)生改變。 葉身榫齒以葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面為定位進(jìn)行加工， 加工完成后以葉根榫齒建立的實(shí)測(cè)坐標(biāo)系同葉根背面、 葉根出汽側(cè)面構(gòu)建的坐標(biāo)系理論上一致， 故通過(guò)調(diào)整葉根加工可調(diào)整葉片最終型面位置度。

圖4 三坐標(biāo)檢測(cè)基準(zhǔn)

1.2 綜合誤差控制算法

物料經(jīng)三坐標(biāo)檢測(cè)后， 可得到各截面型面偏移數(shù)據(jù)STACK X 和STACK Y（見(jiàn)圖5）， 將截面高度和X 向偏移量STACK X 組成坐標(biāo)點(diǎn)集， 將截面高度和Y 向偏移量STACK Y 組成坐標(biāo)點(diǎn)集。 當(dāng)是一個(gè)N點(diǎn)的集合， 其中橫坐標(biāo)｛xk, ｝是確定時(shí)可以求得滿(mǎn)足均方根誤差E2（f）最小的擬合曲線(xiàn)y=Ax,+B【2】。 通過(guò)分別求取X 向和Y 向的最小二乘擬合曲線(xiàn)， 根據(jù)直線(xiàn)斜率A 推算葉根加工時(shí)葉根背平面、 葉根出汽側(cè)面與原始狀態(tài)的角度差異， 定制葉根加工調(diào)整方案。

圖5 最小二乘擬合曲線(xiàn)

最小二乘擬合直線(xiàn)方程：Y=AX+B， 誤差函數(shù)（見(jiàn)圖6）為：

分別對(duì)A，B求偏導(dǎo)并置零， 求取關(guān)于A，B的線(xiàn)性方程組：

1 450 mm 葉片加工時(shí)， 采用的擬合直線(xiàn)曲線(xiàn)為y=ax， 故線(xiàn)性方程組為：

圖6 點(diǎn)（Xk,Yk）與最小二乘擬合直線(xiàn)Y=AX+B 的離差距離

利用MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)單只葉片已知點(diǎn)集坐標(biāo)的擬合直線(xiàn)方程y=ax求解， 獲取加工所需的傾斜度a。

2 實(shí)施方案

2.1 三坐標(biāo)數(shù)據(jù)提取與擬合曲線(xiàn)求解

利用Blade 分析軟件將三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果導(dǎo)出為*.CSV 格式輸出， 數(shù)據(jù)中包含型線(xiàn)位置度、 輪廓度、 最大厚度等檢測(cè)數(shù)據(jù)； 基于EXCEL 平臺(tái)開(kāi)發(fā)“三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果趨勢(shì)分析” 軟件， 對(duì)*.CSV 格式文件進(jìn)行自動(dòng)讀取， 以表格的形式對(duì)數(shù)據(jù)匯總、分析， 并可實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)判斷及合格率分析， 快速生成曲線(xiàn)擬合所需點(diǎn)集的數(shù)據(jù)文件。 基于MATLAB 平臺(tái)開(kāi)發(fā)基于最小二乘擬合曲線(xiàn)解析算法， 求解每只葉片的X、 Y 向擬合曲線(xiàn)； 利用EXCEL 表格公式計(jì)算功能對(duì)結(jié)果進(jìn)行二次評(píng)估及明確現(xiàn)場(chǎng)加工調(diào)整方案。 構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、 分析、 優(yōu)化計(jì)算、 調(diào)整數(shù)據(jù)復(fù)核的數(shù)據(jù)處理流程， 如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

2.1 工藝方案

葉根齒形以葉根中間體背平面、 葉根出汽側(cè)面定位進(jìn)行加工， 因型線(xiàn)位置調(diào)整涉及X、 Y 兩個(gè)方向， 故通過(guò)臥加設(shè)備實(shí)施定制的葉根兩側(cè)加工方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)X 向截面位置度的調(diào)整， 通過(guò)磨床設(shè)備調(diào)整加工時(shí)葉根背平面的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)Y 方向截面位置度的調(diào)整。 經(jīng)兩側(cè)加工和齒形磨削工序協(xié)同， 最終實(shí)現(xiàn)型線(xiàn)位置度綜合誤差控制的加工調(diào)整。

以葉根背平面為主定位進(jìn)行裝夾（見(jiàn)圖8）， 加工前對(duì)葉根出汽側(cè)面進(jìn)行找正后整體旋轉(zhuǎn)擬合分析角度進(jìn)行兩側(cè)面加工， 達(dá)到調(diào)整檢測(cè)坐標(biāo)系X向矢量偏差的目的。 加工后對(duì)葉片型面進(jìn)行再次三坐標(biāo)檢測(cè)， 結(jié)果顯示： 截面X 位置度數(shù)據(jù)得到明顯改善并與預(yù)測(cè)結(jié)果比較相近（見(jiàn)圖9）， 具有實(shí)施的可行性。 磨削榫齒型線(xiàn)時(shí)可采用類(lèi)似方法對(duì)Y 方向截面位置度進(jìn)行調(diào)整。

圖8 葉根側(cè)面加工夾具方案

圖9 X 向偏差調(diào)整結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)施基于多工序協(xié)同的型線(xiàn)位置度綜合誤差控制加工方法， 已加工的400 多件1 400 mm長(zhǎng)度等級(jí)的鈦合金葉片型線(xiàn)位置度均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。 該加工方法在特定條件下可以避免采用傳統(tǒng)機(jī)械校形， 改善葉片型線(xiàn)位置度的同時(shí)讓葉片本體應(yīng)力水平更加均勻， 有利于避免應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的葉片開(kāi)裂。