Bei der Entwicklung von Turbinenscheiben für Gasturbinen sind Spurstangenlöcher ein Schlüsselmerkmal für die Verbindung benachbarter Laufräder, und ihre Positionsgenauigkeit wirkt sich direkt auf die Montagequalität des Gasturbinenrotors aus. Die Bearbeitungstechnologie von Spurstangenlöchern in Gasturbinenradscheiben wird erforscht und soll durch hochpräzise Positionierung und schwierige Bohrbearbeitung technische Referenzen für die Bearbeitung von Spurstangenlöchern in Gasturbinenradscheiben liefern.
#01
Als Kernkomponente der Gasturbine weist das Turbinenlaufrad einen komplexen Aufbau auf und erfordert eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Die Prozessentwicklung und die Herstellung des fertigen Produkts sind der Schlüssel. Unter diesen dient das Spurstangenloch als Verbindungsstruktur zwischen benachbarten Laufrädern, und seine Bedeutung liegt auf der Hand [1-3].
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist das Turbinenlaufrad durch Zahneingriff zwischen den Bogenenden zwischen den Stufen verbunden und wird zu einem Rotor zusammengebaut, indem Zugstangen durch 12 über den Umfang verteilte Zugstangenlöcher auf der Scheibenoberfläche eingeführt werden. Da die Zähne am Bogenende eine selbstzentrierende Funktion haben, kann die Position des Spurstangenlochs nicht angepasst werden, nachdem die benachbarten zweistufigen Laufräder ineinandergreifen. An die Lage der Spurstangenbohrung werden daher äußerst hohe Anforderungen gestellt.
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Abbildung 1 Anschlussdiagramm des Turbinenwellensystems
Der Durchmesser des Spurstangenlochs beträgt 42 mm und wird im Allgemeinen durch Bohren und Bohren bearbeitet. Sein maximales Aspektverhältnis übersteigt das Fünffache des Durchmessers und der Oberflächenrauheitswert erfordert Ra=1,6 μm, was eine große Herausforderung für den Bohrprozess darstellt.
Angesichts der oben genannten Anforderungen an die Bearbeitung mit hohem Schwierigkeitsgrad konzentrieren wir uns hauptsächlich auf zwei Aspekte: hochpräzise Positionierung und Bohren mit hohem Schwierigkeitsgrad.
2.1 Technologie zur Verarbeitung der Spurstangenlochposition
Die Zeichnungsanforderungen für Spurstangenlöcher sind: φ42,58 mm, Position φ0,12 mm und Zylindrizität 0,012 mm. Um eine reibungslose Montage zu gewährleisten, werden die Prozessanforderungen erhöht auf: φ42,58 mm, Positionierung φ 0,05 mm und Zylindrizität 0,012 mm. Daher ist eine Prozesstestverifizierung erforderlich. Dieser Test simuliert die Bearbeitung von Laufrad-Spurstangenlöchern. Die Probenstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Es wird eine Bohr- und Fräsmaschine verwendet, die Klemmmethode ist eine Winkeleisen-Klemmplatte und die Probe wird vertikal eingespannt.
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Abbildung 2: Prüfstück für Spurstangenloch
(1) Die traditionelle Methode zur Bearbeitung axial verteilter Löcher besteht darin, die Mitte der Hebelmessuhr zu „drehen“, die 4-Uhr-Position links und rechts vom Himmel und der Erde zu ermitteln, den Mittelpunkt des Kreises zu bestimmen und zu verwenden Bohren Sie mit einem T-Bohrer das untere Loch gemäß dem Lochkreis von 420 mm und präzisionsbohren Sie das Spurstangenloch.
1) Ergebnisse der Drei-Koordinaten-Erkennung. Der maximale Positionswert beträgt 0.0756 mm, und die Rundheit des Außenkreises D600 mm beträgt 0,0056 mm (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1: Das erste Drei-Koordinaten-Erkennungsdatenbild
2) Datensortierung. Wie in Abbildung 3 dargestellt, verschiebt sich die Position des Lochs insgesamt in die positive Y-Richtung.
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Abbildung 3: Drei-Koordinaten-Erkennungsdatendiagramm
3) Datenanalyse. Am Beispiel der I-Position in Abbildung 3 ist die Abweichung in X-Richtung gering und der Versatz beträgt etwa 0.01 mm; Die Abweichung in Y-Richtung ist groß und der Versatz beträgt etwa 0,035 mm. Die Y-Richtung ist der Haupteinflussfaktor der Positionsabweichung. Wenn der Y-Richtungsversatz von 0,03 mm ausgeschlossen wird, wird die Positionierungssituation erheblich verbessert und die Gesamtkontur der gemessenen Punkte wird besser, was zeigt, dass die wiederholte Positionierungsgenauigkeit der Werkzeugmaschine selbst besser ist. Die Winkeldaten nach der Konvertierung der Drei-Koordinaten-Erkennungsdaten sind in Tabelle 2 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Hauptversatz in Y-Richtung liegt.
Tabelle 2: Die ersten Drei-Koordinaten-Erkennungskonvertierungsdaten [Einheit: (Grad)] Bild
4) Mögliche Ursachenanalyse. Die Ausrichtungsmethode in X-Richtung ist: Die Hebelmessuhr berührt zwei Punkte auf dem äußeren Kreis der Probe in der linken und rechten Richtung, um die horizontale Richtung zu bestimmen; Die Ausrichtungsmethode in Y-Richtung besteht darin, dass die Hebelmessuhr zwei Punkte auf dem äußeren Kreis der Probe in Auf- und Abwärtsrichtung berührt, um die vertikale Richtung zu bestimmen. Richtung, um die Mittelposition der Probe zu bestimmen. Wenn hier die Y-Richtungs-Messuhr die beiden Punkte des oberen und unteren Außenkreises berührt, kann es aufgrund der Schwerkraft des Messuhrenstifts zu Verzögerungen oder einem Rückzug kommen, was zu einer Abweichung zwischen der tatsächlichen Position und der angezeigten Position führt. Nachdem die Lochbearbeitung abgeschlossen ist, kann dies der Hauptfaktor sein, der eine Abweichung in der Y-Richtung verursacht. Darüber hinaus beträgt die Genauigkeit der Messuhr 0,01 mm, und ihr Fehler wirkt sich auch auf die Abweichung in Y-Richtung aus, die ein sekundärer Einflussfaktor mit geringem Einfluss ist. Die X-Richtung liegt in horizontaler Richtung und es gibt keine durch die Schwerkraft verursachte relative Positionsabweichung. Der Einflussfaktor ist der Genauigkeitsfehler der Messuhr selbst, der einen geringeren Einfluss und eine bessere Leistung hat.
(2) Verbesserungsmethode: Verwenden Sie die oben erwähnte Hebelmessuhr, um „die Mitte umzudrehen“, um die Mitte zu finden, und bohren Sie zunächst zwei Löcher an symmetrischen Positionen. Die Messuhr misst die Größe vom äußeren Kreispunkt in jeder Richtung bis zum äußersten Ende des Lochs durch die Bewegung der Werkzeugmaschine und subtrahiert dann die beiden Datensätze in X- bzw. Y-Richtung, um die Abweichungswerte in zu erhalten Die X- und Y-Richtung wird kompensiert und schließlich werden 12 Löcher präzisionsgebohrt.
Wie in Abbildung 4 dargestellt, erfolgt die Kompensation in X-Richtung. Bei den mit dieser Methode gemessenen Daten handelt es sich um relative Werte, die den Einfluss der Schwerkraft auf das Zurückziehen der Messuhr eliminieren können. Da es sich bei der Messung um dieselbe Messuhr handelt, kann gleichzeitig auch der Einfluss des Genauigkeitsfehlers des Messwerkzeugs eliminiert werden. Überprüfen Sie nach dem Feinbohren die Positionsdaten erneut anhand von drei Koordinaten. Basierend auf der oben genannten Methode wurde der zweite Positionsverarbeitungstest durchgeführt. Der Bearbeitungsstatus ist in Abbildung 5 dargestellt.
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Abbildung 4: Koordinatenkompensationsdiagramm
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a) Staat 1 b) Staat 2
Abbildung 5 Bearbeitungsstatus
1) Ergebnisse der Drei-Koordinaten-Erkennung. Der maximale Positionsgrad beträgt 0.0501 mm (siehe Tabelle 3).
Tabelle 3: Das zweite Drei-Koordinaten-Erkennungsdatenbild
2) Datensortierung. Die Konvertierungsdaten der zweiten Drei-Koordinaten-Erkennung sind in Tabelle 4 dargestellt.
Tabelle 4: Zweite Drei-Koordinaten-Erkennungskonvertierungsdaten [Einheit: (Grad)] Bild
3) Datenanalyse. Die Hauptversatzrichtungen des Lochs sind die negative X-Richtung und die positive Y-Richtung, und der Teilkreis weist eine gute Rundheit auf. Basierend auf dieser Verarbeitungsmethode wurde der Positionierungsgrad bis zu einem gewissen Grad verbessert.
(3) Zweite Verbesserungsmethode Basierend auf der obigen Methode wurde der dritte Positionsverarbeitungstest durchgeführt und die Zuführmethode auf Tischzuführung geändert.
1) Ergebnisse der Drei-Koordinaten-Erkennung. Der maximale Positionswert beträgt 0.0269 mm, und die Teilungsrundheit von 12 Löchern beträgt 0,0106 mm (siehe Tabelle 5).
Tabelle 5: Das dritte Drei-Koordinaten-Erkennungsdatenbild
2) Datensortierung. Die Konvertierungsdaten der dritten Drei-Koordinaten-Erkennung sind in Tabelle 6 dargestellt.
Tabelle 6: Das dritte Bild der Drei-Koordinaten-Erkennungskonvertierungsdaten [Einheit: (Grad)].
3) Datenanalyse. Die Teilungsrundheit des Lochs ist besser. Durch diese Bearbeitungsmethode wird die Position des Spurstangenlochs deutlich verbessert.
2.2 Forschung zur schwierigen Lochbearbeitung
Das Material des Laufrads der vierten Stufe der Turbine ist 21501-5 (Werksqualität), das einen hohen Cr- und Ni-Gehalt, eine schlechte Materialschneidleistung und ein Längen-Durchmesser-Verhältnis des Spurstangenlochs aufweist, das das Fünffache übersteigt der Durchmesser, was die Bohrbearbeitung erschwert.
Dieser Test basiert auf einem Testblock aus homogenem Material des Laufrads, und als Ausrüstung wird dieselbe Bohr- und Fräsmaschine verwendet.
1) Walter modulare Bohrwerkzeugleiste. Bei der Bearbeitung von Löchern mit großem Seitenverhältnis mit herkömmlichen Bohrwerkzeugen sind die Oberflächenvibrationsmuster offensichtlich und die Bearbeitung ist nicht ideal. Die Schnittparameter sind in Tabelle 7 aufgeführt.
Tabelle 7 Schnittparameter 1
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2) Wählen Sie eine vibrationsdämpfende Bohrwerkzeugstange. Die Schnittparameter sind in Tabelle 8 aufgeführt. Kyocera-Wendeschneidplatten verschleißen während des Gebrauchs schnell, daher verwenden wir eine Kombination aus vibrationsdämpfendem Bohrwerkzeug und Taguk TCMT 110204 FG CT3000 (oder Sandvik Coromant TCGT 110204L-K1125), um solch tiefe Löcher zu bearbeiten. Vergleich der Verarbeitungsqualität gut. Der Vergleich der Oberflächenqualität ist in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt.
Tabelle 8 Schnittparameter 2
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Abbildung 6: Schlechte Oberflächenqualität
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Abbildung 7: Bessere Oberflächenqualität
#03
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Anwendung der hochpräzisen Technologie zur Bearbeitung von Spurstangenlöchern auf Turbinenlaufrädern
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3.1 Spannplan
Das Laufrad verfügt über eine Winkeleisen-Montageplatte und wird vertikal eingespannt. Stellen Sie vor dem Spannen sicher, dass die vertikale Oberfläche des Winkeleisens senkrecht zur Z-Achse der Werkzeugmaschine steht. Berechnen und bestimmen Sie die Position des Bremsbelagblocks anhand der Höhe des V-förmigen Blocks und der Gesamtabmessungen des Laufrads. Alle mit dem Werkstück in Berührung kommenden Stellen sind durch kupferkaschiertes Eisen geschützt (siehe Abbildung 8).
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Abbildung 8 Klemmmethode für Turbinenlaufrad
Richten Sie nach dem Spannen die Position der Laufraddruckplatte an 4 Punkten auf der linken und rechten Seite der Endfläche mit einem Fehler von weniger als oder gleich 0,01 mm aus.
3.2 Verarbeitungsweg
Der Bearbeitungsweg des Turbinenlaufrad-Spurstangenlochs ist das Bohren des unteren Lochs → Grobbohren → Feinbohren. Zunächst werden traditionelle Ausrichtungsmethoden verwendet, um die Bearbeitung und Vorbearbeitung der Spurstangenlöcher abzuschließen. Zweitens verwenden Sie die Hebelmessuhr sowie die X- und Y-Achse der Werkzeugmaschine, um die Längendaten von A, B, C und D zu messen (siehe Abbildung 9). Verwenden Sie das Innendurchmesser-Mikrometer, um die beiden Lochdurchmesser D1 (φ42,3 mm) und D2 (φ42,3 mm) zu messen. 4mm).
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Abbildung 9 Koordinatenkompensationsdaten
Der X-Achsen-Versatz beträgt [(A-D1/2)-(B-D2/2)]/2, und der Y-Achsen-Versatz beträgt [(C-D1/2)-(D-D2/2)] / 2.
Die Daten in Abbildung 9 sind die während der tatsächlichen Verarbeitung gemessenen Daten. /2= 0.025 (mm), d. h. die Nullposition der X-Achse der Maschine wird um 0.025 mm in positiver Richtung angepasst. Y-Achse: 321,25 ‒ (42,4/2)=300,05 (mm), 321,33 ‒ (42,3/2)=300,18 (mm), Y-Achsenversatz (300,18 ‒ 300,05) / {{ 24}}.065 (mm), d. h. Werkzeugmaschine Y Die Nullposition der Achse wird um 0,065 mm in negativer Richtung angepasst.
Abschließend kommt man aus der obigen Berechnung zu dem Schluss, dass der Werkstückkreismittelpunkt X um {{0}},025 mm in positiver Richtung und Y in negativer Richtung um 0,065 mm angepasst wird. Führen Sie die Endbearbeitung von 12 Löchern mit dem erhaltenen neuen Kreismittelpunkt durch.
3.3 Anwendungseffekte
Für das Laufrad mit Spurstangenlöchern, die durch dieses Verfahren bearbeitet werden, weisen die Spurstangenlöcher der benachbarten zweistufigen Laufräder nach dem selbstzentrierenden Eingriff der Endflächenzähne eine hohe Koaxialität auf, die Spurstangen können frei eingeführt werden, und die Gasturbine Der Rotor ist erfolgreich zusammengebaut.
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Abschluss
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Die Forschung an der hochpräzisen Technologie zur Bearbeitung von Spurstangenlöchern für Gasturbinenlaufräder bietet Garantie für die Rotormontage von Gasturbinen. Gleichzeitig kann dieses Verfahren in großem Umfang bei der Bearbeitung verschiedener Arten von axial angeordneten Löchern eingesetzt werden, wodurch die Bearbeitungsqualität von Teilen und die Montagegenauigkeit von Produkten effektiv verbessert werden können.
