高壓噴嘴室導(dǎo)流板斜錐孔系加工工藝分析

馬培花 喻楊銘 湯貴金 徐有元

(中國航天中國長江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430074)

1 高壓噴嘴室導(dǎo)流板的用途、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

1.1 高壓噴嘴室及導(dǎo)流板的用途

高壓噴嘴室是汽輪機(jī)高溫高壓新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的第一個(gè)汽流通道，蒸汽壓力溫度都很高，高壓蒸汽的轉(zhuǎn)向膨脹加速在高壓噴嘴導(dǎo)流板的斜錐孔系中完成，將蒸汽的勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，首先推動(dòng)噴嘴室后的第一級轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，開始實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)做為源動(dòng)機(jī)的能量形式轉(zhuǎn)換。

1.2 高壓噴嘴室導(dǎo)流板的裝配位置及整個(gè)裝配體的結(jié)構(gòu)及材料特性

高壓噴嘴室主要由高壓噴嘴室本體、高壓噴嘴室導(dǎo)流板和彎管3 部分組成，本體及彎管材料為K12F54B，類似于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)材料15CrMoV，導(dǎo)流板材料為A387GR22 -2SR，類似于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為12CrMoV，都屬于耐高溫高壓蒸汽的難加工合金材料。高壓噴嘴室圖見圖1，導(dǎo)流板在出汽側(cè)位置，決定高溫高壓蒸汽的噴射方向及速度。

1.3 高壓噴嘴室導(dǎo)流板的加工難點(diǎn)

主要的技術(shù)難點(diǎn)是:高壓噴嘴室導(dǎo)流板(簡稱導(dǎo)流板，結(jié)構(gòu)簡圖見圖2)錐孔系是空間孔系，相互位置要求很高，如果定位及孔系相對位置出現(xiàn)問題，到高壓噴嘴室整體組裝階段將出現(xiàn)導(dǎo)流板孔及高壓噴嘴室本體上噴嘴孔對不上，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢;再則出汽側(cè)孔軸線與出汽側(cè)軸向平面夾角達(dá)15°、且是錐孔、表面粗糙度Ra0.8 μm，加工難度非常大。

加工過程中必須解決以下問題:(1)導(dǎo)流板錐孔系的加工方案論證選定;(2)加工過程定位參數(shù)的確定;(3)保證加工效果的工裝、刀具、夾具等的設(shè)計(jì)、制作。

2 高壓噴嘴室導(dǎo)流板加工工藝分析

通過分析產(chǎn)品圖紙，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板孔噴嘴孔系在圓周方向是規(guī)律分布的，由此可以初步選定基本加工方式為繞導(dǎo)流板中心徑向分度旋轉(zhuǎn)加工。

由基本加工方法進(jìn)一步推敲，具體到加工工藝方法，可以有兩種方案選擇:(1)導(dǎo)流板平放在數(shù)控臥式銑鏜床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上(見圖3)，鏜床主軸上裝萬能角銑頭，加工方向由水平方向通過調(diào)整萬能角頭的方向轉(zhuǎn)換到垂直于主軸方向的豎直面內(nèi)，再在萬能角頭的主軸上裝專用刀柄和加工刀具，完成加工;(2)設(shè)計(jì)制造專用工裝，將導(dǎo)流板裝在專用工裝上(見圖4)，工件在豎直狀態(tài)，通過分度機(jī)構(gòu)分度，可以在數(shù)控鏜床上或者普通鏜床上完成加工(見圖5)。

兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一的優(yōu)點(diǎn)在于:利用機(jī)床所配標(biāo)準(zhǔn)附件及標(biāo)準(zhǔn)刀具，可以盡量縮短專用工裝的準(zhǔn)備、加工周期，在節(jié)點(diǎn)保證和加工效率上有相對優(yōu)勢;缺點(diǎn)是:經(jīng)過角頭、加工刀柄和加長鉆頭、鉸刀的幾道轉(zhuǎn)接后，工藝系統(tǒng)的剛性較差，對工件質(zhì)量保證有一定風(fēng)險(xiǎn)。方案二的優(yōu)點(diǎn)在于:設(shè)計(jì)制造專用工裝后，可以實(shí)現(xiàn)非常牢靠的工件裝夾工藝系統(tǒng)，對工件質(zhì)量有較好的保證，其次可以通過工裝設(shè)計(jì)分度裝置，突破方案一加工分度時(shí)對數(shù)控設(shè)備的依賴，在普通鏜床上完成加工，降低加工成本;缺點(diǎn)在于:要設(shè)計(jì)制造專用工裝，制造周期及工裝加工成本投入相較方案一要大。

在公司的質(zhì)量保證體系中，對于重大且風(fēng)險(xiǎn)大的關(guān)鍵項(xiàng)目，必須做工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。隨后我們按公司程序文件的相關(guān)流程要求進(jìn)行了相關(guān)的工藝試驗(yàn)，工藝試驗(yàn)效果顯示:方案一的刀具系統(tǒng)在經(jīng)過兩道甚至是三道轉(zhuǎn)接后，剛性大大降低，加工效果達(dá)不到圖紙要求，被否定。方案二雖說有工裝設(shè)計(jì)、加工成本，但可以很好地滿足圖紙要求，達(dá)到QC 質(zhì)量控制的控制根本。

方案二的關(guān)鍵在于工裝設(shè)計(jì)制造和工藝方法。因?yàn)榭紫凳怯邢鄬臻g位置要求的，工裝設(shè)計(jì)時(shí)要考慮用最簡單的方法加工制造出來，操作者加工時(shí)能用最便捷的操作完成工件加工，保證工件質(zhì)量，提高加工效率，降低加工成本。經(jīng)過與經(jīng)驗(yàn)豐富的老工程師討論，并反復(fù)推敲、多次修改設(shè)計(jì)方案，確定了用導(dǎo)流板內(nèi)孔在工裝上定位、定位銷子分度的工裝設(shè)計(jì)加工理念，并設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對刀塊，綜合圖紙及工裝設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)因素，確定孔系孔加工時(shí)所需的定位參數(shù)。后期加工過程中對孔系加工方式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，在用工藝壓塊做輔助壓緊同時(shí)可將孔的加工面轉(zhuǎn)換到垂直刀軸的平面內(nèi)，并在轉(zhuǎn)換后的加工面上先用中心鉆打定位中心孔，可有效防止孔預(yù)鉆階段鉆頭飄移，避免了因鉆頭飄移導(dǎo)致的鉆頭折斷或孔鉆歪斜等不良后果。

3 高壓噴嘴室導(dǎo)流板加工工藝優(yōu)化固化及定位解決

經(jīng)過對加工過程跟蹤記錄，對工藝優(yōu)化調(diào)整后，分別對導(dǎo)流板進(jìn)出汽邊孔加工工藝進(jìn)行固化。

與出汽邊平面夾角15°的φ17.35 mm/φ17.75 mm錐度為1/65. 05 的大斜度錐孔鏜關(guān)鍵加工工藝固化為:

(1)點(diǎn)鉆定位孔:用中心鉆點(diǎn)鉆中心孔。

(2)麻花鉆預(yù)鉆錐孔:用短鉆頭預(yù)鉆。用加長鉆頭預(yù)鉆。

(3)鍵槽銑刀預(yù)銑錐孔:兩把加長鍵槽銑刀粗銑成階梯孔。

(4)鉸錐孔:用開斷屑槽的粗鉸刀粗鉸錐孔;用精鉸刀精鉸孔至圖紙尺寸，所用刀具參見圖6。

將導(dǎo)流板上與出汽邊大斜度錐孔有空間位置的進(jìn)汽側(cè)φ43 mm 斜孔加工的鏜關(guān)鍵加工工藝固化為:(1)用鍵槽銑刀銑平下刀平面。(2)預(yù)鉆孔:錐柄麻花鉆預(yù)鉆孔至φ36 mm。(3)粗銑孔:用φ40R2.4 銑槽銑刀預(yù)銑孔至φ40 mm，底部留0.3 mm 余量。(4)整體硬質(zhì)合金銑刀高速精銑孔。

進(jìn)汽側(cè)加工所用刀具參見圖7。該側(cè)斜孔與進(jìn)汽邊面夾角為75°，僅從單個(gè)孔的加工難度綜合比較，加工難度稍低于出汽邊，其關(guān)鍵在于該孔與出汽邊斜錐孔的相對位置保證。在工裝設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用CAD/CAM 軟件經(jīng)過三維造型和模擬加工，并用裝在工裝特定位置的與工件位置有特定關(guān)系的工藝標(biāo)準(zhǔn)對刀塊來確定孔在工件上的位置，在加工時(shí)根據(jù)特定位置關(guān)系對刀設(shè)定參數(shù)，確定孔系位置，使孔系相互位置關(guān)系這一難題得以解決。

4 加工過程的刀具問題

在加工過程中，出現(xiàn)多把特制鉸刀扁尾處斷裂的情況，給產(chǎn)品質(zhì)量造成很大影響。分析主要原因是鉸削過程中，因?yàn)殂q刀是錐度鉸刀，吃刀面積很大，造成刀具承受扭矩很大，刀具整體結(jié)構(gòu)上強(qiáng)度最薄弱處是刀具扁尾及刀具與刀柄連接處(參考圖8)，所以當(dāng)?shù)毒咚惺芘ぞ靥蟪^刀具整體所能承受的最小安全系數(shù)時(shí)，斷裂就會(huì)發(fā)生在這兩處。經(jīng)與刀具工程師溝通，優(yōu)化修改刀具結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，在鉸刀前端磨削一倒棱，減小刀具前端受力，刀具切削刃螺旋角增大減小鉸削時(shí)每轉(zhuǎn)的切削扭矩。經(jīng)以上措施優(yōu)化后，刀具切削效果有良好改善，在刀具方面的可靠性得到保證。

5 效果檢驗(yàn)、結(jié)束語

我們按公司質(zhì)量管理相關(guān)程序文件的流程要求，通過一系列的攻關(guān)、工藝試驗(yàn)，對方案進(jìn)行論證、排除、優(yōu)化，加上操作人員的細(xì)心操作，我們完成了某項(xiàng)目給水泵汽輪機(jī)組中高壓噴嘴的加工，經(jīng)檢驗(yàn)人員檢查，形位公差及表面質(zhì)量都達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。按此工藝方法，目前已完成公司所承接某項(xiàng)目4 臺(tái)給水泵汽輪機(jī)上配套高壓噴嘴室的加工裝配，并做為QC 質(zhì)量控制的技術(shù)控制環(huán)節(jié)，對工藝文件優(yōu)化整理后入庫存檔，完善同類工件加工的資料儲(chǔ)備工作。

做為一名工藝人員，筆者認(rèn)為要加工出優(yōu)質(zhì)的零件，首先要了解零件的結(jié)構(gòu)、裝配要求，之后確定正確、合理的加工工藝方案，并細(xì)化為可指導(dǎo)車間生產(chǎn)的可操作性工藝文件。在完成高壓噴嘴室導(dǎo)流板加工的過程中，面對重重的困難，經(jīng)過不斷摸索實(shí)踐，我深深體會(huì)到只有理論聯(lián)系實(shí)際，善于總結(jié)，集思廣益，博采眾長，不斷探索，才能實(shí)現(xiàn)克難攻堅(jiān)，同時(shí)在工作中使自己的技術(shù)水平得以提升。

［1］李洪.機(jī)械加工工藝手冊［M］.北京:北京出版社，1998.

［2］徐宏海.數(shù)控加工工藝［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.