燃?xì)廨啓C(jī)中間缸制造技術(shù)的研究

□沈永根　□蔡振銘上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠　上?！?00240

燃?xì)廨啓C(jī)中間缸制造技術(shù)的研究

□沈永根□蔡振銘
上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠上海200240

作為E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，中間缸的尺寸龐大，毛坯采用焊接組合件，材料軟，是大型壁薄零件［1］，加工極易變形。介紹了E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸加工的一種新方法，詳細(xì)闡述了該加工方法具體的加工流程、加工特點(diǎn)以及所需工裝工具。該加工新方法解決了壁薄氣缸加工裝夾變形問(wèn)題，解決了立車(chē)加工中校中心的難題，從而確保中間缸的加工精度，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件中間缸制造技術(shù)的優(yōu)化突破。

1　概述

SGT5-2000E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)是上海汽輪機(jī)廠從西門(mén)子引進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，具有快速啟動(dòng)特性好、可靠性和可用性高、對(duì)燃料質(zhì)量要求低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電市場(chǎng)具有較好的口碑。E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的中間缸是E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件，一端連接至靜葉持環(huán)，另一端連接至排氣缸。該中間缸中裝有壓氣機(jī)和透平內(nèi)件，中間缸由帶水平接頭和橫向支管的圓柱形外殼組成，主體結(jié)構(gòu)為大型壁薄零件，如圖1所示，材料為16Mo3+Z15的焊接組合件，由于中間缸內(nèi)腔型線復(fù)雜，多種類(lèi)型的斜槽、角度槽精度要求高，使技術(shù)準(zhǔn)備和實(shí)際加工工藝都存在很多困難，并且是我廠首次加工，無(wú)加工經(jīng)驗(yàn)可循。鑒于以上諸多的工藝難點(diǎn)，中間缸長(zhǎng)期以來(lái)主要依靠國(guó)外進(jìn)口。為了提高我廠燃?xì)廨啓C(jī)的國(guó)產(chǎn)化率，特別成立了中間缸國(guó)產(chǎn)化工藝技術(shù)攻關(guān)小組，實(shí)現(xiàn)中間缸制造的優(yōu)化突破。

為了突破現(xiàn)有實(shí)際技術(shù)要求的局限性，達(dá)到加工制造的準(zhǔn)確性、可靠性、合理性，從實(shí)際情況出發(fā)，編制了一種E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸關(guān)鍵部件的創(chuàng)新加工方法，保證中間缸制造的加工質(zhì)量及加工精度，全面實(shí)現(xiàn)其加工制造的國(guó)產(chǎn)化。通過(guò)對(duì)中間缸加工技術(shù)的一系列準(zhǔn)備工作，編制合理、可靠加工工藝，來(lái)正確地指導(dǎo)E級(jí)燃機(jī)中間缸加工的生產(chǎn)制造任務(wù)。

圖1　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)示意圖

2　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸材料為：16Mo3+Z15焊接組合件，最大回轉(zhuǎn)直徑為4 450 mm，總長(zhǎng)5 218 mm，呈圓桶狀，中間缸內(nèi)腔型線復(fù)雜，多種類(lèi)型的斜槽、角度槽的加工精度要求高，如圖2所示。

（1）左右兩端加工面相對(duì)于D-E基準(zhǔn)軸線的全跳動(dòng)控制在0.1 mm之內(nèi)，φWH7內(nèi)圓相對(duì)于A基準(zhǔn)軸線圓跳動(dòng)控制在0.1 mm之內(nèi)，φQf7外圓相對(duì)于D基準(zhǔn)軸線圓跳動(dòng)控制在0.1 mm之內(nèi)（如圖3中F1、F6放大圖），其內(nèi)部50H7槽兩側(cè)面相對(duì)于C基準(zhǔn)面的平行度控制在0.1 mm之內(nèi)（如圖4中F3放大圖）。

（2）中間缸內(nèi)部距右端D±0.1氣封擋的反平面有深13.3 mm的45°帶R2角燕尾槽，其槽底平面相對(duì)于B基準(zhǔn)面的平行度控制在0.1 mm之內(nèi)，槽底平面與氣封擋平面的間距是75d8（如圖5中F4、F5放大圖）。

3　產(chǎn)品加工難點(diǎn)分析

中間缸是燃?xì)廨啓C(jī)中的一個(gè)主要部件，是焊接組合件。主體結(jié)構(gòu)為大型薄壁件，裝夾加工極易變形；內(nèi)腔型線復(fù)雜，有多種類(lèi)型的斜槽、角度槽，加工精度要求高。根據(jù)E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，確定E級(jí)燃機(jī)中間缸加工工藝技術(shù)的要求及方法，確定工藝攻關(guān)項(xiàng)目所需解決的加工內(nèi)容及所需解決的加工質(zhì)量。主要加工難點(diǎn)是如何控制大型壁薄件的變形，減小加工時(shí)的振動(dòng)，加工中遇到的主要難題如下：

①編制符合本廠實(shí)際情況的、合理的、可靠的加工工藝，從工藝技術(shù)準(zhǔn)備、工裝配備、程序編制等各方面出發(fā)，找尋最佳工裝配置，優(yōu)化切削參數(shù)。

②數(shù)控鏜銑床加工裝夾變形［2］因素，確定數(shù)控鏜銑床加工裝夾方法［3］。

③數(shù)控立車(chē)加工裝夾變形因素及大型氣缸加工校中心、校垂直方法，確定數(shù)控立車(chē)加工裝夾方案、校調(diào)方式。

④數(shù)控立車(chē)加工45°帶R2角燕尾槽方案確定。

⑥數(shù)控加工程序的開(kāi)發(fā)，并完成在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行一系列的使用調(diào)試。

⑦研究應(yīng)用大型測(cè)量工具，解決檢驗(yàn)難題，完成精確測(cè)量加工精度。

4　產(chǎn)品加工實(shí)施措施

圖2　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸剖視圖

圖3　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸局部剖視放大圖

圖4　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸局部剖視放大圖

圖5　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸局部剖視放大圖

針對(duì)E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)的加工特點(diǎn)，通過(guò)產(chǎn)品加工難點(diǎn)的全面分析，制定E級(jí)燃機(jī)中間缸新的加工工藝。

4.1數(shù)控鏜銑床加工

來(lái)的是母親的娘家人，拜過(guò)母親和姐夫后，大舅、二舅和小舅就在涼棚下喝茶、抽煙，大聲地詢(xún)問(wèn)是怎么回事，大聲地罵娘。大舅媽和小舅媽拐進(jìn)客堂，坐到母親靈床邊哭天搶地的。桃花和梨花也跟著大哭?？捱^(guò)一場(chǎng)，大舅媽小聲地問(wèn)怎么回事？梨花搖搖頭。大舅媽和小舅媽就拐到桃花那邊，又問(wèn)，桃花也不說(shuō)什么。小舅媽就問(wèn)她婆婆呢？桃花說(shuō)在里屋。大舅媽和小舅媽就去里屋了。

由于缸體是大型薄壁零件結(jié)構(gòu)，裝夾極易變形，采用三角鐵、方箱墊塊、壓板螺栓等數(shù)控鏜銑床加工裝夾工具，圖6所示為鏜床加工裝夾方案，使裝夾時(shí)支撐點(diǎn)和壓板壓力點(diǎn)在一直線上，它們的作用力相互抵消，以減小氣缸產(chǎn)生變形，能有效消除因裝夾所產(chǎn)生應(yīng)力而引起對(duì)加工精度的影響。

氣缸加工前，設(shè)零點(diǎn)位置，粗銑水平中分面，留1 mm余量。根據(jù)圖紙要求，檢查各加工余量：水平中分面螺孔分布位置、內(nèi)部腰帶加工余量、各缺口加工余量及氣缸輪廓，重新設(shè)置氣缸加工零點(diǎn)。精銑水平中分面時(shí)，用φ250盤(pán)銑刀加工，宜采用小切削深度、大走刀量的方法，先加工右端，由下向上銑，左端由上向下銑，使切削產(chǎn)生的力盡量靠近支撐點(diǎn)，每刀刀盤(pán)加工寬度為70%以下，防止振動(dòng)變形。加工內(nèi)部缺口時(shí)，一般車(chē)刀用刀補(bǔ)，走型線加工，宜采用淺進(jìn)刀、快走刀量方法。并用φ10鉆頭定位中分面孔，打好立車(chē)校調(diào)基準(zhǔn)，確保加工質(zhì)量。

通過(guò)對(duì)E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為鏜床難加工的部位為中間缸外部外圓靠近左端氣封處有定位通孔。設(shè)計(jì)專(zhuān)用鏜排和鏜刀，分粗鏜刀與精鏜刀兩種規(guī)格刀具，在數(shù)控鏜銑床上采用粗和精兩步工序鉆和鏜準(zhǔn)定位孔，在鏜孔時(shí)，先在孔口進(jìn)行試刀試切削，經(jīng)測(cè)量合格后方能加工深孔，確?？椎木纫?。

通過(guò)使用試制的專(zhuān)用鏜刀，經(jīng)檢測(cè)得到的孔的加工質(zhì)量完全附合圖紙要求。

4.2數(shù)控立車(chē)加工

由于裝夾不允許在外圓上焊搭子，搭壓板；也不能在內(nèi)腔腰帶上搭壓板；更不能使氣缸受力變形，如果采用傳統(tǒng)的缸體類(lèi)零件裝夾方法時(shí)，將氣缸直接按劃線找平，并校垂直，通過(guò)在立車(chē)刀架上安裝百分表檢測(cè)并調(diào)整工作臺(tái)卡爪來(lái)定位工件圓心，在調(diào)整過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)卡爪的徑向壓緊力會(huì)直接導(dǎo)致氣缸在卡爪處出現(xiàn)0.4～0.7 mm左右的變形，測(cè)得缸體上下兩端對(duì)缸體中心線的垂直度在0.5～0.8 mm之間，按此種裝夾方式加工，將無(wú)法滿足精度要求，所以傳統(tǒng)的裝夾方法并不適用于燃?xì)廨啓C(jī)中間缸這樣的大型薄壁件的加工。

圖6　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸上半鏜銑床上加工裝夾方案圖

圖7　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸立車(chē)加工裝夾方案及裝夾示意圖

因?yàn)闅飧壮叽琮嫶?，整個(gè)高度達(dá)5 218 mm，上海汽輪機(jī)廠最大數(shù)控立車(chē)工作臺(tái)面尺寸是φ6 500，立車(chē)刀架橫梁可上下移動(dòng)4 400 mm，刀架滑枕最長(zhǎng)加工距離為3 000 mm，而立車(chē)校中心、校垂直，采用新方法需要在氣缸上下兩端內(nèi)側(cè)測(cè)量鏜銑床加工好的立車(chē)校調(diào)用的8個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，使8個(gè)點(diǎn)到中心距離相等，如圖8所示。

立車(chē)刀架滑枕長(zhǎng)度不夠，因此不能通過(guò)在立車(chē)刀架上安裝百分表檢測(cè)氣缸內(nèi)腔下端基準(zhǔn)點(diǎn)，所以需要用立車(chē)底部校中心的立車(chē)校調(diào)儀來(lái)校中心、校垂直。我廠沒(méi)有中間缸立車(chē)底部校中心用的立車(chē)校調(diào)儀，如購(gòu)買(mǎi)，需要進(jìn)口，并需要5萬(wàn)多元人民幣，為了實(shí)現(xiàn)氣缸校中心、校垂直，自行設(shè)計(jì)了立車(chē)校中心、校垂直方案及一套立車(chē)校調(diào)工具，如圖9所示。

其原理是根據(jù)數(shù)學(xué)定理，同圓上弧段相等，那么所對(duì)應(yīng)弦相等，所對(duì)應(yīng)弦心距相等，具體步驟如下：首先將設(shè)計(jì)的校調(diào)工具中4塊固定塊安裝到立車(chē)工作臺(tái)面上，如圖9所示，其次在安裝好的4塊固定塊上車(chē)出一個(gè)圓弧臺(tái)階面，使4塊固定塊上圓弧段同圓，固定塊上臺(tái)階面在同一平面上，再將氣缸在工作臺(tái)面安裝好，利用設(shè)計(jì)的裝有表?xiàng)U和百分表的可移動(dòng)校調(diào)盤(pán)靠緊圓弧面，使校調(diào)盤(pán)上兩凸出點(diǎn)與圓弧面相貼，百分表測(cè)量下部4個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)如圖10所示，使4個(gè)點(diǎn)到氣缸內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)距離相等，與上部立車(chē)刀架測(cè)量4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)中心重合，可以認(rèn)為氣缸的校垂直、校中心任務(wù)已經(jīng)完成了。

針對(duì)中間氣缸內(nèi)腔型線復(fù)雜，多種類(lèi)型的腰帶、斜槽、角度槽加工精度要求高，又由于氣缸是薄壁件，剛度差，受徑向分力的影響容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，在切削熱的作用下容易產(chǎn)生熱變形，使工件加工精度達(dá)不到加工要求，車(chē)50H7槽的進(jìn)給方向?yàn)闄M向，切削力較大，刀具的前角、副偏角、后角及副后角是影響切削的關(guān)鍵因素。經(jīng)過(guò)研究，如果增大前角、副后角、副偏角及減小后角，可以降低切削力和功率消耗，使切削輕快，振動(dòng)減輕，減小摩擦力，降低切削熱，并使工件在加工過(guò)程中變形小。但由于選用較大的前角、副后角、副偏角及減小后角，降低了刀具強(qiáng)度，容易產(chǎn)生崩刃情況，因此經(jīng)過(guò)試切削得出結(jié)論：25°前角的割槽車(chē)刀在0.17 mm/r、50 mm/min的切削速度下，達(dá)到的效果在加工質(zhì)量、加工效率以及加工經(jīng)濟(jì)性上最好，所以選用了25°前角的割槽車(chē)刀。又因?yàn)楣ぜ牧蠟?6Mo3+Z15，屬于加工韌性較強(qiáng)的材料，所以割槽車(chē)刀的材料經(jīng)過(guò)篩選，選用YG6硬質(zhì)合金割槽車(chē)刀為粗車(chē)刀材料，GC1115硬質(zhì)合金為精車(chē)刀材料，從而能在耐磨性和韌性之間取得良好的平衡。

圖8　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸立車(chē)校中心示意圖

圖9　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸立車(chē)校中心校調(diào)儀

通過(guò)對(duì)E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)分析，認(rèn)為立車(chē)難加工的部位為中間缸內(nèi)部距右端D±0.1 mm氣封擋的反平面中深13.3 mm的45°帶R2角燕尾槽，其槽底平面相對(duì)于基準(zhǔn)面的平行度要控制在0.1 mm之內(nèi)，槽底平面與氣封擋平面的間距是75d8，必須設(shè)計(jì)專(zhuān)用立車(chē)鉤車(chē)刀，采用專(zhuān)用的測(cè)量工具，在數(shù)控立車(chē)采用上拉式加工方法，來(lái)確保各公差加工要求。

4.3數(shù)控程序開(kāi)發(fā)

由于數(shù)控加工程序刀軌比較復(fù)雜，涉及粗車(chē)、半精車(chē)、精車(chē)等多個(gè)道序的加工，為了更好地校驗(yàn)程序的正確性，除了人工校對(duì)程序之外，還采用數(shù)控機(jī)床模擬軟件模擬數(shù)控程序的加工軌跡，確保加工的正確性。

4.4加工尺寸測(cè)量檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)一系列的攻關(guān)、創(chuàng)新制造優(yōu)化及操作人員的精心操作，完成了中間缸的加工制造。在加工過(guò)程中和加工結(jié)束后，檢驗(yàn)人員對(duì)此零件的16項(xiàng)尺寸精度和7項(xiàng)形位公差進(jìn)行了檢驗(yàn)，合格率達(dá)到99.6%。缸體內(nèi)幾個(gè)重要檢測(cè)點(diǎn)，設(shè)計(jì)或購(gòu)置了特定檢測(cè)工具，如腰帶槽，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用卡板來(lái)檢測(cè)，燕尾槽用FARO測(cè)量臂檢測(cè)得數(shù)據(jù)所建模型和圖紙作比較，75d8尺寸用激光筆來(lái)檢測(cè)，法蘭螺孔沉孔表面粗糙度用粗糙度儀來(lái)檢測(cè)，深定位孔精度用內(nèi)徑千分尺來(lái)檢測(cè)等，優(yōu)質(zhì)完成生產(chǎn)制造任務(wù)。

圖10　E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸立車(chē)校中心測(cè)量下部4個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)點(diǎn)的模型圖

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)新產(chǎn)品SGT5-2000E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)分析研究，對(duì)E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸的一系列制造工藝試驗(yàn)，對(duì)新加工工藝方法的大膽嘗試，解決了E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸制造過(guò)程中工藝技術(shù)上難點(diǎn)，以及對(duì)數(shù)控鏜銑床的附件、各種工具的合理運(yùn)用，革新我們的制造理念，提高生產(chǎn)制造效率，確定了E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的中間缸制造工藝技術(shù)的方法。完成E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸制造相關(guān)的工裝、夾具制造，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸的制造工藝技術(shù)。加快及提高E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化率，使得公司加工E級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中間缸的工藝水平上一個(gè)新臺(tái)階。

［1］ 劉海波.大型不規(guī)則薄壁零件測(cè)量-加工一體化制造方法與技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（8）：94-94.

［2］秦國(guó)華，吳竹溪，張衛(wèi)紅.薄壁件的裝夾變形機(jī)理分析與控制技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007（4）：211-216

［4］ 薛源順主編.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

As a key component of E-class gas turbine，the intermediate cylinder is huge in size，owing to that the blank is made of welded assembly it is a large-scale，thin wall part［1］with soft material that is easily deformed during processing.Introduced a new method to process intermediate cylinder of E-class gas turbine with detailed specific processing procedures，processing characteristics and the required special tools of the processing method.This approach can settle the issues and problems such as deformation of thin-walled cylinder during clamping&processing，centering in vertical lathe，so that the machining accuracy of the intermediate cylinder could be ensured by optimization and breakthrough of the manufacturing technology of key components in gas turbine-the intermediate cylinder.

燃?xì)廨啓C(jī)；壁薄零件；變形；加工方案；工裝工具

Gas Turbine；Thin-wallPart；Deformation；Processing Plan；Tooling；Machining Accuracy

TH161

B

1672-0555（2015）03-021-07

2015年5月

沈永根（1963年-），男，工程師，主要從事汽輪機(jī)大型零部件的工藝及數(shù)控編制工作