汽輪機(jī)葉片不銹鋼材料切削試驗(yàn)研究

■ 無錫透平葉片有限公司、國家能源大型渦輪葉片研發(fā)中心 （江蘇 214174） 莊緒華 張家軍 褚春祥

不銹鋼具有較高的抗腐蝕性能，通常含鉻在10%以上，并含有大量的鎳，在較高溫度下仍能保持一定強(qiáng)度，因此，不銹鋼材料在汽輪機(jī)葉片制造中被大范圍使用。

公司內(nèi)部汽輪機(jī)葉片在鍛造后都會(huì)進(jìn)行熱處理以調(diào)整材料硬度至客戶規(guī)范要求范圍內(nèi)，目前公司內(nèi)部熱處理是淬火加回火，熱處理后的材料硬度值一般在客戶要求范圍內(nèi)偏上差，后續(xù)葉片的機(jī)加工過程中發(fā)現(xiàn)，硬度值在最大值附近的葉片鍛件加工過程中刀具磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致葉片加工效率較低、成本較高。因此，在客戶硬度值要求范圍內(nèi)探索適合的熱處理硬度值，以降低汽輪機(jī)葉片鍛件機(jī)加工難度尤為重要。

1. 試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)設(shè)備及刀具。試驗(yàn)設(shè)備為DMU 80 monoBLOCK五軸立式加工中心（見圖1），行程X、Y、Z、A、B分別為：670m m、630m m、610m m、360°和±90°。

所用刀具為D40R6仿形銑刀，裝4粒刀片，刀片4轉(zhuǎn)位，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)床

（2）試驗(yàn)材料。選用汽輪機(jī)葉片常用材料X12CrNiMoV12-2方料，尺寸300m m×200m m×110mm，采用兩種不同熱處理方法獲得不同的硬度。熱處理分別為淬火+回火以及淬火+回火+回火，最終，所得材料硬度值分別為319HV、290HV。

加工方式1：壓板壓緊，加工A面，每層總切削長度約2 000mm，如圖3所示。

加工方式2：臺(tái)虎鉗夾緊，加工B面，每層總切削長度約1 540mm，如圖4所示。

（3）試驗(yàn)參數(shù)。為考察兩種熱處理后不同硬度值的材料切削性能，進(jìn)行兩種不同的切削試驗(yàn)。

采用加工方式1考察在刀具極限壽命下，單個(gè)刀片刃口切削兩種不同硬度值的材料時(shí)所能切削的長度，切削參數(shù)如表1所示。

采用加工方式2考察在相同切削長度的條件下，切削兩種硬度值不同材料的刀片磨損狀態(tài)，主要是通過測量后刀面的磨損長度來評價(jià)刀片的磨損程度，切削參數(shù)如表2所示。

由于受客觀條件的限制，無法每次切削完成后觀察刀片的磨損狀態(tài)，因此，采用多組刀片分別切削相應(yīng)的長度后，最后一起用顯微鏡觀察測量。具體如下：兩組刀片采用參數(shù)1分別切削硬度值為319HV的材料B面，兩層切削長度約（1 540×2）mm，三層切削長度約（1 540×3）mm；兩組刀片采用參數(shù)1分別切削硬度值為290HV的材料B面，兩層切削長度約（1 540×2）mm，三層切削長度約（1 540×3）mm；兩組刀片采用參數(shù)2分別切削硬度值為319HV的材料B面，三層切削長度約（1 540×3）mm、四層切削長度約（1 540×4）mm；兩組刀片采用參數(shù)2分別切削硬度值為290HV的材料B面，三層切削長度約（1 540×3）mm、四層切削長度約（1 540×4）mm。

2. 試驗(yàn)結(jié)果

（1）加工方式1：刀片極限壽命下的切削長度。

選擇參數(shù)1，通過圖5發(fā)現(xiàn)，切削6 000mm后，切削材料硬度值為319HV的刀片前、后刀面都發(fā)生較為嚴(yán)重的磨損（屬正常磨損），刀片已經(jīng)不能繼續(xù)使用；切削材料硬度值為290HV的刀片前、后刀面的磨損都相對較輕，刀片仍可繼續(xù)加工使用，最終，刀片總切削長度約8 000mm，此時(shí)刀片的磨損狀態(tài)同切削材料硬度值為319HV的刀片的前、后刀面的磨損程度大致相同。

圖2 刀柄及刀片

圖3 加工方式1

圖4 加工方式2

表1 切削參數(shù)1

表2 切削參數(shù)2

圖5 切削6 000mm后刀片磨損狀態(tài)

選擇參數(shù)2，進(jìn)行切削試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，切削長度約為4 000mm時(shí)，切削兩種不同硬度材料的刀片前刀面磨損基本相當(dāng)，后刀面的磨損程度比切削硬度值為319HV材料的刀片較為嚴(yán)重一些。由圖6能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度為8 000mm時(shí)，切削材料硬度值為319HV的刀片磨損程度相比切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度較嚴(yán)重，由于其刀片磨損狀態(tài)較為嚴(yán)重，選擇不繼續(xù)往下加工。通過進(jìn)一步的切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度達(dá)到10 000mm時(shí)，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損狀態(tài)同切削硬度值為319HV的刀片切削8 000mm長度時(shí)的磨損狀態(tài)大致相同。

選擇參數(shù)3，進(jìn)行切削試驗(yàn)。切削長度為6 000mm時(shí)，切削兩種硬度值不同的材料的刀片磨損狀態(tài)相差不大；隨著加工的進(jìn)行，當(dāng)切削長度為10 000mm時(shí)，切削材料硬度值為319HV的刀片磨損程度進(jìn)一步加重，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度略微增加，其磨損程度小于前者；當(dāng)切削長度為12 000mm時(shí)，由圖7能夠發(fā)現(xiàn)，切削材料硬度值為319HV的刀片前、后刀面磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重，已不能繼續(xù)使用，但切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度較之前有所加重，但仍可以繼續(xù)使用。最終，通過進(jìn)一步的切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度達(dá)到16 000mm時(shí)，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損狀態(tài)較切削硬度值為319HV的刀片切削12 000mm長度時(shí)的磨損狀態(tài)略重，但是肉眼觀察兩者相差不大。

（2）加工方式2：切削相同長度下的刀片磨損狀態(tài)。

如圖8所示，采用參數(shù)1分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面兩層后，在顯微鏡下測量得到，其刀片后刀面的磨損長度分別為0.418mm、0.504mm、0.641mm、0.542mm以及0.2 7 m m、0.3 4 3 m m、0.245mm、0.296mm。兩者中后刀面磨損長度過大或過小的可能是由于刀片安裝時(shí)長短有偏差或者刀具周向跳動(dòng)所導(dǎo)致。切削硬度值為319HV材料的后刀面的平均后刀面磨損長度為0.526mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.288mm長0.238mm，這說明在參數(shù)1下，切削相同的長度時(shí)，切削硬度值較低的X12CrNiMoV12-2材料時(shí)，刀具的磨損相對較輕、刀具壽命更長。

如圖9所示，采用參數(shù)1分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面三層后，在顯微鏡下測量得到，刀片后刀面的磨損長度分別為0.515mm、0.5mm、0.471mm、0.566mm以及0.447mm、0.449mm、0.434mm、0.372mm。切削硬度值為319HV材料的后刀面平均后刀面磨損長度為0.513mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.425mm長0.088mm，雖然差距較小，但是也能夠這說明在參數(shù)1下，切削相同的長度時(shí)，切削硬度值較低的X12CrNiMoV12-2材料時(shí)，刀具的磨損相對較輕，刀具壽命更長。

圖6 切削8 000mm后刀片磨損狀態(tài)

圖7 切削12 000mm后刀片磨損狀態(tài)

圖8 切削B面兩層后刀片的磨損狀態(tài)

圖9 切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)

此外，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，切削硬度值為319HV的材料B面三層較切削B面兩層的后刀面磨損長略短，這主要是因?yàn)榍邢鬟^程中，刀具磨損狀態(tài)受諸多方面的影響，比如振動(dòng)、工件剛性、機(jī)床本身性能以及材料組織均勻性的影響，這些因素都可能會(huì)導(dǎo)致每次試驗(yàn)結(jié)果有偏差。

如圖10所示，采用參數(shù)2切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)。分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面三層后，在顯微鏡下測量得到，刀片后刀面的磨損長度分別為0.343mm、0.367mm、0.469mm、0.274mm，以及0.3 1 m m、0.2 5 4 m m、0.232mm、0.327mm。切削硬度值為319HV材料后刀面的平均后刀面磨損長度為0.363mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.28mm長0.082mm，相對參數(shù)1，采用參數(shù)2進(jìn)行加工時(shí)，切削完成兩種硬度值不同的材料三層時(shí)，后刀面的磨損長度都較小，這是因?yàn)閰?shù)2的線速度較低，切削速度對刀具磨損影響最大。

如圖11所示，切削B面四層后刀片的磨損狀態(tài)。采用參數(shù)2分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面四層后，在顯微鏡下測量得到刀片后刀面的磨損長度分別為0.513mm、0.558mm、0.517mm、0.571mm，以及0.316m m、0.329m m、0.389mm、0.23mm。切削硬度值為319HV材料的后刀面平均磨損長度為0.54mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.316mm長0.224mm，而切削三層時(shí)兩者之差為0.083mm，隨著切削的進(jìn)行，切削硬度值為319HV及290HV材料的刀片的平均后刀面磨損長度之差逐漸增大。說明在參數(shù)2下，隨著加工時(shí)間增加，切削硬度較高材料的刀片磨損速度更快，要求在實(shí)際的加工過程中要合理選擇熱處理方式，獲得硬度值合理的工件毛坯，為后續(xù)機(jī)加工降低難度。

圖10 切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)

圖11 切削B面四層后刀片的磨損狀態(tài)

3. 結(jié)語

本文結(jié)合目前公司內(nèi)部的實(shí)際生產(chǎn)情況，對兩種不同硬度值的汽輪機(jī)葉片所用材料X12CrNiMoV12-2開展了切削試驗(yàn)，主要通過兩種不同的加工方式進(jìn)行。一是考察極限刀具壽命下，兩種不同硬度值的材料的切削長度；二是考察相同切削長度下，切削兩種硬度值不同材料刀片的磨損狀態(tài)。主要結(jié)論如下：

（1）在參數(shù)1條件下，刀片加工兩種硬度值不同的材料，切削材料硬度值為319HV的刀片最終切削長度為6 000mm，切削材料硬度值為290HV的刀片最終切削長度為8 000mm，此時(shí)兩刀片的磨損狀態(tài)基本一致；在參數(shù)2條件下，切削材料硬度值為319HV的刀片切削長度為8 000mm，而切削材料硬度值為290HV的刀片切削長度為10 000mm，此時(shí)兩刀片的磨損狀態(tài)基本一致；在參數(shù)3條件下，切削材料硬度值為319HV的刀片最終切削長度為12 000mm，而切削材料硬度值為290HV的刀片切削長度為16 000mm，此時(shí)刀具的磨損狀態(tài)較加工硬度值為290HV的材料刀片（加工完12 000mm時(shí)）的磨損狀態(tài)略重，但是肉眼觀察無太大差距。

（2）在參數(shù)1條件下，切削材料兩層及三層時(shí)，切削材料硬度值為3 1 9 H V以及290HV的平均后刀面磨損長度分別為 0.526mm、0.513mm以及0.288mm、0.425mm。在參數(shù)2條件下，切削材料三層及四層時(shí)，切削材料硬度值為319HV以及290HV的平均后刀面磨損長度分別為 0.363mm、0.54mm以及0.28mm、0.316mm。

（3）試驗(yàn)證實(shí)，采用相同刀具及參數(shù)加工硬度值不同的兩種材料，材料硬度值較低的，刀具磨損情況較輕，切削長度更長。

（4）試驗(yàn)結(jié)果為葉片鍛件熱處理及機(jī)加工提供了參考，在客戶硬度值要求范圍內(nèi)，熱處理可以將材料硬度值略微降低，以便后續(xù)機(jī)加工過程的進(jìn)行。

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[1] 熊傳富, 高江雄, 鄧發(fā)利. 數(shù)控葉片刀片在不銹鋼加工中的選用[J].金屬加工（冷加工）,2017(11)：52-54.