某反動(dòng)式筒形高壓內(nèi)缸制造工藝研究

邱興渺，熊運(yùn)龍

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

通過(guò)高效通流技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用來(lái)提高汽輪機(jī)效率，降低熱耗水平是各汽輪機(jī)制造商追逐的技術(shù)制高點(diǎn)，尤其是對(duì)大功率、高參數(shù)機(jī)組在高壓力、高溫度運(yùn)行狀態(tài)下的安全性、經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性更是研發(fā)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)靜子通流部件而言，沖動(dòng)式機(jī)組自身結(jié)構(gòu)要素的特點(diǎn)決定了其較大的外形尺寸和重量成為限制其經(jīng)濟(jì)性提升的主要制約因素，而反動(dòng)式技術(shù)因其緊湊的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)可以有效降低機(jī)組自重。研發(fā)、工藝制造技術(shù)人員結(jié)合自身產(chǎn)品特點(diǎn)，將反動(dòng)式通流技術(shù)的最新成果應(yīng)用于已投運(yùn)沖動(dòng)式機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提升改造中，以進(jìn)行技術(shù)的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。這里介紹的就是在某再熱機(jī)組高壓模塊經(jīng)濟(jì)性提升優(yōu)化項(xiàng)目中所使用的預(yù)扭裝配式靜葉通流技術(shù)中的高壓汽缸的加工實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了制造工藝擬定及預(yù)扭靜葉安裝槽車(chē)削這一重難點(diǎn)工序的加工實(shí)現(xiàn)。

1 汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)分析

該汽缸的材質(zhì)是某高合金鑄鋼，汽缸上、下半重均約18 t，外形輪廓尺寸：長(zhǎng)約3500 mm，最大回轉(zhuǎn)直徑約φ1670 mm。內(nèi)腔回轉(zhuǎn)直徑約φ725～φ1000 mm，靜葉安裝后僅約φ672 mm，如圖1所示。

圖1 筒形高壓汽缸縱剖面圖

1.1 汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽缸結(jié)構(gòu)上，外形沿用了常規(guī)沖動(dòng)式筒形缸的紅套結(jié)構(gòu)。不同之處在于，反動(dòng)式汽缸的內(nèi)腔為預(yù)扭靜葉安裝槽，同時(shí)每一級(jí)靜葉安裝槽配有數(shù)量不同的汽封齒。由于靜葉直接安裝到汽缸上，保證靜葉安裝槽加工尺寸決定了各級(jí)靜葉通流尺寸最終的準(zhǔn)確性；各級(jí)靜葉安裝槽加工相對(duì)定位尺寸及形位公差控制的準(zhǔn)確性決定了整個(gè)超高壓汽缸靜子通流的準(zhǔn)確性。

1.2 汽缸的加工難點(diǎn)分析

常規(guī)筒形缸已有較為成熟的加工流程，而反動(dòng)式內(nèi)缸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，除常規(guī)的紅套外圓結(jié)構(gòu)外，還采用了靜葉通流部件及動(dòng)靜密封部件直接安裝于汽缸上的總體思路，所有的通流保證都取決于汽缸各特征結(jié)構(gòu)加工尺寸和形位公差控制的準(zhǔn)確性。從而大大增加了汽缸對(duì)這些關(guān)鍵部位，如靜葉安裝T型槽、靜葉城墻齒及汽封齒在車(chē)削加工時(shí)的難度。通過(guò)對(duì)該汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，發(fā)現(xiàn)汽缸加工難點(diǎn)主要體現(xiàn)在車(chē)削工序：

（1）靜葉安裝用T型槽、汽封齒槽尺寸較小，形位公差控制嚴(yán)格，對(duì)加工控制要求高。

（2）整個(gè)汽缸內(nèi)圓尺寸小，加工深度范圍大，加工過(guò)程中對(duì)刀、測(cè)量時(shí)的操作空間狹小。

2 汽缸的工藝方案確定

汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求，確定了其加工方案的選擇。與常規(guī)沖動(dòng)式筒形缸要求一致的是，汽缸中分面自由狀態(tài)間隙不大于0.03 mm，藍(lán)油接觸檢查大于80%。

針對(duì)反動(dòng)式筒形缸的靜葉及汽封齒直接安裝在汽缸T型槽上，靜葉及齒加工好后，通流很少具有調(diào)整性，由于紅套過(guò)盈存在，汽缸不可避免存在收縮變形，沒(méi)有固定的可參考值存在。因此，可能出現(xiàn)汽缸靜葉及汽封齒裝配好、按圖車(chē)削加工到位后，一經(jīng)紅套，又出現(xiàn)尺寸偏離設(shè)計(jì)理論值的情況。

綜上所述，結(jié)合各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的尺寸及形位公差保證、操作控制等情況對(duì)比，形成了加工分4次車(chē)削和3次車(chē)削兩種方案進(jìn)行對(duì)比選擇，如圖2～3所示：

圖2 方案一

圖3 方案二

從上述兩種加工方案可以看出，在汽缸整個(gè)加工過(guò)程中主要區(qū)別在于：紅套的次數(shù)和精車(chē)的次數(shù)，分析找出兩種加工方案存在的風(fēng)險(xiǎn)，如表1所示。

表1 兩種方案風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比

對(duì)于方案一，汽封齒車(chē)削時(shí)，未安裝靜葉，加工空間大，對(duì)刀及測(cè)量方便，但兩次紅套后的尺寸變化無(wú)固定參考值，可能造成關(guān)鍵尺寸由于找正誤差導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于方案二，在各級(jí)靜葉柵裝配后，葉根城墻齒、L型汽封齒內(nèi)圓可以采用直接測(cè)量法控制，軸向尺寸可以通過(guò)機(jī)床精度及程序保證的方法實(shí)現(xiàn)控制。但由于將汽缸上葉頂汽封片和靜葉片集中裝配，對(duì)汽缸同一級(jí)靜葉片而言，與通流密切相關(guān)的葉頂汽封片和靜葉葉根城墻齒尺寸在一次裝夾狀態(tài)下完成加工，可避免方案一中由于找正誤差引起的關(guān)鍵尺寸加工的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，在保證關(guān)鍵加工部位滿足技術(shù)要求的同時(shí)，兼顧生產(chǎn)效率的提高，最終確定了方案二的工藝方案。

3 關(guān)鍵工序車(chē)削方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 汽缸的把合和立車(chē)上的裝夾

筒形缸結(jié)構(gòu)汽缸，把合及裝夾方式在沖動(dòng)式與反動(dòng)式汽缸上是一致的，見(jiàn)圖4。在未裝紅套環(huán)之前的車(chē)削內(nèi)容，僅靠汽缸上、下半端部及中間共10處螺栓聯(lián)接孔把合，明顯把緊力不足，為此，在汽缸外圓上增加了三處工藝箍環(huán)，四周采取螺栓頂緊的方式，配合螺栓聯(lián)接上下半。

在立車(chē)上加工時(shí)，汽缸底部采用4處平鐵和平面千斤頂?shù)慕M合支撐，便于調(diào)整汽缸端面高低；利用汽缸定位環(huán)槽子及背部、天地方向管口作為壓點(diǎn)。在天地方向上、下兩處采用高抱爪，頂緊汽缸，保證支撐實(shí)在及裝夾穩(wěn)固。避免工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力偏大，加工穩(wěn)定性差。

圖4 把合及立車(chē)上支撐裝夾圖

3.2 靜葉關(guān)鍵尺寸控制

反動(dòng)式筒形缸相對(duì)于沖動(dòng)式筒形缸，結(jié)構(gòu)變化主要為將靜葉片及汽封齒從隔板移植到汽缸內(nèi)壁上。帶來(lái)的加工難點(diǎn)主要是靜葉安裝T型槽及靜葉通流尺寸車(chē)削控制。反動(dòng)式筒形缸靜葉城墻齒及汽封齒安裝在超高壓內(nèi)缸上，總裝實(shí)測(cè)與轉(zhuǎn)子通流間隙后，調(diào)整難度大。因此對(duì)汽缸尺寸、形位公差要求及加工實(shí)物與圖紙符合性要求更高。

3.2.1 靜葉安裝T型槽

在加工靜葉安裝T型槽時(shí)，結(jié)合靜葉安裝需求，其需要重點(diǎn)保證的加工要求有兩處，如圖5所示。靜葉軸向定位面41公差 （+0.05/+0.01）小，決定了靜葉安裝的軸向位置度；徑向定位面，即12.2（+0.05/0）尺寸上端面，左右位置度要求高，決定了靜葉安裝是否會(huì)存在傾斜，平面度需控制在左右高差0.02 mm內(nèi)。

圖5 某級(jí)靜葉安裝T型槽加工圖

此類(lèi)反動(dòng)式筒形缸共16處T型槽，采用常規(guī)加工方式會(huì)增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，嚴(yán)重影響加工效率。因此，可以從加工流程上優(yōu)化，重點(diǎn)保證安裝需求。通過(guò)機(jī)床精度及測(cè)量工裝相結(jié)合，保證尺寸及公差受控。

具體為：半精車(chē)內(nèi)孔、直槽，單邊留量1 mm—精車(chē)內(nèi)孔—粗車(chē)直槽單邊留量0.1 mm—粗車(chē)彎槽單邊留量0.2 mm—粗、精車(chē)R5.05脹緊槽—精車(chē)上、下直槽—精車(chē)上下彎槽。

首先，在原粗車(chē)T型槽基礎(chǔ)上，增加半精車(chē)留量1 mm工序，可以最大限度釋放應(yīng)力，減小切削變形。然后精車(chē)內(nèi)孔，作為整個(gè)T型槽加工的徑向基準(zhǔn)。粗車(chē)直槽，單邊留量0.1 mm，是為了防止彎槽粗車(chē)的大量鐵屑排出，劃傷直槽開(kāi)檔面。接下來(lái)的粗車(chē)彎槽，僅留有的0.2 mm余量，少量鐵屑斷續(xù)排出，不會(huì)損傷內(nèi)腔精加工面。

對(duì)上、下直槽 （包括R5.05脹緊槽、上下彎槽）精加工，可以按16處槽子，統(tǒng)一編制程序，一次成型。比如車(chē)上直槽，則對(duì)16處槽子的41、φA、7.6三面，統(tǒng)一編程，一次加工成型。這樣可以減少操作人員上下?lián)Q刀、對(duì)刀的次數(shù)，提高加工效率。且程序的統(tǒng)一性、規(guī)范性較好，可以減少加工誤差。加工中需注意，在汽缸底部位置，立車(chē)主軸懸伸較長(zhǎng)，主軸及刀存在桿剛性不足的情況，需要通過(guò)實(shí)測(cè)尺寸進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，通過(guò)程序、機(jī)床精度及測(cè)量配合的方式保證尺寸穩(wěn)定。先統(tǒng)一編制上、下彎槽程序，帶入各檔φA值，保證基準(zhǔn)統(tǒng)一。用輪轂千分尺卡12.2尺寸上下偏差，進(jìn)行補(bǔ)償，滿足上下徑向貼合面0.02 mm位置度公差需求。

從后期靜葉裝配情況看，通過(guò)合理的工序安排與程序編制，機(jī)床精度與量具配合糾偏，能有效滿足靜葉安裝槽的加工及裝配要求。

3.2.2 靜葉通流尺寸精車(chē)

汽缸經(jīng)靜葉過(guò)盈脹緊及汽封齒鉚緊裝配后，進(jìn)入軸向、徑向通流配合尺寸的車(chē)削工序，即第三次精車(chē)。

靜葉安裝后，汽缸內(nèi)孔最小僅約φ670 mm，操作空間更為狹小。因此，軸向及徑向尺寸只能靠機(jī)床精度為主、輔助測(cè)量的方式保證。加工前必須進(jìn)行機(jī)床精度的復(fù)查。要求X、Z軸定位及重復(fù)定位精度0.01/1000 mm，X、Z軸垂直度0.01/1000 mm。城墻齒結(jié)構(gòu)軸向尺寸相比徑向尺寸要求較低，可以通過(guò)機(jī)床精度直接保證。徑向尺寸在內(nèi)徑尺測(cè)量與機(jī)床打表配合情況下，還需要按實(shí)測(cè)值進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，滿足如圖6所示尺寸要求。

圖6 某級(jí)靜葉通流尺寸加工圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)某反動(dòng)式筒形高壓內(nèi)缸制造工藝流程分析，及預(yù)扭靜葉安裝槽加工立車(chē)關(guān)鍵工序?qū)崿F(xiàn)的介紹，提出了可供參考的反動(dòng)式筒形缸加工方案。即兩次銑面及立車(chē)，加工準(zhǔn)靜葉安裝槽，控制汽缸加工變形；紅套后一次車(chē)準(zhǔn)靜葉及齒，保證通流尺寸與總裝狀態(tài)一致性。給出了關(guān)鍵工序靜葉槽車(chē)削的控制方式，即統(tǒng)一編程同一種部位一次車(chē)削成型，保持精車(chē)質(zhì)量穩(wěn)定性，靠機(jī)床精度及測(cè)量補(bǔ)償?shù)姆绞?，滿足圖紙尺寸要求。

通過(guò)工藝方案對(duì)加工風(fēng)險(xiǎn)控制措施的落實(shí)，完成了汽缸的加工，產(chǎn)品已經(jīng)交付使用，證明反動(dòng)式高壓筒形汽缸的加工方案的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工序控制方案是合理可行的，能有效保證汽缸質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)受控。并積累了反動(dòng)式高難度結(jié)構(gòu)加工攻關(guān)的成功經(jīng)驗(yàn)，為將來(lái)反動(dòng)式機(jī)組汽缸形成成熟穩(wěn)定的加工技術(shù)打下了良好基礎(chǔ)。

[1]楊叔子.機(jī)械加工工藝手冊(cè)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]董玉紅.數(shù)控技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]朱佳生.透平機(jī)械制造工藝學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版，2007.

[4]顧祖慰.現(xiàn)代汽輪機(jī)制造刀具實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.