汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子工藝優(yōu)化設(shè)計

鐘國堅，陳木鳳

(1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與制造學(xué)院，福建 龍巖 364021;2.龍巖學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364000)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料性能及加工精度要求較高，其材料主要以中碳高強(qiáng)度合金鋼為主，強(qiáng)度和韌性較高，而導(dǎo)熱性能較差[1]。轉(zhuǎn)子加工過程中切槽時切削區(qū)域溫度較高及車削外圓余留套料孔時會造成刀具的斷續(xù)切削，降低壽命。大的切削量會產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)子的尺寸精度和使用壽命。考慮到其工藝過程的復(fù)雜性、加工設(shè)備的特殊性、刀具和工藝的創(chuàng)新性，從轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，對轉(zhuǎn)子的加工要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的實驗分析，并詳細(xì)論述葉片槽、外圓和嵌套孔的加工方法。

1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是一個大而復(fù)雜的軸類零件,外圓上分布著許多復(fù)雜而不規(guī)則的葉片槽，轉(zhuǎn)子的氣門調(diào)節(jié)端中心分布著殼體盲孔，詳見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor structure

2 轉(zhuǎn)子加工要點(diǎn)

首先葉片槽深而窄，加工量大，散熱效果差，要求使用性能較好的加工刀具；其次，為滿足轉(zhuǎn)子性能的測定要求，在外協(xié)加工前在外圓套取10 根徑向試棒，使轉(zhuǎn)子外圓上留下了Ф25 mm×150 mm 深的套料孔，由于徑向孔所在位置最終在割深槽是需要加工，在車徑向孔部位時造成斷續(xù)切削，易造成刀片損壞[2]。

2.1 葉片槽加工

2.1.1 刀具的改進(jìn)

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料大多為高強(qiáng)度合金鋼，韌性大，切削性能較差。傳統(tǒng)加工過程中一般采用材質(zhì)為45調(diào)質(zhì)鋼的機(jī)夾重磨式刀具，如圖2，此刀具制作麻煩，費(fèi)時費(fèi)力，并且無法保證加工精度和切削效率[3]。由于傳統(tǒng)刀桿為機(jī)夾重磨式，加工時有振動，長時間伸出進(jìn)入深刀片槽切削時進(jìn)給量較少，在轉(zhuǎn)子加工時采取改進(jìn)刀桿、優(yōu)化刀片選擇的措施。

圖2 機(jī)夾重磨式Fig.2 Machine clamp heavy grinding

根據(jù)原來使用的機(jī)夾重磨式刀具在使用過程中出現(xiàn)的不足，這里選用材質(zhì)為高強(qiáng)度硬質(zhì)合金專用切槽刀，如圖3。通過在轉(zhuǎn)子粗加工過程的模擬試切削，并對刀座的夾緊螺母做出一定的改進(jìn)，得到較理想的切削效果。

圖3 高強(qiáng)度硬質(zhì)割刀桿Fig.3 High strength hard cutter bar

刀片作為切削過程中重要一環(huán)，合理的選擇割刀片能有效的改善切削條件，提高切削效率，為此，主要從刀具主要的幾何參數(shù)著手進(jìn)行優(yōu)化試驗。在刀具前角方面，重點(diǎn)從控制切屑形狀和方便排屑進(jìn)行試驗，選擇斷屑較好的刀片；為增強(qiáng)切削刃和減少切削時的振動，重點(diǎn)選取刀具后角相對較小的刀片進(jìn)行試驗；另外考慮到刀具的強(qiáng)度和剛性，在刀片的偏角和副偏角也提出一些要求。通過反復(fù)的試驗，選取進(jìn)口耐熱涂層硬質(zhì)合金刀片，有效提高刀片使用壽命。

改進(jìn)后的刀片速度100 m/min，進(jìn)給0.2～0.3 mm，相比于傳統(tǒng)的刀具，即使進(jìn)給量一定，進(jìn)口刀加工速度為國產(chǎn)的（100×19）/（40×30）=1.58 倍，而且進(jìn)口刀片節(jié)約大量的磨刀和換刀時間，切槽效率大大提高。

2.1.2 斷屑排屑的改進(jìn)

葉片槽之間比較狹窄，而且切槽的切削量大，散熱較差，如果選擇連續(xù)斷屑，不僅消耗大量機(jī)床功率，而且加快刀具的磨損，從而縮短刀具壽命，因此在切槽時，選擇擠裂切削。

擠裂切削容易形成薄而長的卷曲狀切屑，會阻礙刀具加工、損傷已加工表面[4]。經(jīng)過長期試驗，采取機(jī)床反轉(zhuǎn)，刀桿反裝的方法，使切屑在重力的作用下容易斷屑，以便鐵屑順利排出葉片槽。這樣不僅能加快刀尖熱量的散發(fā)，防止不必要的刀片磨損，提高刀片的使用壽命，而且反切削也有效解決排屑的問題[5]。

2.1.3 冷卻方式的對比選用

干切削切槽會產(chǎn)生大量的熱量，進(jìn)而降低刀具的使用壽命，傳統(tǒng)澆注式冷卻不僅成本高，而且冷卻液的使用會對環(huán)境造成一定的污染。通過試驗多種方法，最終選擇當(dāng)前較為先進(jìn)的綠色切削技術(shù)——低溫冷風(fēng)復(fù)合噴霧冷卻潤滑切削。這種綠色切削技術(shù)不僅與傳統(tǒng)冷卻液冷卻對比極大降低切削液用量，而且與干切削對比明顯改善冷卻潤滑條件，延長刀具壽命，提高加工效率[6]。

2.2 外圓斷續(xù)切削改進(jìn)

轉(zhuǎn)子外圓分布的十處徑向套料孔，直接進(jìn)行車削，在車刀經(jīng)過套料孔所在位置時產(chǎn)生斷續(xù)切削，切削過程中對車刀產(chǎn)生沖擊，易造成刀片損壞。針對這情況，為提高車削的穩(wěn)定性，減少刀片的損耗，對套料孔所在的位置進(jìn)行一些必要的改進(jìn)。首先，待各徑向套料孔套出芯棒后，把￠25 mm 余留孔按￠60 mm×150 mm粗、精鏜對，并精銑對套料孔根部確?？椎灼秸?，孔加工結(jié)束后，測量工件中間外圓各徑向套料孔實際尺寸，在孔口處做好標(biāo)記；然后，以￠70 mm×160 mm 的普通圓鋼下料，按各套料孔徑的實際尺寸配車各芯棒，長度148，保證直徑過盈量0.02～0.03 mm，做好配對標(biāo)記；最后，按冷裝要求，芯棒冷凍后，按對應(yīng)標(biāo)記，將各套料孔悶住、敲緊，芯棒外端面低于工件外圓表面。通過對徑向孔的處理，很好的改善車刀的切削環(huán)境，提高刀片壽命，達(dá)到減少刀片損耗的目地。

2.3 深孔加工

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子大多有Ф120 mm/Ф60 mm 的深孔（如圖4），即要求從轉(zhuǎn)子調(diào)閥端中心Ф120 mm 范圍內(nèi)套割出Ф60 mm 以上試棒；深孔部分完成套料后，對孔的公差要求、形位公差要求都比較高，根部為R65 球狀，光潔度要求Ra1.6。套料孔徑和芯棒尺寸要求、孔的直線度要求、芯棒的割取、孔底光潔度要求，都給該零件深孔部分的加工提出了很高的要求，自然也提高轉(zhuǎn)子加工的難度，特別是對刀具、切削過程中的排削也提出了很高的要求。根據(jù)深孔加工經(jīng)驗分析，從以下方面來優(yōu)化。

圖4 中心孔加工技術(shù)要求Fig.4 Technical requirements for center hole processing

2.3.1 刀具選擇

在普通的深孔加工（包括通孔和盲孔）中，對孔的光潔度及形位公差要求不高，在實際加工時考慮到加工成本，往往會選取國產(chǎn)加工刀具。而針對此零件的特殊加工要求，在技術(shù)準(zhǔn)備過程中提出了兩套刀具方案進(jìn)行論證。一是深孔套料、割斷刀具由自行設(shè)計專用刀具；二是通過采購進(jìn)口刀具。通過對以往自行設(shè)計的刀具加工深孔的質(zhì)量情況分析，認(rèn)為自制刀具難以達(dá)到要求；經(jīng)過與山特維克刀具公司、伊斯卡(ISCAR)公司等進(jìn)口刀具商的工程師聯(lián)系后，結(jié)合以往的業(yè)績，認(rèn)為深孔的套料、精加工工序選用進(jìn)口刀具。綜合考慮在套芯棒及最終的深孔光刀選擇瑞典山特維克公司的刀具，芯棒的割斷工具進(jìn)行自行設(shè)計。

套料時采用強(qiáng)度高，剛性好山特維克GC235。此刀片可用于外、中、內(nèi)刀座，且排屑方便，進(jìn)而提高機(jī)床的穩(wěn)定性，同時，提高工件內(nèi)孔的直線度及表面光潔度，大大降低后續(xù)的精加工的難度[3]。

在割斷工具上，由于割斷空間狹小，割刀必須在ap＜30 mm 的空間內(nèi)實現(xiàn)割斷加工，割刀制造困難較大，各刀具廠家暫時沒有此規(guī)格工具。根據(jù)套料及割斷的加工經(jīng)驗結(jié)合轉(zhuǎn)子的材料特點(diǎn)（機(jī)械性能、化學(xué)成分），并進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化各切削參數(shù)及刀具結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計并制造高速鋼割斷工具（如圖5）。

圖5 割刀工作空間示意圖Fig.5 Schematic diagram of cutter working space

在加工內(nèi)孔根部R65 球面時，保證孔底球面光潔度是非常關(guān)鍵的。保證光潔度，一是要控制好切削時的振動，二是要靠加工刀具來保證。為減小切削過程中的振動，我們對刀頭處的支撐進(jìn)行改進(jìn)，前端的支撐采用的是硬木材料，在使用前，對硬木支撐進(jìn)行精修；在刀具粗切削時，設(shè)計專用的圓弧扁及裹紗布磨頭進(jìn)行加工，使光潔度達(dá)Ra1.6 的圖紙要求。

2.3.2 形位公差的保證

根據(jù)深孔機(jī)床的切削加工原理，在套料加工時，保證被切削零件與鉆桿相對旋轉(zhuǎn)是獲取高直線度的主要手段。通過試驗件的試切削，基本掌握此類材質(zhì)的轉(zhuǎn)子深孔加工過程中的切削參數(shù)，因此，套料時能有效的保證鉆頭和工件的相對旋轉(zhuǎn)，如圖6 所示。

圖6 加工示意圖Fig.6 Schematic diagram of machining

設(shè)計要求0.25 的跳動量和0.1 的圓柱度是深孔加工部分的又一難點(diǎn)，根據(jù)以往經(jīng)驗分析，切削振動是影響跳動量和圓柱度的主要因素。為減小刀具振動，首先通過試驗件試切削的方法對刀桿的剛性進(jìn)行分析，選擇剛性好的刀桿用于轉(zhuǎn)子深孔加工，避免因刀桿剛性差，強(qiáng)度低，造成切削時易產(chǎn)生振動、波紋、錐度，進(jìn)而影響深孔的跳動量和圓柱度；在深孔的加工過程中，一般看切屑、聽切削聲、摸工件溫度來判斷切削過程是否正常，因此在切削過程中加強(qiáng)實時的跟蹤，來彌補(bǔ)不足；選擇合理的油壓來保證排屑的順利，避免排屑不及時造成已加工孔徑的破壞[7-8]。

2.3.3 芯棒的割斷

芯棒的割斷作為取棒的最后一個環(huán)節(jié)，只要將試棒割下即可。通過在試制件上的割斷試驗得知:為方便割斷芯棒，采用工件靜止，鉆桿旋轉(zhuǎn)的加工方式進(jìn)行，同時在刀桿向孔底運(yùn)動前，把割刀調(diào)整到規(guī)定位置，刀桿向孔底運(yùn)動的過程中要使進(jìn)給要平穩(wěn)，防止割刀對以加工表面產(chǎn)生破壞[3]。

2.3.4 導(dǎo)向套

導(dǎo)向套在鉆孔中起導(dǎo)向作用，導(dǎo)向套磨損程度和放置位置的準(zhǔn)確性關(guān)系到孔的直線度。刀具裝夾時，導(dǎo)向套應(yīng)靠近工件表面，與機(jī)床主軸中心對稱度應(yīng)小于0.02 mm，如圖7。

圖7 導(dǎo)向套及位置示意圖Fig.7 Guide sleeve and position diagram

2.3.5 切削液選擇

乳化液具有適用性廣，清潔表面的效果，因此選用乳化液作為切削液。本項目采用單管鉆系統(tǒng)，如:圖8，它是冷卻液通過油泵打壓，在工件孔徑與刀桿的間隙供給，刀具在切削過程中形成的鐵屑通過鉆管內(nèi)孔排出。通過油泵的不斷打壓，在切削液所經(jīng)的通道內(nèi)形成一定的壓力，給切削液帶來較高的流動速度，使切屑可以無障礙通過鉆管。同時冷卻液不僅帶走切屑，也帶走刀具在切削過程中產(chǎn)生大部分熱量。同時，考慮到乳化液的清潔效果，一般切削液溫度控制在30～40 ℃左右較為合適。

圖8 單管鉆深孔加工系統(tǒng)Fig.8 Single pipe drilling deep hole machining system

2.3.6 排屑與切削參數(shù)

在鉆削加工中，要做到切削高效又能順利排屑是深孔加工中追求的理想目標(biāo)。加工中通過降低切削速度和提高進(jìn)給量來降低切屑長度，達(dá)到排屑方便和保護(hù)刀片的目的[3,9]。通過多次試驗，確定套料轉(zhuǎn)速為110 r/min，刀具的進(jìn)給量為1.8 mm/min ；割斷時的轉(zhuǎn)速為30 r/min，刀具進(jìn)給量為0.4 mm/min，這樣比較有利獲取長短適中的鐵屑。

3 結(jié)束語

通過實驗研究，對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的材料和加工工藝特點(diǎn)有了更深入的了解。首先研究轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后分析轉(zhuǎn)子的加工要點(diǎn)。對葉片槽、外圓斷續(xù)切削和深孔加工過程中的刀具、工裝和冷卻方式進(jìn)行了試驗分析，通過研究設(shè)計獲得新技術(shù)，提高轉(zhuǎn)子的加工質(zhì)量和效率。