提高重型燃機(jī)壓氣機(jī)缸研制精度技術(shù)方案

謝龍飛

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000）

筆者公司目前生產(chǎn)的G340、G510 重型燃機(jī)，是引進(jìn)三菱技術(shù)的大型發(fā)電設(shè)備，市場(chǎng)占有率高、用戶信譽(yù)度好、運(yùn)行業(yè)績(jī)優(yōu)良。作為三菱引進(jìn)機(jī)型的佼佼者，在制造過程中發(fā)現(xiàn)，沿用三菱加工技術(shù)的壓氣機(jī)缸在裝配時(shí)，上下半內(nèi)孔軸向、徑向錯(cuò)位始終難以滿足總裝要求。為此在技術(shù)層面進(jìn)行了探討，擬定出了行之有效的技術(shù)方案，圓滿解決了研制質(zhì)量的技術(shù)問題，滿足了目前井噴的重型燃機(jī)市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)機(jī)組的需求。

1 壓氣機(jī)缸結(jié)構(gòu)及精度分析

重型燃機(jī)靜子部件的缸體部分，從機(jī)頭至機(jī)尾依次為進(jìn)氣缸、壓氣機(jī)缸、燃兼壓缸、透平缸和排氣缸，進(jìn)氣缸的前端接進(jìn)氣室，排氣缸的后端依次接前后部排氣擴(kuò)壓缸，支撐轉(zhuǎn)子的兩軸承分別落座在進(jìn)、排氣缸上，如圖1 所示。G340、G510 兩種機(jī)型的壓氣機(jī)缸總體結(jié)構(gòu)相近，均為上下半筒形結(jié)構(gòu)，鑄鋼毛坯。缸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，密封要求嚴(yán)。上下半的中分面法蘭由直銷定位、螺栓把合，如圖2～圖4 所示。圖2 和圖3 中用指引線標(biāo)識(shí)出了中分面法蘭直銷孔的具體位置。

圖1 總裝中的G340 重型燃機(jī)

圖2 G340 壓氣機(jī)缸

圖3 G510 壓氣機(jī)缸

圖4 壓氣機(jī)缸中分面法蘭定位方式

G340、G510 重型燃機(jī)是大功率、高精度和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的發(fā)電設(shè)備，最大特點(diǎn)是高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速。它的動(dòng)靜零部件間有嚴(yán)格的間隙要求，特別是轉(zhuǎn)子動(dòng)葉與缸體的通流間隙和缸的中分面間隙要求高且嚴(yán)格。為了保證中分面的密封效果，壓氣機(jī)缸中分面各緊固件的把緊力在設(shè)計(jì)層面都有嚴(yán)格的技術(shù)要求。相應(yīng)地，在工藝層面也制定了能有效保證設(shè)計(jì)要求的具體工藝舉措[1]。在制造過程中，必須千方百計(jì)地保證各缸所有部位的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求，以確保機(jī)組性能。對(duì)于壓氣機(jī)缸而言，可這樣理解它的精度[2]：一是設(shè)計(jì)精度，二是加工精度，三是裝配精度，四是工作狀態(tài)下精度的保持、變化情況。由于缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和缸的加工、裝配、工作三種狀態(tài)的不統(tǒng)一，導(dǎo)致制造過程中缸的變形相對(duì)較大，因此需要抓住缸的變形對(duì)制造精度影響這條主線，擬定并落實(shí)減小加工變形的工藝方案[3-4]。由于缸為上下半結(jié)構(gòu)，故中分面法蘭的定位方式和定位面的加工方式極為重要。如定位精度低或加工方式不合理，都會(huì)導(dǎo)致上下半各內(nèi)孔的軸向、徑向錯(cuò)位大幅超差，嚴(yán)重降低缸的加工精度，并直接影響機(jī)組的裝配質(zhì)量。另外，由于壓氣機(jī)缸的研制精度直接影響吸入空氣的壓縮參數(shù)和整機(jī)性能，同時(shí)針對(duì)投運(yùn)機(jī)組壓氣機(jī)缸出現(xiàn)的變形量超差、密封面漏氣、工作效率不夠穩(wěn)定等問題，在研制過程中，始終將提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和制造精度作為研制工作的重點(diǎn)。

2 中分面法蘭定位方式及工藝方案存在的主要問題

G340、G510 兩種機(jī)型壓氣機(jī)缸中分面法蘭均采用采用直銷定位，如圖4 所示?？?銷配合公差分別為?52H7（0～+0.03）/f7（-0.03～-0.06） 和?73H7（0～+0.03）/g6（-0.01～-0.029）。前者的把緊方式為冷緊；后者的直銷有與后文圖7 一樣的加熱孔，冷緊和熱緊兩種把緊方式均可。按孔的最小尺寸減銷的最大尺寸、孔的最大尺寸減銷的最小尺寸計(jì)算配合間隙，G340 和G510 壓氣機(jī)缸中分面直銷定位的配合間隙分別為0.03～0.09 mm 和0.01～0.059 mm。在加工過程中，上下半氣缸先是單缸各自鏜削出中分面法蘭上的直銷孔，再合并上下半氣缸，整缸車削內(nèi)孔。在合缸過程中，缸四角上的直銷通常總會(huì)有一只以上與上下半銷孔成單側(cè)對(duì)稱接觸狀態(tài)，此狀態(tài)下車削出的氣缸上下半內(nèi)孔雖然沒有錯(cuò)位，但個(gè)別銷孔已經(jīng)有了大的錯(cuò)位。總裝時(shí)，缸的放置狀態(tài)與加工時(shí)相反，由立放變?yōu)槠椒?，再加上缸?nèi)零部件的重力作用，此時(shí)銷與銷孔的接觸點(diǎn)會(huì)向相反的方向轉(zhuǎn)變，以致上下半內(nèi)孔的軸向、徑向理論上可能出現(xiàn)的錯(cuò)位各自達(dá)定位銷最大配合間隙的兩倍，即0.18 mm 和0.118 mm，遠(yuǎn)超0.05 mm 的裝配要求。另一個(gè)問題是直銷與銷孔的軸向配合長(zhǎng)度過短，長(zhǎng)徑比為1 左右，定位剛性差，裝拆直銷時(shí)，易拉傷配合面。

目前，壓氣機(jī)缸加工及裝配過程中存在的主要問題如下。

（1）上下半立放，背對(duì)裝卡，同時(shí)就位于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)長(zhǎng)度方向的兩端，用鏜床主軸單獨(dú)加工各直銷孔。此加工方案各直銷孔的位置精度受機(jī)床和刀具的影響較大。

（2）上下半合并工序，插裝直銷時(shí)，直銷或銷孔普遍存在卡澀或拉傷現(xiàn)象，并帶來氣缸出現(xiàn)一定程度的變形。如能在合缸狀態(tài)加工直銷孔，則可有效避免或減少裝銷干涉和缸的變形，但合缸加工存在鏜桿懸升過長(zhǎng)、直銷孔的加工精度難以保證等困難。

（3）上下半合并后，進(jìn)行立車工序時(shí)，由于需調(diào)頭車削，因此在起吊翻身中，因中分面法蘭直銷與銷孔配合間隙較大，已車好的內(nèi)孔容易出現(xiàn)不便恢復(fù)的軸向、徑向錯(cuò)位[5-7]。

（4）壓氣機(jī)缸完成加工以分缸形式轉(zhuǎn)入裝配工序時(shí)，先是上下半合并，檢查內(nèi)孔軸向、徑向錯(cuò)位和中分面間隙，如錯(cuò)位量超差，則施加外力來控制缸的內(nèi)孔錯(cuò)位量；再將錯(cuò)位量調(diào)到總裝允差值的0.7 倍以內(nèi)的同時(shí)，同步把緊中分面各緊固件；最后按圖5 所示在兩側(cè)中分面法蘭各修磨出3 處上下半缸的對(duì)中基準(zhǔn)。

圖5 G340 壓氣機(jī)缸中分面法蘭對(duì)中基準(zhǔn)

（5）機(jī)組整體裝配時(shí)，采用與步驟（4）相近的操作方法，即按對(duì)中基準(zhǔn)恢復(fù)缸的內(nèi)孔錯(cuò)位精度，并同步把緊中分面各緊固件。這種用外力消除缸的變形、再依靠螺栓緊力在中分面形成摩擦、達(dá)到固定上下半相對(duì)位置精度的技術(shù)措施，實(shí)為一種違背定位原理的技術(shù)方案，不但操作繁瑣，而且定位精度的保持效果更差，給對(duì)機(jī)組的運(yùn)行也帶來了一定的隱患。

（6）統(tǒng)計(jì)近百臺(tái)兩種機(jī)型的壓氣機(jī)缸內(nèi)孔實(shí)際最大錯(cuò)位量，結(jié)果是只有個(gè)別臺(tái)份，因加工應(yīng)力變形的疊加，其內(nèi)孔最大錯(cuò)位量接近直銷與銷孔最大配合間隙的2.5 倍，多數(shù)情況為直銷與銷孔實(shí)際配合間隙的2 倍左右?？傮w規(guī)律是：內(nèi)孔實(shí)際錯(cuò)位量的大小，始終與鄰近定位銷實(shí)際配合間隙成正比。由此得出結(jié)論：加工應(yīng)力變形僅是引發(fā)內(nèi)孔錯(cuò)位的次因，主因是定位銷的配合間隙[8-9]。

下面就如何優(yōu)化中分面法蘭定位方式展開討論。

3 中分面法蘭定位方式的優(yōu)化

分析G340、G510 兩種機(jī)型壓氣機(jī)缸中分面法蘭緊固件結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，G340 中分面法蘭四角的定位直銷與相鄰螺栓相比直徑較小，主要功能是定位，此處法蘭的把緊主要由相鄰螺栓承擔(dān)；G510 直徑相當(dāng)，起定位和把緊雙重作用。在設(shè)計(jì)層面，直銷把緊力要求與中分面同規(guī)格螺栓一致。從前面的分析可知，要減小缸的上下半內(nèi)孔錯(cuò)位，須從減小定位銷的配合間隙入手。理論上，將定位直銷的配合間隙按過度或過盈選擇，也能有效控制缸的內(nèi)孔錯(cuò)位，但由于缸在制造和使用過程中需多次和定期拆裝上下半，如定位直銷配合間隙過小或過盈，在拆裝過程中，輕者直銷裝拆困難或拉傷配合面；重者需廢掉直銷，重新加工銷孔、照配直銷。因此，優(yōu)化直銷定位這種技術(shù)方案不可行。錐銷定位方式與直銷定位相比，裝配后不但具有零間隙和過盈量適中的優(yōu)點(diǎn)，而且裝拆方便，特別適合需要反復(fù)拆裝的場(chǎng)合。為此，優(yōu)化技術(shù)方案選用了錐銷定位方式[10]來取代原有的直銷定位。錐銷定位的技術(shù)難點(diǎn)主要在制造層面的鉸刀研制方面，將在后面討論并解決。在缸的制造過程中和機(jī)組投運(yùn)后的開缸檢修中，錐銷定位不但首裝、復(fù)裝方便，而且定位精度不會(huì)下降。在確定錐銷的大小、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等要素時(shí)，主要考慮了兩點(diǎn)：一是定位精度要高、定位效果要好；二是不能降低原有把緊要求，并做到一定程度的超越。原直銷把緊方式與中分面法蘭雙頭螺栓一致，改為錐銷后，把緊要求得以提高，對(duì)把緊方式也做了一定的優(yōu)化。

壓氣機(jī)缸在使用和裝配過程中，錐銷的受力狀態(tài)與直銷略有差別，除了承受與直銷一樣的軸向拉力和徑向剪力外，錐面還承受一個(gè)直銷沒有的鎖緊所需的軸向分力，因此適當(dāng)增大了錐銷的徑向尺寸。考慮到目前在用中的?57/1:50 錐鉸刀性能總體過關(guān)，它的直徑又略大于?52 直銷，在類似機(jī)組上?57/1:50 錐銷也用得較為普遍，因此，G340 機(jī)型壓氣機(jī)缸中分面法蘭定位方式按圖6 所示優(yōu)化。定位面的總長(zhǎng)由原來的50 mm 加至200 mm，這樣的定位長(zhǎng)度不但有利于加工和裝配，更能滿足工作狀態(tài)下的定位要求。原?52 直銷兩端螺柱規(guī)格同為M48，改進(jìn)為?57/1:50 錐銷后，將其大、小端螺柱規(guī)格分別加大至M56、M52。考慮到需要兼顧把緊和定位的要求，小端的把緊拉力由原來的M48 增大至M52，量化為擰緊扭矩約為5 000 N·m；大端的把緊拉力按M48 上限考慮，量化為擰緊扭矩約為4 300 N·m。擰緊工具選用液壓力矩扳手，分3 次擰緊，每次從小端到大端，小端比大端大700 N·m，逐次擰緊到終值。

圖6 G340 壓氣機(jī)缸中分面法蘭

圖7 所示定位方式用于G510 機(jī)型壓氣機(jī)缸，錐銷規(guī)格與原直銷一致，定位面的總長(zhǎng)由原來的76 mm 加至200 mm，各受力部位徑向尺寸均大于原有直銷，這樣優(yōu)化很好地滿足了研制的需要和使用上的要求。原?73 直銷單螺柱端規(guī)格為2.5-8UN,階梯螺柱端規(guī)格為2.5-8UN、2.25-8UN，改進(jìn)為?73/1:50 錐銷后，將單螺柱端規(guī)格加大至2.75-8UN，階梯螺柱端規(guī)格加大至3-8UN、2.75-8UN。由于?73/1:50 錐銷有嚴(yán)格的把緊要求，考慮到熱緊對(duì)錐銷材質(zhì)、壽命和定位精度有一定的影響，故采用冷緊方式。預(yù)緊時(shí)，選用液壓力矩扳手，只預(yù)擰單螺柱端，預(yù)緊扭矩按終值的30%約4 500 N·m 選擇。最終把緊選用拉力器，拉、擰階梯螺柱端，量化到擰緊扭矩、取下限約為13 300 N·m，略大于原直銷把緊扭矩的上限12 100 N·m。

圖7 G510 壓氣機(jī)缸中分面法蘭

4 中分面法蘭錐銷孔加工簡(jiǎn)介

壓氣機(jī)缸中分面法蘭錐銷孔直徑大、精度高、加工難度大，因此將其作為討論的重點(diǎn)之一。其中最核心的是加工方案和錐鉸刀的研制及使用。錐銷孔分三步加工[11]：先將錐銷孔按直銷孔的加工方式，分缸預(yù)鉆擴(kuò)成?57、?73 通孔；然后合并上下半；最后合鉸錐銷孔至圖示尺寸。具體步驟如下。

（1） 上下半同時(shí)立放于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)兩端，中分面精銑后，先將錐銷孔鉆擴(kuò)成?57H8、?73H8直銷孔。

（2） 上下半立放把合，要求中分面四角間隙一致，允差0.05 mm，然后裝入工藝直銷和螺栓，把緊。為方便工藝直銷裝入和減小缸的變形，工藝直銷的尺寸公差按?57d7、?73d7 選擇。

（3）合并狀態(tài)的缸，按圖2 和圖3 所示就位于搖臂鉆床，主支點(diǎn)選中分面法蘭四角，要求中分面四角等高，允差0.05 mm，逐一取下工藝直銷擴(kuò)鉸錐銷孔，裝錐銷。由于錐鉸刀的研制成功與否直接關(guān)乎到定位結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的落地實(shí)施，因此完成了?57、?73 兩種錐鉸刀的研制和試用。

① 根據(jù)在用中的?57/1:50 錐鉸刀存在的問題，進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上又設(shè)計(jì)了?73/1:50 錐鉸刀，如圖8 和圖9 所示。考慮到其他零部件的加工需要和通用性，錐鉸刀各部分的尺寸均適度加大。圖8 和圖9 分別用于錐銷孔的粗、精鉸。錐鉸刀為對(duì)焊整體式結(jié)構(gòu)，材料W6Mo5Cr4V2/45。設(shè)計(jì)圖8所示的錐鉸刀（粗）時(shí)，重點(diǎn)考慮的是加工效率高、重磨方便、造價(jià)低等指標(biāo)。設(shè)計(jì)圖9 所示的錐鉸刀（精）時(shí)，重點(diǎn)考慮的是滿足加工精度要求和耐用度等指標(biāo)。粗、精錐鉸刀的主要區(qū)別是：前者是直齒，齒的切削刃開有寬5 mm 的斷屑槽，相鄰齒的斷屑槽彼此錯(cuò)開；后者是螺旋齒，切削刃無斷屑槽。

圖8 ?73、?57/1:50 錐鉸刀（粗）

圖9 ?73、?57/1:50 錐鉸刀（精）

② 根據(jù)工件材料為普通鑄鋼、鑄造質(zhì)量較為穩(wěn)定、加工性能相對(duì)優(yōu)良等有利因素，將錐鉸刀的齒數(shù)分別按6、8 偶數(shù)齒設(shè)計(jì)。對(duì)于同一錐銷孔，當(dāng)不同位置部位的材質(zhì)和機(jī)械性能有較大差異時(shí)，特別是存在硬點(diǎn)或硬度、強(qiáng)度嚴(yán)重不均的情況，可將齒數(shù)按5、7 或7、9 奇數(shù)齒設(shè)計(jì)，這樣可確保切削過程中，當(dāng)某個(gè)切削齒出現(xiàn)嚴(yán)重磨損或崩刃后，刀具的定位效果不至于急劇下降，以維持切削過程和鉸孔精度的相對(duì)穩(wěn)定。

③ 精鉸刀齒形按40°大螺旋齒、左旋設(shè)計(jì)，漸近切入，具備切削輕快、平穩(wěn)的特質(zhì)。切屑前排，這種切屑流向非加工面的排屑方式，能有效保護(hù)面的已加工部位不被劃傷。

④ 容屑槽大、排屑順暢，這些優(yōu)點(diǎn)能有效防護(hù)切屑堵塞造成崩齒或刀體斷裂。

⑤ 由于工件材質(zhì)相對(duì)較軟，鉸刀的前、后角按較大設(shè)計(jì)，刃帶寬度在現(xiàn)有同類鉸刀的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)加大的選擇，這些措施在保證刃口鋒利的同時(shí)，又兼顧了刃口的強(qiáng)度。

⑥ 切削刃的錐角參照按同類成熟鉸刀設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)成2×45°（3×45°）→6°→1:50 錐度3 個(gè)切削段，整個(gè)切削刃平滑連接，切削下的鐵屑成本色材質(zhì)、無燒焦，形狀柔褶、卷薄，切削效果和效率均佳。

⑦ 切削齒高，則在刃口磨損后便于重磨再用，經(jīng)濟(jì)性好。精鉸時(shí)，單面加工余量按0.25～0.35 mm選取，切削液選用英國(guó)羅哥公司CR-2 攻絲油，能有效保證鉸孔精度，在長(zhǎng)期使用中發(fā)現(xiàn)，此攻絲油是成型面低速精加工的最佳選擇。唯一的缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，但相對(duì)而言，性價(jià)比總體合理。粗鉸時(shí)，切削液選用國(guó)機(jī)潤(rùn)滑油ZK-728，冷卻效果好，性價(jià)比適中。粗鉸切削參數(shù)：n=24～28 r/min，vf=18～22 mm/min；精鉸切削參數(shù)：n=12～16 r/min，vf=10～14 mm/min，深度還剩10 mm 時(shí)收刀，切削參數(shù)再降至n=8～10 r/min，vf=6～8 mm/min。

（4）上下半合并狀態(tài)的缸，在立車車削內(nèi)孔。

5 結(jié)語

壓氣機(jī)缸中分面法蘭定位方式由直銷優(yōu)化為錐銷后，在設(shè)計(jì)層面，提高了缸的定位精度、定位效果。在工藝層面，通過加工方法的完善和先進(jìn)工藝措施的應(yīng)用，很好地保證了錐銷孔的加工精度，達(dá)到了定位方式設(shè)計(jì)優(yōu)良，加工工藝方案保證得力的預(yù)期。特別是實(shí)現(xiàn)了錐銷的實(shí)際把緊力大于直銷，上下半合并后，缸的內(nèi)孔軸向、徑向錯(cuò)位均小于0.02 mm 的理想效果。這些技術(shù)措施，對(duì)機(jī)組性能的穩(wěn)定、提高發(fā)揮了實(shí)實(shí)在在的作用。除此之外，此舉措還提高了加工效率，降低了制造成本，縮短了制造周期，減輕了加工和裝配勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹的技術(shù)方案簡(jiǎn)單明了，不僅可用于重型燃機(jī)大型零部件研制，也可用于火電汽輪機(jī)、核電汽輪機(jī)和其他各類大型機(jī)電設(shè)備特性類似的零部件的研制上，適用性廣，推廣價(jià)值突出。