高速銑削汽輪機(jī)葉片表面殘余應(yīng)力影響因素研究*

謝小正，趙榮珍，陳惠賢

(蘭州理工大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院;b.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

0 引言

葉片是汽輪機(jī)將蒸汽動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子機(jī)械能的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)和制造水平很大程度上決定著汽輪機(jī)的性能［1］。由于葉片形狀復(fù)雜、尺寸跨度大、受力惡劣、承載大、在高溫、高壓和高速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，因此當(dāng)葉片表面質(zhì)量不高時(shí)嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能［2］，而且葉片榫槽表面質(zhì)量低時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊會(huì)嚴(yán)重影響汽輪機(jī)整機(jī)使用性能，因此提高葉片表面及葉片榫槽表面質(zhì)量對(duì)提高汽輪機(jī)的性能至關(guān)重要。國內(nèi)某電廠對(duì)型號(hào)為C50-8.83/0.118的汽輪機(jī)次末級(jí)動(dòng)葉片(材料為1Cr12Ni2W1Mo1V不銹鋼）進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，第19級(jí)30#、80#葉片損傷嚴(yán)重，70#葉片斷裂，同時(shí)拉筋、圍帶均斷裂。分析原因主要是由于葉片表面完整性差、自身殘余拉應(yīng)力過大、加工溫度過高燒傷葉片，從而引起葉片機(jī)組振動(dòng)、工作中葉片斷裂，后邊這些問題主要是葉片加工過程中造成的［3］。傳統(tǒng)機(jī)加工方式加工的葉片，表面質(zhì)量由于殘余應(yīng)力的存在而較差。這是由于殘余拉應(yīng)力的存在會(huì)明顯降低材料的疲勞強(qiáng)度，且在有應(yīng)力集中或者有腐蝕性介質(zhì)存在的工況下，殘余拉應(yīng)力對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響更為突出;而殘余壓應(yīng)力對(duì)汽輪機(jī)葉片的抗疲勞性能以及使用壽命至關(guān)重要［4］。另外不銹鋼葉片高速銑削屬于典型的難加工材料復(fù)雜曲面精密加工［5-6］。因此，本文就不銹鋼葉片力學(xué)性能及機(jī)械加工性能結(jié)合高速銑削精確分析加工工藝參數(shù)對(duì)葉片的殘余應(yīng)力影響。

1 試驗(yàn)材料及加工工藝參數(shù)

1.1 試驗(yàn)材料及其性能

試驗(yàn)選取的1Cr12Ni2W1Mo1V為馬氏體型鉻鎳不銹鋼，常用于制造汽輪機(jī)動(dòng)靜葉片、動(dòng)葉圍帶、閥桿及閥桿套筒、葉片鉚釘?shù)攘慵休^高的熱強(qiáng)性、良好的減震性及組織穩(wěn)定性。表1為該材料在室溫/高溫下的力學(xué)性能［7-8］。

表1 1Cr12Ni2W1Mo1V不銹鋼的力學(xué)性能

1.2 銑削工藝參數(shù)及加工過程

為了保證加工精度，加工實(shí)驗(yàn)過程中其定位方式采用以下方法［9-10］，如圖1所示:

①選擇內(nèi)側(cè)面P點(diǎn)、緣上Q點(diǎn)、葉身內(nèi)弧上R點(diǎn)三點(diǎn)定位，以安裝板方向建立Y軸加工基準(zhǔn)面A;

②參考基準(zhǔn)面A，在截面a、b上取點(diǎn)，再取內(nèi)側(cè)面P點(diǎn)，以后緣方向上下建立X軸加工基準(zhǔn)面B;

③參照基準(zhǔn)面A和B及內(nèi)側(cè)面P點(diǎn)，在葉冠頂端建立Z軸加工基準(zhǔn)C。:

圖1 葉片加工基準(zhǔn)的選取

實(shí)驗(yàn)在MICRON UCP710五坐標(biāo)數(shù)控加工中心上進(jìn)行，選用整體式硬質(zhì)合金立銑刀。刀具直徑φ30mm，前角8°，后角10°，螺旋角40°。

試驗(yàn)工藝參數(shù)分為九組:主軸轉(zhuǎn)速n依次選擇5000r/min、8000r/min、10000r/min，切削參數(shù)按照表2所示數(shù)據(jù)進(jìn)行:

表2 切削工藝參數(shù)

在之后的A～I(xiàn)九組試驗(yàn)中，每一道工序完成之后，將沿葉片已加工表面X向和Z向切割、拋光、研磨制作金相試樣(X向?yàn)榍邢鬟M(jìn)給方向，Z向?yàn)榈毒咻S線方向）。葉片已加工表面殘余應(yīng)力采用X-350型X射線衍射儀完成檢測(cè)，1Cr12Ni2W1Mo1V不銹鋼葉片已加工表面金相組織變化情況使用數(shù)字顯微鏡Nikon-SMZ1000觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及表面應(yīng)力

下表3為不同工藝參數(shù)對(duì)1Cr12Ni2W1Mo1V材料加工表面殘余應(yīng)力值的影響。

表3 工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼表面殘余應(yīng)力影響

從表3可以看出，在A、D、G三組軸向切深ap和進(jìn)給量fz相同情況下，主軸轉(zhuǎn)速vc在低轉(zhuǎn)速區(qū)，已加工表面的殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，其對(duì)葉片的疲勞性能是有害的，但是隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，拉應(yīng)力開始向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，之后又轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。觀察后容易發(fā)現(xiàn)切削速度vc逐漸升高時(shí)殘余拉應(yīng)力有降低趨勢(shì)，在Z方向上主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，壓應(yīng)力越來越大。

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在5000r/min～8000 r/min時(shí)，切削速度由40m/min～80 m/min提升時(shí)，表面殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變，葉片表面加工質(zhì)量向有利于提高性能方向發(fā)展，但在8000 r/min～10000 r/min時(shí)，切削速度由40m/min～80 m/min變化時(shí)，X方向和Z方向已加工表面的殘余拉應(yīng)力均迅速增加。

圖2為切削過程中殘余應(yīng)力及切削熱隨不同的加工參數(shù)變化的曲線圖。

圖2 主軸轉(zhuǎn)速、切削速度對(duì)殘余應(yīng)力、切削熱的影響曲線

2.2 結(jié)果分析

按照1.2中表2進(jìn)行切削試驗(yàn)，圖3為不同主軸轉(zhuǎn)速和切削速度下已加工表面金相組織顯微圖。選取其中三組進(jìn)行分析:圖3a為主軸轉(zhuǎn)速n=5000r/min，工藝參數(shù) vc=40m/min，fz=0.15mm/z，ap=1.5mm的顯微圖;圖3b為主軸轉(zhuǎn)速n=8000r/min，工藝參數(shù) vc=40m/min，fz=0.2mm/z，ap=1.5mm 時(shí)顯微圖。圖3c為主軸轉(zhuǎn)速n=10000r/min，工藝參數(shù) vc=40m/min，fz=0.15mm/z，ap=1.5mm 時(shí)的顯微圖。

圖3 不同工藝參數(shù)下不銹鋼表面金相組織

從圖3a中可以看出，葉片表面比較粗糙，且晶粒扭曲變形，主要是由于在低轉(zhuǎn)速速切削條件下，切屑與刀具前刀面之間互相摩擦力較大，切削溫度較低，切削力對(duì)殘余應(yīng)力影響占主要地位。分析圖3b可知在低轉(zhuǎn)速下表面拉應(yīng)力較大。在切屑變形區(qū)刀具和金屬材料相互作用，切屑在脫離已加工表面時(shí)被擠出。

圖3b中，可以看出葉片表面完整性好，表層微觀組織沒有明顯相變，晶粒整齊排列。因?yàn)殡S著主軸轉(zhuǎn)速的提高過程切削力減小，此時(shí)刀具后刀面磨損加劇，其和已加工表面之間的擠壓力增大，從而使得硬化層范圍擴(kuò)大，在已加工表面產(chǎn)生了一定的壓應(yīng)力;且高速切削過程中產(chǎn)生的絕大多數(shù)熱量被切屑帶走，加工產(chǎn)生的熱量還沒來得及傳導(dǎo)給工件就已經(jīng)脫離已加工表面。所以工件表面塑性變形很少發(fā)生，從而已加工表面缺陷很少，并且從圖2中得知溫度的最小值和X、Z方向的壓應(yīng)力出現(xiàn)在同一組切削參數(shù)組中，轉(zhuǎn)速 n=8000r/min，切削速度 vc=80m/min時(shí)，表面完整性好。

將圖3b與圖3c比較明顯可以看出，圖3c中材料顯微組織不夠光滑，有被拉傷的痕跡。其原因在于當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 n=10000r/min，切削速度在40～80m/min時(shí)，使得摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，變形系數(shù)減小，因此切削力不再是主要矛盾，切削熱成為主要因素，而高的切削溫度使得材料表面產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，且1Cr12Ni2W1Mo1V在高溫時(shí)有較大的塑性和金屬流動(dòng)性［4］，所以刀具離開已加工表面后，其被冷卻，高溫引起的塑性變形導(dǎo)致材料難以恢復(fù)到原態(tài)，產(chǎn)生了大的殘余拉應(yīng)力。

總之，主軸轉(zhuǎn)速增加有利于殘余壓應(yīng)力的提高，但其有一定的范圍，當(dāng)切削速度增加到一定值后殘余壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化;溫度熱應(yīng)力對(duì)殘余拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用，而切削速度增加導(dǎo)致溫度的增大。

3 結(jié)束語

本文主要分析了汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片在實(shí)際應(yīng)用中表面殘余應(yīng)力導(dǎo)致的失效問題，分析其成因主要由于葉片的抗疲勞性能較低所致，而疲勞損壞是由其表面層所受的拉應(yīng)力引起的，表面層的殘余壓應(yīng)力可抵消一部分拉應(yīng)力，從而使葉片的疲勞強(qiáng)度得到提高。通過對(duì)不銹鋼葉片進(jìn)行不同工藝參數(shù)下的切削試驗(yàn)，研究得出了切削過程中工藝參數(shù)對(duì)1Cr12Ni2W1Mo1V不銹鋼葉片表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律:主軸轉(zhuǎn)速增加有利于殘余壓應(yīng)力的提高，但其有一定的范圍，當(dāng)切削速度增加到一定值后殘余壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化;溫度熱應(yīng)力對(duì)殘余拉應(yīng)力起著主要的作用，而切削速度增加有使得溫度的增大，從而使表面應(yīng)力變化;受主軸轉(zhuǎn)速影響，其轉(zhuǎn)速在大約8000～9000 r/min時(shí)表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)的壓應(yīng)力且切削溫度最低，隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，切削熱成為主要影響因素;對(duì)于高速銑削馬氏體不銹鋼材料，主軸轉(zhuǎn)速一定情況下，切削參數(shù)應(yīng)以高的切削速度，較小的切削深度和中等的進(jìn)給量來進(jìn)行。

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