9E燃氣輪機耐熱合金二級復環車加工

南京汽輪電機（集團）有限責任公司 柳 政 朱 丹

9E燃氣輪機耐熱合金二級復環車加工

南京汽輪電機（集團）有限責任公司 柳 政 朱 丹

柳政

9E燃氣輪機是南汽引進美國GE公司技術合作生產的125MW燃氣輪機發電機組，二級復環是9E燃機的一個重要部件，它安裝在9E燃機透平氣缸中，主要作用是隔斷高溫氣流和透平氣缸，保護并防止氣缸過熱。二級復環由48塊單件組合而成，其總成尺寸大，尺寸精度和位置精度要求都很高，結構比較復雜。同時二級復環的材料是2Cr25Ni20奧氏體耐高溫不銹鋼，原來都是依靠從國外直接整部件進口，現在已經實現國產化。目前使用的刀具加工二級復環，刀具磨損快、生產周期長、效率低、成本增加。因此，如何有效解決二級復環的加工，既要滿足生產的需求，使燃機產品國產化順利完成，同時達到公司提出的“圍繞產品生產、展開降本增效”的目的。

加工中的技術難點

（1）二級復環是由48塊單獨的復環塊組成，每塊的聯接靠凹凸槽配合（見圖1）。車加工時靠定位銷固定在專用模具上。最大加工直徑達到2850 mm。復環在上、下端面存在著凹槽，凹槽兩處端面的平行度要求在0.05 mm以內，尺寸公差與內外徑公差都在0.07 mm以內，且與內外徑同軸度要求在0.05 mm以內。

（2）二級復環由48塊單獨的復環塊組成，加工時保證裝夾可靠。

（3）復環材料屬于難加工耐高溫奧氏體不銹鋼，此類材料在車削加工中一直是一個難題。

（4）目前的刀具對于二級復環的加工，周期長、效率低，不僅增加了相應的成本，更重要的是對產能造成很大的影響。

圖1 二級復環產品結構圖

專用裝夾工裝的設計

二級復環組件是由48塊形狀、大小相同的扇形塊組成，各扇形塊按一定順序排列組成一個外圓為2850 mm、內圓為 2570 mm、高度為165 mm整圓環，各扇形塊之間保證一定量的熱脹間隙，且內外圓有很高的尺寸精度和形位公差要求。

（1）復環塊加工時裝夾的要求：由于二級復環內、外圓有同軸度要求，且復環上、下端面存在環形槽，槽端面的平行度在0.03 mm以內，要求復環裝夾定位后必須一次加工完成，不得二次調整重新定位再裝夾。因此加工裝夾定位必須以48個安裝定位孔為基準，同時，要有足夠的空間一次性完成上、下凹槽的加工，如圖2所示。

（2）專用工裝的設計：根據圖樣要求和分析，設計出專用工裝，達到滿足一次性裝夾定位，完成加工的要求，如圖3所示。

圖2

（3）專用工裝壓板的改進：由于原壓板形式為單點單塊復環塊壓緊，工件在切削時，由于切削力比較大，且復環塊之間存在一定的間隙，導致在切削過程中存在個別復環塊出現位移現象。因此，由原來的單點單塊壓緊改制成雙點雙塊壓牢，及一塊壓板同時壓兩塊復環塊，增加了受力點，大大提高了復環的壓緊力，保證加工時平穩切削，如圖4、圖5所示。圖6所示為改進壓板后，二級復環現場裝夾情況。

圖3 二級復環加工專用工裝

圖4 改進前的壓板結構

圖5 改進后的壓板結構

圖6 二級復環裝夾圖

刀具的選擇

在選擇刀具之前，首先對9E燃機二級復環材料2Cr25Ni20與45鋼在化學成分和力學性能上做一比較（見表1、表2）。

表1 主要化學成分（質量分數，%）

表2 力學性能

根據此上各參數的比較，歸納復環材料有以下特點：材料的塑性高，切削時塑性變形大，切削力大；低導熱性，切削溫度高，散熱不好，得不到充分冷卻；分段組成，間斷切削，對刀刃造成大沖擊力；加工硬化現象嚴重；容易粘刀，刀具磨損快，壽命低。

1.內、外圓車刀片的選擇

根據以上材料特點，在加工中使用了很多廠家的刀片進行試切，多數很不理想，加工效率太低。由于復環加工直徑大，切削速度上不來，刀片切削使用沒多久就磨損了。經過試驗分析發現，由于復環之間存在間隙，加工屬于間斷切削，多數涂層刀具不適合該復環材料的切削加工。最后篩選出3種能滿足加工要求的刀具。

（1）M42高速鋼手磨車刀：轉速n=0.6 r/min（線速度v=5.4 m/min）；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：100 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內圓車一刀，背吃刀量3 mm，切削長度165 mm，需換刀1次，用時917 min。

（2）施特拉姆涂層刀片：轉速n=1.6～2.0 r/min（線速度v=16 m/min）；進給量f=0.2 mm/r ；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：50 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內圓車一刀，背吃刀量3 mm，切削長度165 mm，需換刀3次，用時458 min。

（3）山高涂層刀片：轉速n=4～6 r/min（線速度v=44.7 m/min）；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：100 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內圓車一刀，背吃刀量 3mm，切削長度165 mm，需換刀1次，用時110 min。

由上述3種刀具比較可以看出：第1種M42手磨刀耐磨性還可以，但切削速度較低，效率不高；第2種施特拉姆刀片加工效率比第1種刀提高了近一倍，但刀具耐磨性較差，壽命只有第1種刀的一半；第3種山高刀片加工效率比第1種刀提高了近8倍多，刀具壽命和第1種刀具相當。

經過以上比較，再進行價格和效率的比較，我們最終選擇了山高的粉末冶金涂層刀片進行內外圓的加工。

2.直槽割刀和上下勾槽刀的設計

在加工9E二級復環的各道直槽和勾槽時，在上述廠家沒有找到比較合適的刀具，一開始采用的仍然是進口刀片式割刀，刀片材料為硬質合金。這種刀片在耐磨性和切削速度上比較優越，但抗沖擊性能比較差，且切削阻力很大，加工時經常造成工件的振動甚至是位移。

經過反復研究，我們找到了國內的刀具廠商，根據我們提出的要求，改用整體式M42高速鋼直槽割刀和上下勾槽刀（見圖7），經過試驗，整個加工時的切削性能，特別是抗沖擊性大大提高，工件的加工質量和加工進度有了很好的提高。

圖7 整體式M42高速鋼勾槽割刀和直槽割刀

圖8 粉末冶金高速鋼刀片式槽割刀

（1）刀具結構的改進：在后續加工中發現，整體式M42割刀太費材料，一旦刀尖受損，一把勾槽刀就會報廢，而直槽割刀要花很多時間進行修復。為此我們改變了刀具的結構，利用報廢的整體式M42割刀，自行設計制造了刀片材料為M42高速鋼的刀片式直槽割刀和勾槽割刀，從而節約大量刀具費用。

（2）刀片夾緊方式的改進：由于在割內、外圓直槽時，切削量大，而且屬于間斷切削，造成切削時產生較大的阻力，為防止直槽割刀這種夾緊方式在切削時刀片產生位移，因此，又在此基礎上改變了刀片的夾緊機構（見圖8），從而使加工更加安全可靠。

（3）刀片材料的改進：由于采用M42高速鋼加工直槽時，加工完后，發現磨損比較嚴重，且效率比較低。在此情況下，我們沒有找更多的刀具廠商進行試切，而是突破常規，自行解決。在利用車二級復環內、外圓的效果較好的山高粉末冶金涂層刀片的提示下，我們經過咨詢，在沒有涂層的情況下選擇此粉末冶金高速鋼。為了節約材料，降低成本，同樣，在整體的粉末冶金高速鋼材料上，切割成片狀，做成粉末冶金高速鋼刀片，與M42的結構相同。

圖9 切削加工后對比圖

（4）改進后效果（見圖9）：在分別使用M42刀片和粉末冶金高速鋼刀片后，作了比較，以下為比較后的相關參數和效果對比。

M42直槽刀：轉速n=1.5 r/min；進給量f=0.2 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；冷卻：霧狀冷卻。

粉末冶金直槽刀：轉速n=2.5r/min；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；冷卻：霧狀冷卻。

從以上相關參數比較可以看出，使用粉末冶金刀片比M42刀片加工效率提高近2倍。

從圖9中可以看出，粉末冶金刀片比M42刀片在加工過程中磨損小得多，因此，粉末冶金刀片壽命長。從加工效果來看，通過以上自制刀片基本上是成功的。

同時，由于我們在加工二級復環內、外圓時，采用的是山高的涂層刀片，因此，下一步還打算對目前使用的粉末冶金直槽割刀刀片和后續使用的勾槽刀刀片進行涂層，相信將會有更好的加工效果。

結語

對于燃氣輪機二級復環奧氏體耐熱不銹鋼這種難加工材料，我們的加工技術處于行業領先水平，為燃氣輪機其他類似產品積累了經驗。掌握了原來只有少數發達國家才掌握的先進部件的加工方法和加工經驗，為未來幾年加工燃氣輪機其他產品零件難加工材料國產化鋪平了道路。

同時，在加工中能夠利用進口刀片材料的性能進行國產化自制，并取得很好的加工效果。這在未來的加工生產中可以得到很好的借鑒。

20140615）