高壓噴嘴室導流板斜錐孔系加工工藝分析

馬培花 喻楊銘 湯貴金 徐有元

(中國航天中國長江動力集團有限公司，湖北 武漢430074)

1 高壓噴嘴室導流板的用途、結構特點及加工難點

1.1 高壓噴嘴室及導流板的用途

高壓噴嘴室是汽輪機高溫高壓新蒸汽進入汽輪機的第一個汽流通道，蒸汽壓力溫度都很高，高壓蒸汽的轉向膨脹加速在高壓噴嘴導流板的斜錐孔系中完成，將蒸汽的勢能轉換為動能，首先推動噴嘴室后的第一級轉子旋轉，開始實現汽輪機做為源動機的能量形式轉換。

1.2 高壓噴嘴室導流板的裝配位置及整個裝配體的結構及材料特性

高壓噴嘴室主要由高壓噴嘴室本體、高壓噴嘴室導流板和彎管3 部分組成，本體及彎管材料為K12F54B，類似于國內標準材料15CrMoV，導流板材料為A387GR22 -2SR，類似于國內標準為12CrMoV，都屬于耐高溫高壓蒸汽的難加工合金材料。高壓噴嘴室圖見圖1，導流板在出汽側位置，決定高溫高壓蒸汽的噴射方向及速度。

1.3 高壓噴嘴室導流板的加工難點

主要的技術難點是:高壓噴嘴室導流板(簡稱導流板，結構簡圖見圖2)錐孔系是空間孔系，相互位置要求很高，如果定位及孔系相對位置出現問題，到高壓噴嘴室整體組裝階段將出現導流板孔及高壓噴嘴室本體上噴嘴孔對不上，導致產品報廢;再則出汽側孔軸線與出汽側軸向平面夾角達15°、且是錐孔、表面粗糙度Ra0.8 μm，加工難度非常大。

加工過程中必須解決以下問題:(1)導流板錐孔系的加工方案論證選定;(2)加工過程定位參數的確定;(3)保證加工效果的工裝、刀具、夾具等的設計、制作。

2 高壓噴嘴室導流板加工工藝分析

通過分析產品圖紙，可以發現導流板孔噴嘴孔系在圓周方向是規律分布的，由此可以初步選定基本加工方式為繞導流板中心徑向分度旋轉加工。

由基本加工方法進一步推敲，具體到加工工藝方法，可以有兩種方案選擇:(1)導流板平放在數控臥式銑鏜床的回轉工作臺上(見圖3)，鏜床主軸上裝萬能角銑頭，加工方向由水平方向通過調整萬能角頭的方向轉換到垂直于主軸方向的豎直面內，再在萬能角頭的主軸上裝專用刀柄和加工刀具，完成加工;(2)設計制造專用工裝，將導流板裝在專用工裝上(見圖4)，工件在豎直狀態，通過分度機構分度，可以在數控鏜床上或者普通鏜床上完成加工(見圖5)。

兩種方案各有優缺點。方案一的優點在于:利用機床所配標準附件及標準刀具，可以盡量縮短專用工裝的準備、加工周期，在節點保證和加工效率上有相對優勢;缺點是:經過角頭、加工刀柄和加長鉆頭、鉸刀的幾道轉接后，工藝系統的剛性較差，對工件質量保證有一定風險。方案二的優點在于:設計制造專用工裝后，可以實現非常牢靠的工件裝夾工藝系統，對工件質量有較好的保證，其次可以通過工裝設計分度裝置，突破方案一加工分度時對數控設備的依賴，在普通鏜床上完成加工，降低加工成本;缺點在于:要設計制造專用工裝，制造周期及工裝加工成本投入相較方案一要大。

在公司的質量保證體系中，對于重大且風險大的關鍵項目，必須做工藝試驗進行驗證。隨后我們按公司程序文件的相關流程要求進行了相關的工藝試驗，工藝試驗效果顯示:方案一的刀具系統在經過兩道甚至是三道轉接后，剛性大大降低，加工效果達不到圖紙要求，被否定。方案二雖說有工裝設計、加工成本，但可以很好地滿足圖紙要求，達到QC 質量控制的控制根本。

方案二的關鍵在于工裝設計制造和工藝方法。因為孔系是有相對空間位置要求的，工裝設計時要考慮用最簡單的方法加工制造出來，操作者加工時能用最便捷的操作完成工件加工，保證工件質量，提高加工效率，降低加工成本。經過與經驗豐富的老工程師討論，并反復推敲、多次修改設計方案，確定了用導流板內孔在工裝上定位、定位銷子分度的工裝設計加工理念，并設計標準對刀塊，綜合圖紙及工裝設計的結構因素，確定孔系孔加工時所需的定位參數。后期加工過程中對孔系加工方式進行進一步優化調整，在用工藝壓塊做輔助壓緊同時可將孔的加工面轉換到垂直刀軸的平面內，并在轉換后的加工面上先用中心鉆打定位中心孔，可有效防止孔預鉆階段鉆頭飄移，避免了因鉆頭飄移導致的鉆頭折斷或孔鉆歪斜等不良后果。

3 高壓噴嘴室導流板加工工藝優化固化及定位解決

經過對加工過程跟蹤記錄，對工藝優化調整后，分別對導流板進出汽邊孔加工工藝進行固化。

與出汽邊平面夾角15°的φ17.35 mm/φ17.75 mm錐度為1/65. 05 的大斜度錐孔鏜關鍵加工工藝固化為:

(1)點鉆定位孔:用中心鉆點鉆中心孔。

(2)麻花鉆預鉆錐孔:用短鉆頭預鉆。用加長鉆頭預鉆。

(3)鍵槽銑刀預銑錐孔:兩把加長鍵槽銑刀粗銑成階梯孔。

(4)鉸錐孔:用開斷屑槽的粗鉸刀粗鉸錐孔;用精鉸刀精鉸孔至圖紙尺寸，所用刀具參見圖6。

將導流板上與出汽邊大斜度錐孔有空間位置的進汽側φ43 mm 斜孔加工的鏜關鍵加工工藝固化為:(1)用鍵槽銑刀銑平下刀平面。(2)預鉆孔:錐柄麻花鉆預鉆孔至φ36 mm。(3)粗銑孔:用φ40R2.4 銑槽銑刀預銑孔至φ40 mm，底部留0.3 mm 余量。(4)整體硬質合金銑刀高速精銑孔。

進汽側加工所用刀具參見圖7。該側斜孔與進汽邊面夾角為75°，僅從單個孔的加工難度綜合比較，加工難度稍低于出汽邊，其關鍵在于該孔與出汽邊斜錐孔的相對位置保證。在工裝設計階段，應用CAD/CAM 軟件經過三維造型和模擬加工，并用裝在工裝特定位置的與工件位置有特定關系的工藝標準對刀塊來確定孔在工件上的位置，在加工時根據特定位置關系對刀設定參數，確定孔系位置，使孔系相互位置關系這一難題得以解決。

4 加工過程的刀具問題

在加工過程中，出現多把特制鉸刀扁尾處斷裂的情況，給產品質量造成很大影響。分析主要原因是鉸削過程中，因為鉸刀是錐度鉸刀，吃刀面積很大，造成刀具承受扭矩很大，刀具整體結構上強度最薄弱處是刀具扁尾及刀具與刀柄連接處(參考圖8)，所以當刀具所承受扭矩太大超過刀具整體所能承受的最小安全系數時，斷裂就會發生在這兩處。經與刀具工程師溝通，優化修改刀具結構細節，在鉸刀前端磨削一倒棱，減小刀具前端受力，刀具切削刃螺旋角增大減小鉸削時每轉的切削扭矩。經以上措施優化后，刀具切削效果有良好改善，在刀具方面的可靠性得到保證。

5 效果檢驗、結束語

我們按公司質量管理相關程序文件的流程要求，通過一系列的攻關、工藝試驗，對方案進行論證、排除、優化，加上操作人員的細心操作，我們完成了某項目給水泵汽輪機組中高壓噴嘴的加工，經檢驗人員檢查，形位公差及表面質量都達到圖紙設計要求。按此工藝方法，目前已完成公司所承接某項目4 臺給水泵汽輪機上配套高壓噴嘴室的加工裝配，并做為QC 質量控制的技術控制環節，對工藝文件優化整理后入庫存檔，完善同類工件加工的資料儲備工作。

做為一名工藝人員，筆者認為要加工出優質的零件，首先要了解零件的結構、裝配要求，之后確定正確、合理的加工工藝方案，并細化為可指導車間生產的可操作性工藝文件。在完成高壓噴嘴室導流板加工的過程中，面對重重的困難，經過不斷摸索實踐，我深深體會到只有理論聯系實際，善于總結，集思廣益，博采眾長，不斷探索，才能實現克難攻堅，同時在工作中使自己的技術水平得以提升。

［1］李洪.機械加工工藝手冊［M］.北京:北京出版社，1998.

［2］徐宏海.數控加工工藝［M］.北京:化學工業出版社，2003.

［3］楊叔子.機械加工工藝師手冊［M］. 北京:機械工業出版社，2001.