燃氣輪機中間缸制造技術的研究

□沈永根　□蔡振銘上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠　上海　200240

燃氣輪機中間缸制造技術的研究

□沈永根□蔡振銘
上海電氣電站設備有限公司 上海汽輪機廠上海200240

作為E級燃氣輪機的關鍵部件，中間缸的尺寸龐大，毛坯采用焊接組合件，材料軟，是大型壁薄零件［1］，加工極易變形。介紹了E級燃氣輪機中間缸加工的一種新方法，詳細闡述了該加工方法具體的加工流程、加工特點以及所需工裝工具。該加工新方法解決了壁薄氣缸加工裝夾變形問題，解決了立車加工中校中心的難題，從而確保中間缸的加工精度，實現燃氣輪機關鍵部件中間缸制造技術的優化突破。

1　概述

SGT5-2000E級燃氣輪機是上海汽輪機廠從西門子引進的燃氣輪機技術，具有快速啟動特性好、可靠性和可用性高、對燃料質量要求低等優點，在國內聯合循環發電市場具有較好的口碑。E級燃氣輪機的中間缸是E級燃氣輪機的關鍵部件，一端連接至靜葉持環，另一端連接至排氣缸。該中間缸中裝有壓氣機和透平內件，中間缸由帶水平接頭和橫向支管的圓柱形外殼組成，主體結構為大型壁薄零件，如圖1所示，材料為16Mo3+Z15的焊接組合件，由于中間缸內腔型線復雜，多種類型的斜槽、角度槽精度要求高，使技術準備和實際加工工藝都存在很多困難，并且是我廠首次加工，無加工經驗可循。鑒于以上諸多的工藝難點，中間缸長期以來主要依靠國外進口。為了提高我廠燃氣輪機的國產化率，特別成立了中間缸國產化工藝技術攻關小組，實現中間缸制造的優化突破。

為了突破現有實際技術要求的局限性，達到加工制造的準確性、可靠性、合理性，從實際情況出發，編制了一種E級燃氣輪機中間缸關鍵部件的創新加工方法，保證中間缸制造的加工質量及加工精度，全面實現其加工制造的國產化。通過對中間缸加工技術的一系列準備工作，編制合理、可靠加工工藝，來正確地指導E級燃機中間缸加工的生產制造任務。

圖1　E級燃氣輪機中間缸結構示意圖

2　產品結構特點分析

E級燃氣輪機中間缸材料為：16Mo3+Z15焊接組合件，最大回轉直徑為4 450 mm，總長5 218 mm，呈圓桶狀，中間缸內腔型線復雜，多種類型的斜槽、角度槽的加工精度要求高，如圖2所示。

（1）左右兩端加工面相對于D-E基準軸線的全跳動控制在0.1 mm之內，φWH7內圓相對于A基準軸線圓跳動控制在0.1 mm之內，φQf7外圓相對于D基準軸線圓跳動控制在0.1 mm之內（如圖3中F1、F6放大圖），其內部50H7槽兩側面相對于C基準面的平行度控制在0.1 mm之內（如圖4中F3放大圖）。

（2）中間缸內部距右端D±0.1氣封擋的反平面有深13.3 mm的45°帶R2角燕尾槽，其槽底平面相對于B基準面的平行度控制在0.1 mm之內，槽底平面與氣封擋平面的間距是75d8（如圖5中F4、F5放大圖）。

3　產品加工難點分析

中間缸是燃氣輪機中的一個主要部件，是焊接組合件。主體結構為大型薄壁件，裝夾加工極易變形；內腔型線復雜，有多種類型的斜槽、角度槽，加工精度要求高。根據E級燃氣輪機中間缸結構的特點，確定E級燃機中間缸加工工藝技術的要求及方法，確定工藝攻關項目所需解決的加工內容及所需解決的加工質量。主要加工難點是如何控制大型壁薄件的變形，減小加工時的振動，加工中遇到的主要難題如下：

①編制符合本廠實際情況的、合理的、可靠的加工工藝，從工藝技術準備、工裝配備、程序編制等各方面出發，找尋最佳工裝配置，優化切削參數。

②數控鏜銑床加工裝夾變形［2］因素，確定數控鏜銑床加工裝夾方法［3］。

③數控立車加工裝夾變形因素及大型氣缸加工校中心、校垂直方法，確定數控立車加工裝夾方案、校調方式。

④數控立車加工45°帶R2角燕尾槽方案確定。

⑥數控加工程序的開發，并完成在數控機床上進行一系列的使用調試。

⑦研究應用大型測量工具，解決檢驗難題，完成精確測量加工精度。

4　產品加工實施措施

圖2　E級燃氣輪機中間缸剖視圖

圖3　E級燃氣輪機中間缸局部剖視放大圖

圖4　E級燃氣輪機中間缸局部剖視放大圖

圖5　E級燃氣輪機中間缸局部剖視放大圖

針對E級燃氣輪機中間缸結構的加工特點，通過產品加工難點的全面分析，制定E級燃機中間缸新的加工工藝。

4.1數控鏜銑床加工

來的是母親的娘家人，拜過母親和姐夫后，大舅、二舅和小舅就在涼棚下喝茶、抽煙，大聲地詢問是怎么回事，大聲地罵娘。大舅媽和小舅媽拐進客堂，坐到母親靈床邊哭天搶地的。桃花和梨花也跟著大哭。哭過一場，大舅媽小聲地問怎么回事？梨花搖搖頭。大舅媽和小舅媽就拐到桃花那邊，又問，桃花也不說什么。小舅媽就問她婆婆呢？桃花說在里屋。大舅媽和小舅媽就去里屋了。

由于缸體是大型薄壁零件結構，裝夾極易變形，采用三角鐵、方箱墊塊、壓板螺栓等數控鏜銑床加工裝夾工具，圖6所示為鏜床加工裝夾方案，使裝夾時支撐點和壓板壓力點在一直線上，它們的作用力相互抵消，以減小氣缸產生變形，能有效消除因裝夾所產生應力而引起對加工精度的影響。

氣缸加工前，設零點位置，粗銑水平中分面，留1 mm余量。根據圖紙要求，檢查各加工余量：水平中分面螺孔分布位置、內部腰帶加工余量、各缺口加工余量及氣缸輪廓，重新設置氣缸加工零點。精銑水平中分面時，用φ250盤銑刀加工，宜采用小切削深度、大走刀量的方法，先加工右端，由下向上銑，左端由上向下銑，使切削產生的力盡量靠近支撐點，每刀刀盤加工寬度為70%以下，防止振動變形。加工內部缺口時，一般車刀用刀補，走型線加工，宜采用淺進刀、快走刀量方法。并用φ10鉆頭定位中分面孔，打好立車校調基準，確保加工質量。

通過對E級燃氣輪機中間缸結構分析，認為鏜床難加工的部位為中間缸外部外圓靠近左端氣封處有定位通孔。設計專用鏜排和鏜刀，分粗鏜刀與精鏜刀兩種規格刀具，在數控鏜銑床上采用粗和精兩步工序鉆和鏜準定位孔，在鏜孔時，先在孔口進行試刀試切削，經測量合格后方能加工深孔，確保孔的精度要求。

通過使用試制的專用鏜刀，經檢測得到的孔的加工質量完全附合圖紙要求。

4.2數控立車加工

由于裝夾不允許在外圓上焊搭子，搭壓板；也不能在內腔腰帶上搭壓板；更不能使氣缸受力變形，如果采用傳統的缸體類零件裝夾方法時，將氣缸直接按劃線找平，并校垂直，通過在立車刀架上安裝百分表檢測并調整工作臺卡爪來定位工件圓心，在調整過程中，會發現卡爪的徑向壓緊力會直接導致氣缸在卡爪處出現0.4～0.7 mm左右的變形，測得缸體上下兩端對缸體中心線的垂直度在0.5～0.8 mm之間，按此種裝夾方式加工，將無法滿足精度要求，所以傳統的裝夾方法并不適用于燃氣輪機中間缸這樣的大型薄壁件的加工。

圖6　E級燃氣輪機中間缸上半鏜銑床上加工裝夾方案圖

圖7　E級燃氣輪機中間缸立車加工裝夾方案及裝夾示意圖

因為氣缸尺寸龐大，整個高度達5 218 mm，上海汽輪機廠最大數控立車工作臺面尺寸是φ6 500，立車刀架橫梁可上下移動4 400 mm，刀架滑枕最長加工距離為3 000 mm，而立車校中心、校垂直，采用新方法需要在氣缸上下兩端內側測量鏜銑床加工好的立車校調用的8個基準點，使8個點到中心距離相等，如圖8所示。

立車刀架滑枕長度不夠，因此不能通過在立車刀架上安裝百分表檢測氣缸內腔下端基準點，所以需要用立車底部校中心的立車校調儀來校中心、校垂直。我廠沒有中間缸立車底部校中心用的立車校調儀，如購買，需要進口，并需要5萬多元人民幣，為了實現氣缸校中心、校垂直，自行設計了立車校中心、校垂直方案及一套立車校調工具，如圖9所示。

其原理是根據數學定理，同圓上弧段相等，那么所對應弦相等，所對應弦心距相等，具體步驟如下：首先將設計的校調工具中4塊固定塊安裝到立車工作臺面上，如圖9所示，其次在安裝好的4塊固定塊上車出一個圓弧臺階面，使4塊固定塊上圓弧段同圓，固定塊上臺階面在同一平面上，再將氣缸在工作臺面安裝好，利用設計的裝有表桿和百分表的可移動校調盤靠緊圓弧面，使校調盤上兩凸出點與圓弧面相貼，百分表測量下部4個內部基準點如圖10所示，使4個點到氣缸內部基準點距離相等，與上部立車刀架測量4個基準點中心重合，可以認為氣缸的校垂直、校中心任務已經完成了。

針對中間氣缸內腔型線復雜，多種類型的腰帶、斜槽、角度槽加工精度要求高，又由于氣缸是薄壁件，剛度差，受徑向分力的影響容易產生振動和變形，在切削熱的作用下容易產生熱變形，使工件加工精度達不到加工要求，車50H7槽的進給方向為橫向，切削力較大，刀具的前角、副偏角、后角及副后角是影響切削的關鍵因素。經過研究，如果增大前角、副后角、副偏角及減小后角，可以降低切削力和功率消耗，使切削輕快，振動減輕，減小摩擦力，降低切削熱，并使工件在加工過程中變形小。但由于選用較大的前角、副后角、副偏角及減小后角，降低了刀具強度，容易產生崩刃情況，因此經過試切削得出結論：25°前角的割槽車刀在0.17 mm/r、50 mm/min的切削速度下，達到的效果在加工質量、加工效率以及加工經濟性上最好，所以選用了25°前角的割槽車刀。又因為工件材料為16Mo3+Z15，屬于加工韌性較強的材料，所以割槽車刀的材料經過篩選，選用YG6硬質合金割槽車刀為粗車刀材料，GC1115硬質合金為精車刀材料，從而能在耐磨性和韌性之間取得良好的平衡。

圖8　E級燃氣輪機中間缸立車校中心示意圖

圖9　E級燃氣輪機中間缸立車校中心校調儀

通過對E級燃氣輪機中間缸結構分析，認為立車難加工的部位為中間缸內部距右端D±0.1 mm氣封擋的反平面中深13.3 mm的45°帶R2角燕尾槽，其槽底平面相對于基準面的平行度要控制在0.1 mm之內，槽底平面與氣封擋平面的間距是75d8，必須設計專用立車鉤車刀，采用專用的測量工具，在數控立車采用上拉式加工方法，來確保各公差加工要求。

4.3數控程序開發

由于數控加工程序刀軌比較復雜，涉及粗車、半精車、精車等多個道序的加工，為了更好地校驗程序的正確性，除了人工校對程序之外，還采用數控機床模擬軟件模擬數控程序的加工軌跡，確保加工的正確性。

4.4加工尺寸測量檢驗

經過一系列的攻關、創新制造優化及操作人員的精心操作，完成了中間缸的加工制造。在加工過程中和加工結束后，檢驗人員對此零件的16項尺寸精度和7項形位公差進行了檢驗，合格率達到99.6%。缸體內幾個重要檢測點，設計或購置了特定檢測工具，如腰帶槽，設計了專用卡板來檢測，燕尾槽用FARO測量臂檢測得數據所建模型和圖紙作比較，75d8尺寸用激光筆來檢測，法蘭螺孔沉孔表面粗糙度用粗糙度儀來檢測，深定位孔精度用內徑千分尺來檢測等，優質完成生產制造任務。

圖10　E級燃氣輪機中間缸立車校中心測量下部4個內部基準點的模型圖

5　結論

通過對新產品SGT5-2000E級燃氣輪機中間缸結構的加工技術分析研究，對E級燃氣輪機中間缸的一系列制造工藝試驗，對新加工工藝方法的大膽嘗試，解決了E級燃氣輪機中間缸制造過程中工藝技術上難點，以及對數控鏜銑床的附件、各種工具的合理運用，革新我們的制造理念，提高生產制造效率，確定了E級燃氣輪機的中間缸制造工藝技術的方法。完成E級燃氣輪機中間缸制造相關的工裝、夾具制造，形成具有自主知識產權的E級燃氣輪機中間缸的制造工藝技術。加快及提高E級燃氣輪機關鍵部件的國產化率，使得公司加工E級燃氣輪機中間缸的工藝水平上一個新臺階。

［1］ 劉海波.大型不規則薄壁零件測量-加工一體化制造方法與技術［J］.機械工程學報，2014（8）：94-94.

［2］秦國華，吳竹溪，張衛紅.薄壁件的裝夾變形機理分析與控制技術［J］.機械工程學報，2007（4）：211-216

［4］ 薛源順主編.機床夾具設計［M］.北京：機械工業出版社，2001.

As a key component of E-class gas turbine，the intermediate cylinder is huge in size，owing to that the blank is made of welded assembly it is a large-scale，thin wall part［1］with soft material that is easily deformed during processing.Introduced a new method to process intermediate cylinder of E-class gas turbine with detailed specific processing procedures，processing characteristics and the required special tools of the processing method.This approach can settle the issues and problems such as deformation of thin-walled cylinder during clamping&processing，centering in vertical lathe，so that the machining accuracy of the intermediate cylinder could be ensured by optimization and breakthrough of the manufacturing technology of key components in gas turbine-the intermediate cylinder.

燃氣輪機；壁薄零件；變形；加工方案；工裝工具

Gas Turbine；Thin-wallPart；Deformation；Processing Plan；Tooling；Machining Accuracy

TH161

B

1672-0555（2015）03-021-07

2015年5月

沈永根（1963年-），男，工程師，主要從事汽輪機大型零部件的工藝及數控編制工作