150MW汽輪機高中壓外缸內(nèi)腔加工技術(shù)

■中國長江動力集團有限公司 （湖北武漢 430074）

朱衛(wèi)峰 張 軍 楊曉東 聶士海 曾凡浩

1. 高中壓外缸內(nèi)腔加工難點

（1）高壓外缸結(jié)構(gòu)特點：圖1所示為汽缸上、下半簡圖，其材料為Z G15C r2M o1（鉻鉬合金鑄鋼），切削性能差。上半凈重25 000k g，外形尺寸：長5 817m m、寬3 370m m、高2 053mm，中分面壁厚405mm；下半凈重25 000kg，外形尺寸：長5 437m m、寬3 370m m、高1 760mm，中分面壁厚405mm。

兩端汽封加工最小內(nèi)圓為φ 805mm，內(nèi)缸定位槽加工最大直徑1 970mm，該零件體積、質(zhì)量大，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)為兩頭小、中間大。

（2）加工難點：根據(jù)150MW汽輪機高中壓外缸結(jié)構(gòu)特點，若采用車削方式加工，工藝剛度得不到保證，加工質(zhì)量難以達到要求。因此采用數(shù)控龍門鏜銑床圓弧插補銑削加工汽缸上、下半內(nèi)腔各圓槽的工藝手段，取代傳統(tǒng)組合汽缸車削各圓槽的加工方法。其難點在于上、下單半汽

150M W汽輪機高中壓外缸是汽輪機關(guān)鍵靜子部件，而高壓外缸中分面、隔板套槽和內(nèi)缸定位槽的加工質(zhì)量好壞，直接影響汽輪機組總裝和運行。在首臺150M W汽輪機高中壓外缸上、下半（簡稱汽缸上、下半）內(nèi)腔各槽加工中，消除影響加工精度的諸多因素，提出合理的加工方法，加工后經(jīng)測量，上、下半各槽相同尺寸誤差均＜0.02m m。但合缸后（自由狀態(tài)下）隔板套槽、內(nèi)缸定位槽及兩端汽封等軸向存在錯位現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象缸分開加工，必須保證兩半汽缸內(nèi)腔各圓槽軸、徑向相同尺寸一致性，汽缸上、下半組合后，軸向錯位≤0.05m m，中分面間隙≤0.05mm（自由狀態(tài)下）。在實際加工過程中，不僅要考慮加工誤差，還要考慮大型零部件受重力影響的變形誤差，以及零件加工狀態(tài)與零件工作狀態(tài)發(fā)生改變所引起的變形誤差。

圖1 高壓外缸結(jié)構(gòu)及加工要求

2. 提高加工精度措施

在機械加工中，機床、工件、裝夾和刀具構(gòu)成完整的工藝系統(tǒng)。而工藝系統(tǒng)的精度，必將在不同的工藝條件下，以不同程度和方式反映為零件的加工精度。該零件工藝系統(tǒng)誤差主要表現(xiàn)為：機床、裝夾及刀具的制造、磨損及調(diào)整誤差；工藝系統(tǒng)受重力引起的誤差，工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差。在實際分半缸加工中，要考慮機床設備精度、裝夾定位、工藝路線、熱變形、刀具以及零件靜定結(jié)構(gòu)受重力變形等對汽缸加工精度的影響，并將其加工誤差控制到最小。

（1）機床設備精度：機床設備是工藝系統(tǒng)幾何誤差控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機床設備精度越高，零件加工精度就越高。精度高的機床設備是保證零件加工精度的前提條件。

圖2 汽缸內(nèi)腔槽與機床軸的幾何關(guān)系

機床設備精度主要包括機床幾何精度和機床定位精度。特別是機床設備的幾何精度誤差，對汽缸中分面平面度和汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度有較大的影響。150M W汽輪機高中壓外缸中分面平面度與X、Y、Z進給軸直線度誤差相關(guān)，其進給軸直線度誤差越小，汽缸中分面平面度誤差就越小。汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度與X、Y、Z進給軸間垂直度相關(guān)（見圖2），其進給軸間垂直度誤差越小，汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度誤差就越小。且機床X、Y、Z進給軸間垂直度誤差在汽缸上、下半合缸時，誤差值放大1倍。因此150M W汽輪機高中壓外缸上下半中分面及內(nèi)腔各槽必須選用精度較高的機床加工。根據(jù)機床精度技術(shù)參數(shù)，選用德國PowerTec 6500 AG數(shù)控龍門鏜銑床加工，其機床精度滿足產(chǎn)品加工精度要求。

（2）負荷分配、裝夾定位：汽輪機高壓外缸在電廠安裝中，必須進行負荷分配，以減少汽缸不規(guī)則變形和振動，確保機組安全、長周期運轉(zhuǎn)。在汽缸加工過程也必須對汽缸進行負荷分配，不僅為電廠安裝作好前期準備，同時減少切削加工過程中產(chǎn)生的不規(guī)則變形。汽輪機運行中，高中壓外缸靠四個貓爪支撐定位，因此在加工過程中也選擇貓爪作為支撐，其他點作輔助支撐（精加工去掉輔助支撐）。按負荷分配標準，利用負荷分配專用測力器，調(diào)整四點受力均勻。負荷分配符合要求后，用百分表監(jiān)測，將測力器更換成等高鐵，以貓爪裝夾定位，保證壓緊前后百分表數(shù)值不變。

（3）工藝路線、熱變形：澆鑄成型的汽缸上、下半，在切削過程中產(chǎn)生的熱應力，對零件加工精度影響較大。具有熱應力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部組織有強烈傾向要回復到一個穩(wěn)定、沒有應力的狀態(tài)。即使在常溫下，零件也不斷地進行這種變化，直到內(nèi)應力消失為止。在這種過程中，零件的狀態(tài)逐漸變化，原有的加工精度逐漸喪失。在安排高中壓外缸上、下半加工工藝路線時，必須考慮到內(nèi)應力的消除、熱變形的控制。因此，首先完成加工余量多的加工工序如中分面連接孔、進汽孔，中分面粗銑，其次完成中分面和內(nèi)腔圓槽半精加工。通過對工序的編排，合格完成各部加工的同時，有效消除汽缸內(nèi)應力。切削加工時，刀具冷卻必須充分，以減少熱變形，從而使汽缸達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

（4）內(nèi)腔精加工：圖3 所示為高壓外缸內(nèi)腔結(jié)構(gòu)簡圖。汽缸內(nèi)腔精加工各槽，必須保證單半缸軸、徑向尺寸在圖樣公差范圍內(nèi)，且保證上、下兩半缸軸、徑向尺寸一致（誤差不超過±0.01m m）。加工過程中合理選擇加工基準，確定最佳走刀路線，使上、下半缸加工存在的對刀誤差、機床定位誤差以及溫差引起的機床誤差降到最小。首臺150MW高中壓外缸加工中，考慮到?jīng)]有實際加工經(jīng)驗，試加工圖樣尺寸在原圖樣尺寸上留有1mm余量。

具體工藝措施如下：①上、下半加工基準。圖樣設計基準位于兩進氣孔中心處，而內(nèi)腔各槽的加工基準必須利于對刀、編程和測量。因此，以內(nèi)缸定位環(huán)出氣邊作為加工基準最佳。通過對圖樣的分析，利用工藝尺寸鏈換算全部加工槽至定位環(huán)出氣邊的尺寸。加工中以定位環(huán)基面對刀確定軸向零點（X軸編程零點），以定位環(huán)徑向圓弧面對刀確定徑向零點（Y軸編程零點），以中分面對刀確定分半面零點（Z軸編程零點）。②刀具選擇與使用。考慮到機床直角附件銑頭結(jié)構(gòu)、性能、加工效率及經(jīng)濟性，最終選用Ingersoll固定切寬修光式可轉(zhuǎn)位三面刃銑刀φ 500mm×B28mm和φ 400mm×B24mm。該刀具正前角大，切削力小。根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度實際情況，半精加工（粗銑刀片切削）調(diào)整得出線速度Vc=120m/min、切深Ae=30mm、每齒進刀量fz=0.2m m。切削長度4 0 m 內(nèi)刀具無磨損。精加工（修光刃刀片切削）線速度Vc= 130m/min、切深Ap=0.05mm、每齒進刀量fz=2m m。切削長度20m內(nèi)無磨損。③上、下半缸加工程序同步。考慮到機床精度受環(huán)境溫度變化而變化，要求在PowerTec 6500 AG數(shù)控龍門鏜銑床上同步加工汽缸上、下半各軸向、徑向尺寸，以確保機床精度誤差的一致性。考慮到刀具微量磨損、機床定位誤差對加工尺寸的影響，精加工各槽時，更換新刀片、重新對刀以及采用變量參數(shù)編程，一次編程加工完成所有軸向尺寸（15mm定位槽和10mm汽封槽除外）。同樣方法加工另一半各槽。此方法有效避免了兩半缸加工中刀具磨損和定位誤差的不一致。根據(jù)切削參數(shù)的計算，精加工各軸向尺寸加工時間約2h，此時間范圍內(nèi)環(huán)境溫差控制在±2℃，機床精度受溫度變化可以忽略不計。

精加工程序如下：

R1= ;汽缸出氣邊軸向尺寸

R2= ;汽缸隔板槽半徑

R3= ;刀具半徑

R4= ;刀具厚度

R5=R2-R3;編程半徑

圖3 汽缸內(nèi)腔部位說明

R6= ;槽寬

G90 G19 G54

S100 M3

G0W0

Z300

Y0

G0X=R1

Y=R5

Z150

G1Z0 F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5F300

G0Z150

Y0

X=R1-R6+R4

Y=R5

G1Z0F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5

G0Z150

Y0

M30

3. 合缸前后檢驗情況

（1）合缸前測量情況。加工完后隨機床用三坐標測量儀測量，如圖4所示，汽缸上、下半各軸A系、B系及其徑向相同尺寸誤差均在0.02mm內(nèi)，中分面平面度在0.02mm內(nèi)，符合加工工藝要求。

（2）合缸后測量情況。高中壓外缸上、下半合缸，以高中壓外缸的內(nèi)缸定位環(huán)出氣邊為上、下半合缸軸向基準，兩端汽封內(nèi)圓為徑向基準。高中壓外缸上半相對于下半軸向錯位為：高壓汽封端向高壓端伸長0.14mm，隔板套各槽向低壓端伸長0.06～0.10m m，中壓汽封向低壓端伸長0.19m m。各徑向錯位均在0.05mm允許范圍內(nèi)。合缸后中分面間隙均在0.05mm。

4. 合缸后錯位原因分析及解決方案

（1）變形情況判斷。根據(jù)合缸后測量的錯位數(shù)據(jù)判斷，可能發(fā)生以下3種情況：①高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長。②高中壓外缸下半以定位基準為起點，兩端向中間縮短。③高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長，同時高中壓外缸下半兩端向中間縮短。

為驗證3種情況的可能性，在合缸的狀態(tài)下，利用三坐標測量儀分別測量上、下半A系、B系尺寸。其下半各軸向尺寸與加工檢測數(shù)據(jù)相同，上半各軸向尺寸變大（見表1）。

三坐標測量儀測量結(jié)果證明，合缸后發(fā)生了第1種變形情況，即高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長。

（2）原因分析。工藝系統(tǒng)受力變形是機械加工精度中一項不可忽視的原始誤差，特別是大型零件，受自身重力引起的變形，在加工與裝配中是不可忽視的。一般大型零部件加工狀態(tài)越接近工作狀態(tài)越好，這樣有利于保證機構(gòu)的整體精度。而150M W以上汽輪機組的缸體加工，一般均采用上述銑削加工方式。因此加工高中壓外缸上半時的加工狀態(tài)與合缸狀態(tài)（即工作狀態(tài)）不一致所產(chǎn)生的合缸錯位現(xiàn)象隨之而來。①因自身形狀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量原因，高壓外缸上半在空間任何狀態(tài)都存在自重引起的沿軸向的撓曲變形（彈性變形）、缸壁壓縮變形。加工高中壓外缸上半時中分面朝上，汽缸受重力作用撓曲（彈性范圍內(nèi)），在重力作用下汽缸壁沿中分面壓縮，汽缸背部膨脹（見圖5）。在實際加工中，汽缸只能在此狀態(tài)下完成內(nèi)腔各槽加工（簡稱“加工狀態(tài)”）。②由于高中壓外缸上半合缸時，中分面空間幾何位置發(fā)生改變，即中分面朝下。受自重影響，汽缸受重力變形也隨之發(fā)生改變。彎曲變形（彈性范圍內(nèi)），撓曲狀態(tài)（簡稱“合缸狀態(tài)”）發(fā)生改變（見圖6）。在彎曲應力作用下，汽缸體沿中分面伸長，沿汽缸背部縮短，與加工狀態(tài)撓曲方向相反，形成疊加。故已加工成形的各隔板套槽、內(nèi)缸定位槽和兩端汽封槽沿中分面向兩端伸長。所以汽缸錯位主要是汽缸上半加工狀態(tài)與合缸狀態(tài)不一致造成的。

（3）錯位解決方案。在實際制造中，因汽缸的幾何形狀結(jié)構(gòu)復雜、受重力幾何狀態(tài)變形疊加、加工誤差及環(huán)境溫度等不確定因素，僅通過理論分析如有限元分析、材料力學解析等方法，難以精確計算出汽缸上半狀態(tài)改變引起的各部尺寸錯位量。因此，在首臺150MW高中壓外缸加工中，通過試驗驗證分析法，將汽缸上半各內(nèi)腔尺寸預留余量，合缸后對軸向錯位進行測量，再進行分析。得出經(jīng)驗值，應用到此型號汽缸加工中。

圖5 中分面朝上撓曲變形及應力分布

圖4 汽缸內(nèi)腔各槽軸向尺寸

圖6 中分面朝下?lián)锨冃渭皯Ψ植?/p>

表 1 （單位：mm）

具體方法為：利用三坐標測量儀測量軸向、徑向尺寸。以軸向尺寸為例，將錯位量按表1格式作記錄，并將測量數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)換成表2。

從表2中可以看出，汽缸上半A系、B系加工尺寸短于下半加工尺寸。按表2數(shù)據(jù)加工汽缸上、下半，合缸經(jīng)檢測，軸向、徑向錯位符合技術(shù)要求。

表 2 （單位：mm）

在首臺150MW汽輪機高中壓外缸加工中，采用此工藝方法，經(jīng)3次重復試驗，測得數(shù)據(jù)近似。經(jīng)總結(jié)表2經(jīng)驗值，在后續(xù)同型號汽輪機組加工中，汽缸下半按圖樣尺寸要求加工A系、B系各尺寸。汽缸上半按表2計算得出編程加工尺寸。按此方法加工汽缸上、下半，經(jīng)合缸檢測，汽缸內(nèi)腔各槽加工均符合要求。

5. 結(jié)語

150M W高中壓外缸內(nèi)腔加工中，從工藝系統(tǒng)及加工方法上減小零件加工誤差。針對汽缸上半加工狀態(tài)幾何尺寸與合缸狀態(tài)幾何尺寸不一致的現(xiàn)象（即汽缸上半幾何尺寸變大），在實際加工過程中，通過試驗驗證的方法，總結(jié)出此型號汽缸上半空間狀態(tài)的改變產(chǎn)生的形變數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中得出經(jīng)驗值，用于修正汽缸上、下半分開加工時的內(nèi)腔尺寸。此方法有效消除了此型號汽缸錯位的問題，并為類似型號汽缸的加工奠定了基礎。

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