二次再熱超超臨界汽輪機新型耐熱鋼加工技術(shù)研究

□王 標(biāo)

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠上海200240

二次再熱超超臨界汽輪機新型耐熱鋼加工技術(shù)研究

□王 標(biāo)

上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機廠上海200240

以汽輪機汽缸鑄件ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB材料為研究對象，進行了銑削性能試驗，對切削過程中切削力及加工表面質(zhì)量進行分析，比較了干切削、微量潤滑及大流量潤滑三種條件下的切削力、加工質(zhì)量和刀具磨損情況，得出了銑削優(yōu)化參數(shù)組合，為后續(xù)汽輪機轉(zhuǎn)子鑄件材料切削性能的研究提供依據(jù)。

超超臨界汽輪發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于空冷汽輪發(fā)電機組，可大幅提高空冷機組的發(fā)電效率,是彌補空冷汽輪發(fā)電機組高熱耗的有效措施[1]。與超臨界機組相比，二次再熱超超臨界機組的蒸汽溫度和壓力要求更高，因此汽輪機材料必須具有更高的性能，如熱強性能、抗高溫腐蝕性能、抗氧化性能和加工塑性等。汽輪機在工作過程中，工作溫度有時達(dá)700℃以上，并且承受一定的機械載荷，在高機械載荷和溫度急劇變化的工況下，汽輪機材料必須具有很高的抗氧化性能和耐熱性能，同時還必須具有良好的抗熱疲勞性能以抵抗溫度劇烈變化所引起的熱疲勞，以及具有較高的組織穩(wěn)定性以保證在高溫條件下結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定。汽輪機材料所面臨的高性能要求也相應(yīng)地提高了汽輪機加工工藝編制的難度。

目前，二次再熱超超臨界汽輪機組汽缸采用ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐熱鋼鑄件材料，該材料多依賴進口，國內(nèi)目前對該材料的加工性能缺乏充分完整的研究，而影響該新型耐熱鋼材料表面加工質(zhì)量的因素又有很多，涉及到加工過程中的切削參數(shù)、刀具的性能和參數(shù)，以及潤滑條件等。為了獲得較優(yōu)的新型耐熱材料加工表面質(zhì)量，對該材料進行了銑削加工工藝研究，了解其加工特性，優(yōu)化加工參數(shù)和刀具參數(shù)，從而提高加工件的加工表面質(zhì)量。

1 銑削加工系統(tǒng)設(shè)計

1.1 銑床系統(tǒng)

試驗采用齊二機床集團有限公司生產(chǎn)的X5032A型立式升降臺銑床，如圖1所示。銑床主軸轉(zhuǎn)速范圍30～1 500 r/min，工作臺縱向進給量范圍23.5～1 180mm/min，工作臺橫向進給量范圍15～786 mm/min。

圖1 立式升降臺銑床

該機床結(jié)構(gòu)具有足夠的剛性，能承受重負(fù)荷的切削工作，同時具有足夠的功率和較寬的變速范圍，能充分發(fā)揮刀具的效能，并能使用硬質(zhì)合金刀具進行高速切削。

1.2 空氣壓縮系統(tǒng)

試驗用的空氣壓縮系統(tǒng)為南京捷豹機電有限公司生產(chǎn)的NJW-315-100L型靜聲式無油空氣壓縮機，如圖2所示。該無油空氣壓縮機能提供穩(wěn)定的無油氣源，既能避免人體接觸油污，又能避免終端機器的非耐油管因觸油而引發(fā)故障。

圖2 靜聲式無油空氣壓縮機

1.3 微量潤滑供給系統(tǒng)

試驗中微量潤滑供給系統(tǒng)采用日本富士技研Bluebe外置式單通道供液系統(tǒng)，如圖3所示。這種外置式供液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，潤滑油和壓縮空氣在機床外部通過混合裝置混合后，在高壓下通過一個多頭噴嘴將霧化為毫微米級直徑的氣霧不斷噴射到刀具表面，對刀具進行冷卻和潤滑。在微量潤滑技術(shù)加工中，油劑使用量小，通常為2～30 mL/h。常采用生物降解性高的合成酯和油脂作為微量潤滑切削加工用切削液，筆者采用LB-1型Bluebe微量潤滑專用植物油基，該切削液是一種可降解的由天然酯組成的合成物，對人體和環(huán)境無危害[2-4]。

圖3 微量潤滑供給系統(tǒng)

1.4 加工件設(shè)計

試驗材料采用與汽輪機鑄件材料相同的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐熱鋼材料。試件材料加工成長方體，在4個角的位置鉆孔，用于安裝夾具。試件形狀如圖4所示，長度為80 mm，寬度為90 mm，高度為45 mm。

圖4 試件形狀

1.5 試驗所用刀具

試驗采用山特維克機夾式高速鋼涂層銑刀及配套刀桿，型號為R390-180620M，采用氮化鋁鈦涂層，如圖5所示。研究結(jié)果表明，氮化鋁鈦涂層刀具在提高工件切削性能方面效果顯著,同時可以大幅提高刀具的耐用度[5]。

1.6 試驗設(shè)計

對試件材料進行銑削試驗，采用以下兩種方式潤滑：微量潤滑和無切削液。分別對銑削加工過程中的銑削加工表面形貌、表面硬度及表面粗糙度進行測試和分析，具體工藝參數(shù)見表1。

圖5 試驗用刀具

表1 微量潤滑加工條件下試件銑削加工工藝參數(shù)

2 汽輪機鑄件材料銑削試驗結(jié)果及分析

2.1 銑削加工表面形貌分析

2.1.1 微量潤滑加工

圖6顯示了銑削速度為4 m/s、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑加工條件下試件加工表面形貌隨銑削深度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)銑削深度為0.1 mm時，獲得的加工表面形貌最大高度為21.6 μm。當(dāng)銑削深度為0.25 mm時，獲得的試件加工表面形貌最大高度為46.1 μm。當(dāng)銑削深度為0.5mm時，獲得的試件加工表面形貌最大高度為46.6 μm。由此可見，隨著銑削深度的加深，試件銑削加工表面形貌最大高度也增大。

圖6 微量潤滑加工條件下試件銑削加工表面形貌隨銑削深度變化的關(guān)系

圖7 顯示了銑削深度為0.1 mm、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑加工條件下獲得的試件加工表面形貌隨銑削速度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)銑削速度為5.1 m/s時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為16.62 μm。當(dāng)銑削速度為8 m/s時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為10 μm。當(dāng)銑削速度為12.75 m/s時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為7.47 μm。當(dāng)銑削速度為16.1 m/s時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為7.31 μm。由此可見，隨著銑削速度的提高，銑削加工表面形貌最大高度減小，這是由于銑削速度提高后，銑削力下降，銑削力產(chǎn)生的加工表面不平度降低，進而使銑削加工表面形貌最大高度減小[6]。因此，提高銑削速度是提高加工表面質(zhì)量的一個途徑。

圖7 微量潤滑加工條件下試件銑削加工表面形貌隨銑削速度變化的關(guān)系

圖8 顯示了銑削速度為16.1 m/s、銑削深度為0.1 mm及在微量潤滑加工條件下獲得的試件加工表面形貌隨進給速度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)進給速度為12 mm/min時，獲得的試件銑削加工表面形貌最大高度為2.37 μm。當(dāng)進給速度為16 mm/min時，獲得的銑削加工表面輪廓最大高度為5.7 μm。當(dāng)進給速度為20 mm/min時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為7.31 μm。由此可見，隨著進給速度的提高，銑削加工表面形貌最大高度也隨之增大，這是由于隨著進給速度的提高，單位時間內(nèi)切削的金屬面積增大，由此產(chǎn)生的切削力增大，從而使由切削力振動所引起的加工表面振幅也隨之增大[7]。因此，在條件允許的情況下，可通過降低進給速度來提高銑削加工表面質(zhì)量。

2.1.2 干銑削加工

圖9顯示了銑削深度為0.1 mm、進給速度為20 mm/min及在干銑削加工條件下獲得的試件加工表面形貌隨銑削速度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)銑削速度為12.75 m/s時，獲得的試件銑削加工表面形貌最大高度為57.4 μm。當(dāng)銑削速度為8 m/s時，獲得的試件銑削加工表面形貌最大高度為95.7 μm。當(dāng)銑削速度為5.1 m/s時，獲得的銑削加工表面形貌最大高度為104.2 μm。由此可見，在干銑削加工條件下，試件銑削加工表面形貌最大高度隨銑削速度的降低而提高[8]，這一趨勢與微量潤滑條件下的趨勢相同。由此可以推斷，銑削加工表面形貌最大高度與銑削參數(shù)之間的關(guān)系不受潤滑條件的影響。因此，在加工過程中可選擇較高的銑削速度來提高銑削加工表面質(zhì)量。

以下比較在微量潤滑和干銑削加工條件下獲得的試件銑削加工表面形貌高度。圖10顯示了銑削深度為0.1 mm、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑和干銑削兩種加工條件下獲得的銑削加工表面形貌最大高度，從圖中可以看出，三種銑削速度下微量潤滑獲得的銑削加工表面形貌最大高度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干銑削加工表面輪廓最大高度，由此可見，微量潤滑可大大提高銑削加工表面質(zhì)量。

2.2 銑削加工表面硬度分析

2.2.1 微量潤滑銑削加工

表2顯示了微量潤滑加工條件下獲得的試件銑削加工表面硬度。圖11顯示了銑削深度為0.1 mm、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑銑削加工條件下獲得的銑削加工表面硬度隨銑削速度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著銑削速度的提高，試件銑削加工表面硬度也隨之提高。從理論上分析，銑削速度提高，銑削力減小，加工硬度降低，加工表面硬度下降，實際測量結(jié)果與之相反，這可能與該鑄件材料的特性有關(guān)[9]。

圖12顯示了銑削速度為16.1 m/s、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑銑削加工條件下獲得的銑削加工表面硬度隨銑削深度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，硬度隨著銑削深度的增大而提高，這是由于銑削深度增大后，單位時間內(nèi)切削的金屬面積增大，銑削力提高，塑性變形區(qū)域增大，材料硬化程度提高，使銑削加工表面硬度上升[10]。由此可見，在條件允許的情況下，應(yīng)盡量減小銑削深度，從而降低銑削加工表面的硬化現(xiàn)象。

圖9 干銑削加工條件下試件銑削加工表面形貌隨銑削速度變化的關(guān)系

2.2.2 干銑削加工

圖13顯示了干銑削加工條件下，試件銑削加工表面硬度隨銑削速度變化的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著銑削速度的提高，試件銑削加工表面硬度也隨之提高。理論上分析，隨著銑削速度的提高，銑削力減小，塑性變化區(qū)域減小，加工硬化程度降低，加工表面硬度下降[11]，但實際測量結(jié)果與理論分析相反，這可能與試件材料的特殊性有關(guān)。在微量潤滑條件下銑削加工與干銑削加工兩種情況下表面硬度隨銑削速度變化的趨勢相同，由此推斷，試件銑削加工表面硬度隨銑削參數(shù)變化的關(guān)系不受潤滑條件的影響。

圖10 試件銑削加工表面最大形貌高度隨潤滑條件變化的關(guān)系

表2 微量潤滑加工條件下試件銑削加工表面硬度測量結(jié)果

圖11 微量潤滑條件下試件銑削加工表面硬度隨銑削速度變化的關(guān)系

2.3 銑削加工表面粗糙度分析

2.3.1 微量潤滑銑削加工

圖12 微量潤滑條件下試件銑削加工表面硬度隨銑削深度變化的關(guān)系

圖13 干銑削條件下試件銑削加工表面硬度隨銑削速度變化的關(guān)系

表3顯示了微量潤滑加工條件下獲得的試件銑削加工表面粗糙度測量結(jié)果。圖14顯示了銑削深度為0.1 mm、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削速度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，銑削加工表面橫向和徑向粗糙度隨銑削速度變化的關(guān)系不一致，當(dāng)其它銑削參數(shù)一致的情況下，徑向表面粗糙度隨銑削速度的提高先下降后上升，橫向表面粗糙度隨銑削速度的提高先上升后下降。

表3 微量潤滑加工條件下試件銑削加工表面粗糙度測量結(jié)果

圖15顯示了銑削速度為16.1 m/s、進給速度為20 mm/min及在微量潤滑條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削深度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著銑削深度的增大，銑削加工表面橫向和徑向粗糙度呈先增大后減小的趨勢。結(jié)合橫向和徑向表面粗糙度，在微量潤滑條件下獲得的優(yōu)化銑削工藝參數(shù)組合為：銑削速度16.1 m/s，銑削深度0.1 mm，進給速度20 mm/min，獲得的試件銑削加工橫向表面粗糙度為4.38μm，徑向表面粗糙度為10.32μm。

圖14 微量潤滑條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削速度變化的關(guān)系

圖15 微量潤滑條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削深度變化的關(guān)系

2.3.2 干銑削加工

圖16顯示了干銑削加工條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削速度變化的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著銑削速度的提高，銑削加工橫向和徑向表面粗糙度值都呈下降趨勢，這是由于銑削速度提高、銑削力減小、銑削力引起的銑削加工表面振幅下降[12]，使銑削加工表面粗糙度減小。

3 總結(jié)

通過對與汽輪機轉(zhuǎn)子鑄件材料相同試件進行銑削加工試驗，分析了銑削加工過程中的表面形貌、表面硬度及粗糙度，獲得了優(yōu)化的銑削工藝參數(shù)組合，得出的主要結(jié)論如下。

圖16 干銑削條件下試件銑削加工表面粗糙度隨銑削速度變化的關(guān)系

（1）提高主軸轉(zhuǎn)速，減小進給量，適當(dāng)使用切削液，可使工件獲得較小的加工表面粗糙度值。

（2）在本試驗條件下，主軸轉(zhuǎn)速對加工表面硬度無明顯影響。工件表面硬度隨進給量的增大而增大，利用切削液可適當(dāng)減少加工表面硬化現(xiàn)象。

（3）在本試驗條件下，微量潤滑加工的表面形貌優(yōu)于干切削加工表面形貌。提高主軸轉(zhuǎn)速，減小進給量可獲得較好的加工表面形貌。

（4）在本試驗條件下，提高主軸轉(zhuǎn)速可改善加工表面微觀組織，增加切削液對加工表面微觀組織無明顯影響。

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Took turbine chamber castings made of ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB material as the subject for study and completed the tests for its milling performances.By analyzing cutting force and surface quality during cutting process,collecting,comparing and analyzing the cutting force,processing quality and tool wear under three conditions i.e.dry cutting,minimal quantity lubrication and high flow of lubricant,it is available to obtain optimized parametric combination for milling that may provide the basis for follow-up research on cutting character for turbine rotor castings.

超超臨界機組；耐熱鋼；切削；加工

Ultra SupercriticalUnit；Heat-Resistant Steel；Cutting；Processing

TH161+.1

A

1672-0555（2016）03-008-08

2016年5月

王標(biāo)（1984—），男，學(xué)士，工程師，主要從事汽輪機大型部套工藝及制造工作