汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料超聲波輔助刨削試驗(yàn)研究

□李貴清 □邵 華 □殷萬(wàn)武

1上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院上海200240

2上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠上海200240

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料超聲波輔助刨削試驗(yàn)研究

□李貴清1,2□邵 華1□殷萬(wàn)武1

1上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院上海200240

2上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠上海200240

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子T型槽尖角部位的加工是在專(zhuān)用刨床上刨削，存在著讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重、效率低、粗糙度差等問(wèn)題。應(yīng)用超聲波輔助刨削加工，抑制了讓刀現(xiàn)象，減小了切削力，提高了加工質(zhì)量，延長(zhǎng)了刀具使用壽命，從而為加工轉(zhuǎn)子T型槽尖角部位提供了一種新方法。

隨著先進(jìn)通流葉片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高轉(zhuǎn)子T型槽末葉窗口加工精度和效率成為提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一。目前在進(jìn)行超超臨界機(jī)組、百萬(wàn)核電機(jī)組及300 MW引進(jìn)型改造機(jī)組的轉(zhuǎn)子T型槽末葉窗口加工時(shí)，首先通過(guò)數(shù)控鏜床銑出各級(jí)T型槽末葉插入槽，然后由專(zhuān)用刨床實(shí)現(xiàn)各級(jí)T型槽末葉插入槽尖角部位的精密加工[1]。在專(zhuān)用刨床加工過(guò)程中，由于切削系統(tǒng)的剛度不足，切削力大，存在刨削刀具讓刀現(xiàn)象，不僅無(wú)法控制加工精度，而且刀具磨損嚴(yán)重，加工周期長(zhǎng)，效率低。超聲波輔助加工技術(shù)可以大幅度減小切削力，從而提高切削精度和效率，是轉(zhuǎn)子動(dòng)葉T型槽末葉窗口尖角部位加工的一種新工藝。

1 超聲波輔助刨削系統(tǒng)的建立

超聲波振動(dòng)切削是近些年出現(xiàn)的一種精密切削加工方法，其原理是在刀具上施加規(guī)律可控的、具有一定頻率和振幅的振動(dòng)[2]。

超聲波振動(dòng)刨削的顯著特點(diǎn)是將常規(guī)刨削的連續(xù)切削運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為脈沖間斷切削，常速切削變?yōu)樽兯俸妥兗铀偾邢鳎瑔蜗蚯邢髯優(yōu)殡p向往復(fù)熨壓切削[3]。超聲波輔助刨削裝置主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿及專(zhuān)用刨刀組成，如圖1所示。

換能器的左側(cè)接口接超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為具備一定功率輸出的超聲頻電振蕩，再經(jīng)過(guò)換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振蕩，通過(guò)變幅桿實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅值的放大，并最終作用于刨削刀具前端[4]。

圖1 超聲波輔助刨削裝置

超聲波發(fā)生器的主要功能是向振動(dòng)切削系統(tǒng)提供一定功率輸出的超聲頻電振蕩，即振蕩頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)[5]。工作原理為：信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一個(gè)固定頻率的信號(hào)（脈沖信號(hào)或正弦信號(hào)），功率放大器將信號(hào)放大，再進(jìn)行阻抗匹配，使最終的輸出阻抗與后續(xù)的換能器相匹配[6]。

換能器接收超聲波發(fā)生器的超聲頻電振蕩信號(hào)，將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移極小的微機(jī)械振動(dòng)，然后通過(guò)后續(xù)的變幅桿實(shí)現(xiàn)微振動(dòng)，最終傳遞給刀具，使刀具產(chǎn)生規(guī)則的強(qiáng)迫振動(dòng)，從而將超聲波振動(dòng)引入切削系統(tǒng)[7]。

變幅桿，顧名思義就是起到改變振動(dòng)幅值作用的桿。作為振動(dòng)傳遞的通道，該桿為粗細(xì)變化的構(gòu)造。假定傳輸過(guò)程中能量不發(fā)生損耗，則在從前端向后端的傳遞過(guò)程中，單位面積內(nèi)的能量發(fā)生改變。目前，常用的變幅桿主要有三大類(lèi)型：圓錐型、指數(shù)型、階梯型[8]。本系統(tǒng)為試驗(yàn)系統(tǒng)，因此選擇了設(shè)計(jì)和制造較為簡(jiǎn)單的階梯型變幅桿。

刨削刀具適用于特定的工作頻率。由于選用超聲波發(fā)生器的輸出頻率為40 kHz，因此刨削刀具應(yīng)存在40 kHz的固有頻率，在該頻率電信號(hào)下產(chǎn)生共振以實(shí)現(xiàn)裝置機(jī)械振動(dòng)的最大化[9]。

目前臨床科學(xué)技術(shù)發(fā)展快速，醫(yī)院B超已經(jīng)向彩超發(fā)展，婦產(chǎn)科急腹癥的診斷中使用彩超診斷具有較多的應(yīng)用。在婦產(chǎn)科急腹癥的臨床診斷中，采用彩超診斷，能夠?qū)颊叩淖訉m形態(tài)、大小、內(nèi)部有無(wú)回聲和包塊、以及盆腔內(nèi)有無(wú)游離液體等進(jìn)行仔細(xì)全面的檢查。一般醫(yī)護(hù)人員對(duì)圖像進(jìn)行分析，和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果以及病史進(jìn)行結(jié)合，能夠給患者提供直接或間接的診斷。

上述超聲波刨削裝置最終通過(guò)專(zhuān)用夾具安裝在專(zhuān)用刨床上，從而實(shí)現(xiàn)超聲波輔助刨削加工。

2 超聲波輔助刨削試驗(yàn)研究

通過(guò)不同加工參數(shù)下的粗糙度對(duì)比試驗(yàn)，得出最優(yōu)加工參數(shù)。通過(guò)普通刨削和超聲波輔助刨削時(shí)表面粗糙度、讓刀量、切削力等的對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證超聲波輔助刨削的實(shí)際效果。

試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)機(jī)床為B665型刨床；試件材料為DR96超高壓轉(zhuǎn)子材料12Cr10Mo1W1NiVNbN；試驗(yàn)刀具為自制刨削刀具，前角6°，后角5°；測(cè)量?jī)x器為德國(guó)馬爾MarSurf M300C型粗糙度儀、奇石樂(lè)切削力測(cè)量系統(tǒng)與顯微鏡。

2.1 刨削過(guò)程中粗糙度對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工情況，選擇切削速度為12.5 m/min,切削寬度為1.5 mm與3 mm，生產(chǎn)加工過(guò)程中，粗加工初始切削寬度為1 mm，精加工最后一次加工切削寬度約2 mm。為實(shí)現(xiàn)粗糙度測(cè)量設(shè)備對(duì)工件表面粗糙度的測(cè)量，本試驗(yàn)中選擇的切削寬度略高于加工過(guò)程中采用的參數(shù)值。切削深度選擇0.05 mm與0.1 mm。初步試驗(yàn)中還選擇了切削深度0.15 mm，發(fā)現(xiàn)該切削深度下刀具出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，表面粗糙度大，加工質(zhì)量差，因此實(shí)際生產(chǎn)中切削深度不宜超過(guò)0.15 mm，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

分析表1可知：（1）表面粗糙度隨著切削深度的增大而增大；（2）表面粗糙度隨著切削寬度的增大而增大；（3）小切削寬度、低切削深度時(shí)超聲波輔助刨削表面粗糙度低于常規(guī)刨削。

表1 加工參數(shù)與表面粗糙度

2.2 刨削過(guò)程中讓刀量對(duì)比試驗(yàn)

普通刨削過(guò)程中刀具有明顯的讓刀現(xiàn)象，從而影響表面加工質(zhì)量，縮短刀具使用壽命。超聲波輔助刨削可以顯著增強(qiáng)刀具系統(tǒng)的剛度，試驗(yàn)中測(cè)量刀具在加工過(guò)程中進(jìn)刀量與實(shí)際切削深度，取兩者之差作為讓刀量，以此評(píng)價(jià)刀具系統(tǒng)的剛度。

試驗(yàn)中采用高度尺測(cè)量實(shí)際切削深度，采用千分表測(cè)量進(jìn)刀量，兩者的測(cè)量差值即為加工過(guò)程中刀具出現(xiàn)讓刀造成的切削深度的變化。

圖2記錄了試驗(yàn)中刀具的讓刀，橫坐標(biāo)1.5和0.05表示切削寬度為1.5 mm、切削深度為0.05 mm，其余類(lèi)似。讓刀量為正或零表示刀具未出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，讓刀量為負(fù)表示刀具出現(xiàn)讓刀。

圖2 常規(guī)與超聲波輔助刨削讓刀量對(duì)比圖

分析讓刀量結(jié)果，可知：

（1）小切削寬度、低切削深度時(shí)，常規(guī)刨削與超聲波輔助刨削均不讓刀；

（2）大切削寬度時(shí)，常規(guī)刨削發(fā)生讓刀，且讓刀量隨著切削深度的增大而增大；

（3）常規(guī)刨削讓刀量隨切削深度的增大而增大；（4）超聲波輔助刨削試驗(yàn)均不出現(xiàn)讓刀。

綜上可知，超聲波輔助刨削系統(tǒng)中，切削方式為雙向間斷切削，刀具系統(tǒng)的剛性較常規(guī)刨削得到了明顯增強(qiáng)，從而可以有效避免加工過(guò)程中讓刀現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 刨削過(guò)程中切削力和后刀面摩擦力對(duì)比試驗(yàn)

超聲波輔助刨削對(duì)加工的另一影響是加工過(guò)程中力的減小。刨削過(guò)程中，對(duì)刀具影響較大的力主要有兩種：刀具進(jìn)刀過(guò)程中的切削力與刀具退刀過(guò)程中后刀面與工件的摩擦力。圖3為試驗(yàn)中測(cè)得的切削力對(duì)比數(shù)據(jù)，圖4為試驗(yàn)中測(cè)得的后刀面摩擦力對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖3 常規(guī)與超聲波輔助刨削切削力對(duì)比圖

圖4 常規(guī)與超聲波輔助刨削后刀面摩擦力對(duì)比圖

分析圖3、圖4可知：

（1）刨削過(guò)程中切削力和后刀面摩擦力隨著切削深度、切削寬度的增大而增大；

（2）小切削寬度和低切削深度時(shí)，超聲波輔助刨削切削力明顯低于常規(guī)刨削切削力，切削力最高可減小1/3；

（3）大切削寬度時(shí)，超聲波輔助刨削切削力相較于常規(guī)刨削切削力減小不明顯；

（4）超聲波輔助刨削裝置退刀過(guò)程中后刀面的摩擦力整體低于常規(guī)刨削的摩擦力，為常規(guī)刨削摩擦力的30%～50%。

刨削過(guò)程中，切削寬度與切削深度表征了金屬去除量，兩者的增大使得同一時(shí)間金屬去除量也增大。超聲波輔助刨削過(guò)程中，刀具呈現(xiàn)斷續(xù)切削，一周期（一個(gè)刨削來(lái)回）內(nèi)切削力的均值較常規(guī)刨削有所減小。小切削寬度、低切削深度時(shí)，刀具系統(tǒng)讓刀程度低，超聲波輔助刨削切削力較普通刨削切削力最大降幅高達(dá)1/3。大切削寬度時(shí)常規(guī)刨削刀具讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，超聲波輔助刨削加工過(guò)程中，刀具無(wú)讓刀現(xiàn)象。在相同金屬去除量的條件下，超聲波輔助刨削切削力小于常規(guī)刨削切削力。大切削寬度時(shí)，常規(guī)刨削切削力因讓刀而減小，但仍高于超聲波輔助刨削切削力[10]。

常規(guī)刨削過(guò)程中，隨著切削寬度與切削深度的增大，刀具讓刀使實(shí)際金屬去除量低于所設(shè)定的金屬去除量。退刀過(guò)程中，加工余量使刀具在工件上摩擦。加工余量越大，摩擦力越大。超聲波輔助刨削過(guò)程中，刀具無(wú)讓刀現(xiàn)象，金屬加工余量小，刀具退刀過(guò)程中摩擦力小。同時(shí)超聲波輔助刨削時(shí)，后刀面以高頻振動(dòng)在工件表面移動(dòng)，摩擦力因超聲波減摩作用而減小。兩者的綜合作用使超聲波輔助刨削退刀過(guò)程中后刀面的摩擦力較常規(guī)刨削的摩擦力明顯減小。

綜上分析可知，超聲波輔助刨削相比常規(guī)刨削，加工過(guò)程中的切削力與后刀面的摩擦力均明顯減小，有助于改善刀刃的受力情況，避免刀具崩刃現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)讓刀現(xiàn)象的出現(xiàn)也有抑制作用，從而使刀具磨損減小，延長(zhǎng)刀具壽命。

3 結(jié)論

超聲波輔助刨削裝置的應(yīng)用使刨削過(guò)程中的切削力和后刀面的摩擦力顯著減小，有效避免了讓刀現(xiàn)象的發(fā)生，改善了加工中的表面粗糙度，提高了加工效率，延長(zhǎng)了刀具使用壽命，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子T型槽尖角部位的加工提供了一種新工藝。

[1]董超，鄭衛(wèi)剛.現(xiàn)代汽輪機(jī)材料及其制造工藝發(fā)展與展望[J].熱加工工藝，2014,43（16）:14-15,22.

[2]牛國(guó)玲，趙黎杰，顧立志,等.振動(dòng)切削機(jī)理的研究狀況[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，23（3）:479-482.

[3]周正干，王春生，張波,等.超聲波振動(dòng)加工中的自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2000，22（4）:20-23.

[4]張其馨，董惠娟，蔡鶴皋,等.超聲發(fā)生器頻率跟蹤的控制[J].電加工，1997(6):13-16.

[5]齊振飛，張向慧.超聲發(fā)生器自動(dòng)頻率跟蹤研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(11):224-226.

[6]林書(shū)玉.超聲技術(shù)的基石——超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)[J].物理，2009，38（3）：141-148.

[7]賀西平，程存弟.幾種常見(jiàn)形狀函數(shù)超聲變幅桿性能參量的統(tǒng)一表達(dá)[J]，陜西師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1994，22（3）：29-32.

[8]芮小健,張幼楨,鐘秉林.振動(dòng)切削過(guò)程的實(shí)質(zhì)與機(jī)理研究[J].機(jī)械制造，1994，32（12）：13-14.

[9]張通穩(wěn)，趙勇，劉進(jìn)前.振動(dòng)頻率對(duì)超聲輔助切削的影響[J].工具技術(shù),2010,44（6）：68-71.

[10]李祥林，薛萬(wàn)夫，張日昇.振動(dòng)切削及其在機(jī)械加工中的應(yīng)用[M].北京：北京科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

Original processing method for T-slot sharp corner of turbine rotor uses dedicated planer for planing and there is the existence of some problems such as serious cutter back-off,low efficiency and poor roughness.When ultrasonic-aided planing operation is used it may suppress cutter back-off,reduce cutting forces,improve processing quality and extend cutter life,thus to provide a new method for processing of T-slot sharp corner of the rotor.

汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；超聲波；刨削

Steam Turbine；Rotor；Ultrasonic；Planing

TH122;TG506

A

1672-0555（2016）03-036-04

2016年2月

李貴清（1985—），男，本科，工程師，主要從事各種加工設(shè)備的維修及改造工作