鍋爐給水泵用平衡鼓零件及其制造工藝方案

侯培紅， 朱建華

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

鍋爐給水泵用平衡鼓零件及其制造工藝方案

侯培紅， 朱建華

(上海電機學院 機械學院， 上海 201306)

平衡鼓零件是高壓鍋爐給水泵的主要零件之一。分析平衡鼓的結構特點及材料特性等,以確定平衡鼓零件的制造工藝方案。選擇較為合適的定位方案，選擇合理的刀具切削參數，使平衡鼓零件的加工精度和表面粗糙度均得到了保證。

平衡鼓； 零件； 制造工藝； 定位方案； 刀具

鍋爐給水泵用于核電、火電、軍工、化工、水和造船等行業，其中，高壓鍋爐給水泵是發電廠的重要設備。高壓鍋爐給水泵工作在5 000～6 000 r/min、200 ℃、45 MPa的高速、高溫、高壓工況下，故對其結構設計、水力設計、強度、材料、機械加工、質量控制、試驗等方面都有非常高的技術要求。由于高壓鍋爐給水泵是多級泵，揚程很高，故泵的轉子會產生很大的軸向推力[1-2]。一般而言，僅用軸向推力軸承難以滿足泵的安全運行，若采用葉輪對稱布置，則泵的結構必然復雜，效率降低。因此，高壓鍋爐給水泵大多采用了平衡盤、平衡鼓或二者的聯合裝置來平衡軸向推力，其中，平衡盤與平衡鼓的聯合裝置有很好的平衡功能。在大型機組的高壓鍋爐給水泵中普遍采用平衡鼓裝置[3-4]。本文探討了特定的平衡鼓的制造工藝，主要研究其機械加工方案。

1 平衡鼓零件分析

1.1 平衡鼓零件結構

由高壓鍋爐給水泵工作原理和平衡過程[1-4]可知，平衡鼓內孔與泵軸配合，由鍵帶動，在平衡座套內隨轉子部件一起做高速旋轉，故應盡量避免在高速運轉時與平衡座套發生摩擦。平衡鼓的φd3和φd1兩外圓之間有一密封端面，該端面與平衡座套之間形成可變化的節流間隙；通過伺服反饋可調整此間隙大小，使轉子軸向力達到動態平衡。為滿足上述要求，高壓鍋爐給水泵所用平衡鼓的設計結構如圖1所示。

(a)平衡鼓零件截面圖

(b)節流槽(W)放大圖(c)V部放大圖

圖1平衡鼓零件圖(mm)

Fig.1 Diagram of the balance drum parts (mm)

由圖可知，① 平衡鼓兩端內孔精度要求較高，內孔尺寸精度等級為IT6級，表面粗糙度Ra=1.6 μm；② 平衡鼓左、右兩段的外圓公差為0.02 mm,精度等級IT4～5級,且相對內孔有很高的位置度要求；③ 中間端面的垂直度、平面度、粗糙度要求均較高，其中，Ra=0.8 μm，跳動值小于0.02 mm；④ 平衡鼓的外圓表面布滿不同節距、不同深度的節流槽，每個節流槽的寬度和深度都有公差要求，槽底部有斜度，且用圓弧光滑連接。這些節流槽加工繁瑣，給平衡鼓加工裝夾帶來困難，是機械加工重點要考慮的問題。

1.2 材料分析

由于平衡鼓在高溫、高速、高壓工況下使用，同時要承受高壓水的沖蝕，故要求平衡鼓的材料應具有很高的強度、硬度、抗沖蝕和耐磨能力；同時，該零件必須通過機加工以達到一定的精度要求，并滿足加工工藝性。一般奧氏體不銹鋼力學性能無法滿足耐高溫和耐磨的要求，一般的合金鋼不能滿足抗沖蝕能力。相比較，沉淀硬化型不銹鋼則具有較好的綜合性能，可以作為首選材料。

美國牌號的17-4PH馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，常用于渦輪機葉片、汽輪機部件等制造。與之相當的中國牌號為0Cr17Ni4Cu4Nb，該種不銹鋼作為中國工業應用較廣的材料，經過多年實踐并不斷改進，其成分、密度、硬度等材質性能已趨于穩定，可滿足作為平衡鼓材料的基本要求，因此，本文選擇國產沉淀硬化型不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb作為平衡鼓零件材料。

0Cr17Ni4Cu4Nb的強度是經固溶后，通過馬氏體相變和在高溫400～650 ℃時效時析出e-Cu、Nbc、M23C6等碳化物而產生沉淀硬化達到的。該鋼低碳高鉻，且含銅Cu、鎳Ni、鈮Nb，在鍛造后須經過固溶+時效處理，通過調整時效處理溫度獲得不同的材料性能。0Cr17Ni4Cu4Nb強度高、硬度特高，幾乎達到普通鋼的2倍[5-6]。但是，由于零件使用工況的特殊性，且0Cr17Ni4Cu4Nb材料在鍛造中很容易出現開裂等缺陷，故除對其有機械性能的要求外，還有超聲波探傷、著色探傷的要求。對于這些要求，可通過整個平衡鼓零件的制造工藝過程，將熱處理、機械性能試驗、探傷檢查這些工序合理布置到生產工序中，以保證所用材料合格。

2 平衡鼓的制造工藝

2.1 毛坯類型與特點

零件的材料大致決定了毛坯的種類。由于0Cr17Ni4Cu4Nb為沉淀硬化型高強度不銹鋼，要求硬度HB≥375，鍛件表面和深層不得有裂縫和過燒等缺陷，其力學性能要求較高，且有超聲試驗(Ultrasonic Test，UT)和滲透探傷檢測(Penetration Testing，PT)考核要求，故毛坯種類選用鍛件，毛坯制造形式為模鍛。

同時，在鍛造后、熱處理前，進行剝皮加工切除，以達到去除表面缺陷、保證鍛件熱處理后的材料性能、同時使后道機械加工工序的加工余量合適的目的[7-8]。

2.2 熱處理的工藝過程

根據0Cr17Ni4Cu4N平衡鼓材料表規定的熱處理要求，該材料需經2次固溶處理和2次時效處理。第1次固溶+時效處理：加熱到(1 050±15) ℃，保溫2.5 h，然后在(640±10) ℃保持4～6 h；第2次固溶+時效處理：加熱到(1 050±15) ℃保溫2 h，然后在(515±10) ℃，保持4 h[9-10]。第1次時效處理的溫度較高，使材料硬度相對較低，便于鍛件的剝皮加工；第2次時效處理溫度較第1次低，使材料具有高強度和高硬度，以滿足零件的使用要求。

2.3 材料檢驗試驗工序

在第1次固溶+時效處理后，為節省試驗成本和縮短生產周期，只進行硬度檢測。在剝皮加工后通過目測方法檢查鍛件表面是否存在裂縫等其他鍛造缺陷。在粗加工形成鋸齒階梯后，進行第2次固溶+時效處理；完成后，對坯料進行UT，并對同爐試樣進行機械性能試驗，以保證材料的最終性能[5，10]。

對于表面著色探傷檢查，在零件精車后、鉆孔和插鍵槽前實施，以便檢查出零件最終狀態的缺陷。

2.4 機械加工工藝路線

平衡鼓的加工質量會直接影響其高速運行狀態下轉子的平衡性能，影響到泵的可靠性和安全性[1-4]。由于數控機床加工具有工序集中、精度高、誤差小等優勢，采用數控精車削加工來完成平衡鼓的最終加工[11-12]。

由于材料的特殊性和各平面位置精度及粗糙度等級的要求，對尺寸的掌握較難控制，故對零件粗車外形和內孔后不直接進行精車，而是增加了半精加工，即加工階段為粗車—半精車—精車，并增加了2次裝夾。這些對于本文中的高強度、熱變形較大的材料,可減小切屑溫度及切屑應力,保證零件尺寸精度。因此，確定平衡鼓的具體加工路線如下：粗車右端外圓及內孔→粗車左端外圓及內孔→半精車左端外圓和各檔內孔→半精車右端外圓和各檔臺階孔→精車左端外圓和各檔內孔→精車右端外圓和各檔臺階孔→精車外圓節流槽→鉆端面螺孔→加工鍵槽。

由上述分析可知，平衡鼓制造工藝主要由鍛造、熱處理、機加工和檢驗試驗4部分組成。

3 數控車削加工方案

由于平衡鼓零件的精度要求高，故采用數控車削加工方法，具體如下[11-12]：

(1) 左右兩段d3、d1二檔IT5級精度外圓加工，除選用合適的刀具和切削用量外，還采用經驗法，即在最后精車時采用程序單段進給，試切削一小段外圓后，中斷程序運行，退出刀具，進行測量，以保證尺寸IT5級的加工精度。其余IT6級尺寸精度，利用CK4150機床性能加以保證。

(2)φ123.7+0.05 mm內孔和d1和d3臺階面的Ra=0.8 μm，在加工過程中，通過機床面板上的倍率開關來隨時改變切削用量。

(3) 為保證外圓、端面相對內孔的位置精度，在同一道工序內進行精車d3外圓左端面和精車左端各階梯孔加工，保證位置精度在0.02 mm內；精車d1、d3的外圓和節流槽裝夾在專用塑料漲夾心軸上加工(見圖2)，以保證跳動在0.02 mm內。

(4) 在加工中充分利用冷卻液冷卻，以盡量減小因材料熱脹冷縮對零件尺寸精度的影響，提高加工零件的表面粗糙度。

3.1 定位方案的確定

由平衡鼓的加工工序可知，節流槽的精加工工序安排在車削加工的最后，這是為了保證節流槽表面不被破壞，在不采用夾持節流槽的前提下，有以下3種定位方案可供選擇：① 利用軟爪加百分表測量調換向加工；② 以小錐度心軸配合零件孔定位；③ 以剛性心軸配合零件孔定位。

然而，方案①中雖然數控機床上軟爪定位精度相對較高，但是不符合數控加工工序集中的原則。方案②中雖然小錐度心軸的定心精度較高，工件與心軸產生過盈配合，且定位后不需要再夾緊；但是，根據平衡鼓的質量，不屬于小件，且采用錐度心軸會逐步發生磨損，使得零件的每次定位在軸向位置不一致，不利于數控機床的對刀。方案③中以帶凸肩剛性心軸定位，利用凸肩可使零件以大平面和內孔同時定位，此時不需要過盈配合，采用間隙配合就能保證零件的位置精度，且裝拆方便，二檔外圓的節流槽也可同時完成加工，裝夾示意圖如圖2所示。

圖2 裝夾方案

通過上述分析，選擇第3種方案進行定位。

3.2 數控刀具的選用

與普通機床相比，數控機床對刀具提出了更高的要求，不僅要求精度高、剛性好、裝夾調整方便，且要求切削性能強、耐用度高。為了減少換刀時間和方便對刀，選用可轉位機夾車刀。由于平衡鼓材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，屬于難加工材料，同時考慮到經濟性，故選擇涂層硬質合金刀具[13-15]。各種刀具的選用情況如下：

(1) 端面刀具，為可轉位45°偏刀，90°正方形刀片，型號SNMG160608；

(2) 外圓刀具，為可轉位93°偏刀，80°菱形刀片,型號CCMG160608，刀尖半徑r=0.8 μm，半精車和精車刀片型號CCMG160604；

(3) 內孔刀具，為可轉位93°內孔鏜刀，60°三角形刀片，型號TCMG160608，刀尖半徑r=0.8 μm，半精車和精車刀片型號TCMG160604；

(4) 內孔切槽刀，為可轉位90°內孔槽刀，90°長方形刀片，型號LCMR060608；

(5) 端面切槽刀，為可轉位90°平面槽刀，90°長方形刀片，型號LCMR060608；

圖3 節流槽專用刀具各角度

3.3 量具選擇

由于平衡鼓零件加工工序較細，根據粗精車來劃分，粗車時選擇普通0～300 mm游標卡尺即可；精車時，根據表面粗糙度和精度等級，選擇外徑千分尺和內徑千分尺；12JS6聯軸銷槽選擇專用槽規，以方便測量和精度保證；外表面的節流槽測量無法用普通量具測量，故設計一款樣板，采用透光法測量，方便實用，如圖4所示。

圖4 節流槽樣板圖

4 結 語

本文從鍋爐給水泵平衡鼓的使用工況和作用出發，分析了其零件結構、材料特點，確定了高強度0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼平衡鼓零件的制造工藝。通過選擇合理的加工定位方案和刀具、量具，較好地實現了節流槽等平衡鼓零件的加工。利用數控機床加工高壓鍋爐給水平衡鼓零件，不但保證了零件加工精度，提高了生產效率，對提高鍋爐給水泵的質量和產量具有重要意義。

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Balance Drum Parts for Water Feeding Pump of a Boiler and Discussion on Manufacturing Process

HOUPeihong1，ZHUJianhua1

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University， Shanghai 201306, China)

The balance drum is a major part in a water supply pump of a high pressure boiler. In this paper, the structure and material characteristics of the balance drum are analyzed, and the manufacturing process determined. Choosing a suitable positioning scheme and selecting cutting parameters reasonably, machining precision and surface roughness of the balance drum are guaranteed.

balance drum; parts; manufacturing process; positioning scheme; tool

2017 -10 -20

上海市自然科學基金項目資助(15ZR1417200)；上海市閔行區校企合作項目資助(17Q06)

侯培紅(1959-)，男，教授，博士，主要研究方面為機械設計制造、材料強度、硬材料及其加工方法、數控加工技術，E-mail: peihonghou5@163.com

2095 - 0020(2017)06 -0317 - 05

TH 16；TK 229.1

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