轉子大凹面葉輪的車削加工方法

王紅海

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

汽輪機轉子是汽輪機的核心部件，轉子由轉子本體部分和葉片部分共同組成[1]。其中轉子本體部分由鍛件廠家鍛造，按采購廠家要求粗加工成毛坯料，采購廠家通過機械加工方法生產成設計圖樣要求的精加工狀態，安裝葉片，形成整個轉子。轉子是回轉件，本體加工使用臥式車床車削外圓、端面等位置，但是有些轉子葉輪的輪面設計結構復雜，帶有大凹面（大凹面指的是轉子葉輪凹面底部到葉輪端面尺寸大），使用常規的車削刀具加工無法完成，因此需要尋求新的車削加工方法及刀具，解決轉子大凹面葉輪的車削加工問題。

1 轉子結構分析

汽輪機機組中的轉子通常分為高中壓轉子和低壓轉子兩種。汽輪機轉子由對輪、軸頸、葉輪、汽封齒等特征部分組成；對輪是轉子相互聯接時的對接部分，軸頸是轉子安裝在汽缸中的支撐位置，葉輪是整根轉子加工完成后安裝葉片部分，汽封齒是轉子本體上的一些有規律的高低凸臺，通流時起密封作用[2-4]。圖1為低壓轉子示意圖。

2 常規轉子的葉輪結構及加工方法

常規的高中壓轉子葉輪外圓到底徑尺寸小，端面為平直面；低壓轉子的葉輪外圓到底徑的高度尺寸稍大，輪面結構為平直面或淺凹面。在轉子車削加工葉輪端面時，我們加工葉輪輪面時通常使用一把刀具車削加工完成。如圖2所示，使用加工刀具加工葉輪輪面，刀片采用φ16 mm圓形標準刀片，加工時采用數控程序加工；同時使用數控程序控制車削的加工參數。粗加工時控制每刀切深小于3 mm,線速度100 m/min左右，進給0.2 mm/r。精加工時切深0.5 mm,線速度100 m/min左右，進給0.2 mm/r。首先，在機床設備中根據刀具編號輸入刀具補償值；其次，使用刀具在葉輪外圓及轉子軸向基準面進行對刀；然后使用數控程序進行輪面車削加工,同時根據實際加工情況微調加工參數，完成轉子葉輪輪面的加工。

圖1 葉輪結構

3 帶有大凹面的葉輪結構及加工方法

圖2 葉輪輪面加工

隨著電廠裝機容量的增大，單機的發電量由常規的30萬kW、60萬kW，逐步增加到100萬kW，因此機組中相應零部件的尺寸也變得越來越大；同時帶動轉子的尺寸也變得越來越大。以百萬當量機組低壓轉子為例，轉子毛坯質量接近200 t，轉子總長11 000 mm，最大葉輪外圓直徑φ2800 mm，底部直徑φ1240 mm，葉輪高度780 mm（相當普通低壓葉輪高度的2倍）；同時，轉子葉輪輪面設計成帶有大凹面的結構，凹面的深度170 mm,葉輪與葉輪之間開檔間隙尺寸小，寬度92 mm,結構如圖3所示。

3.1 車削加工設備的選擇

圖3 葉輪凹面結構

轉子毛坯來料時葉輪與葉輪之間的開檔寬度小于90 mm,并且是直面結構，葉輪凹面最深部分余量超過170 mm；同時，轉子毛坯的質量接近200 t。根據轉子的結構特點選擇加工轉子的臥車，轉子車要求承重250 t左右，過刀架車削直徑2800 mm以上，刀排伸出長度800 mm以上。因此我廠選用250 t轉子加工重型臥車，車削加工此葉輪端面時，使用的刀排寬度為60 mm（小于葉輪與葉輪之間的開檔寬度），車削加工時刀排在開檔中有軸向移動空間。

3.2 車削加工刀具的選擇

臥式車床60 mm寬的刀排的刀具接口為C5接口，加工這種類型的轉子的葉輪凹面時，刀排伸長800 mm,車削凹面最深位置時刀具刀尖到刀排端面尺寸大于170 mm,通過有限元分析得出，C5接口在刀具懸出刀排上述要求尺寸加工零件時，容易出現轉矩過大，造成刀排接納器損壞，從而損傷加工工件的情況。通過有限元分析得出使用通用的刀具接口已經不能滿足這種大凹面的葉輪輪面加工要求。因此，設計專用的刀具接納器，改變刀具接口，使刀具的C5接口改變成圓形的刀具接口，增加刀具尾柄的長度，提高刀具接柄位置的抗扭轉力，滿足轉子輪面切削的需要[6]。圖4為有限元分析刀具接口所受的轉矩。

常規轉子輪面的車削加工時，由于轉子葉輪高度小，加工時刀排伸出機床床身短，刀排的剛性好，因此輪面車削加工時通常采用圓形刀片，以提高轉子車削加工后的零件表面質量；而在刀排伸出較長的情況下，為減小車削加工中的抗力，選取的車削刀片通常選用菱形刀片。菱形刀片車削加工時的優點在于切削抗力小，不易出現由于抗力過大打刀現象，輪面加工質量容易保證。

為了保證車削加工方案的可行性，在技術準備階段進行刀具加工試驗。試驗件選取帶余量的產品轉子，刀具使用設計方案中先生產出來的試驗刀具。首先，車削使用的刀排伸出800 mm長（產品加工中需要伸出的長度），同時，選取加工凹面位置時伸出刀排最長的刀具，在轉子端面位置進行車削；加工參數：切深2 mm,線速度100 m/min，進給0.2 mm/r；車削加工時觀察刀排振動情況及產生鐵屑情況，同時加工完成后檢查輪面加工的粗糙度。實驗結果：車削加工時刀具無振動，加工完成后零件表面粗糙度達到圖樣要求。通過試驗驗證這種刀具的選擇是合理的。圖5為加工刀具。

圖4 刀具接口轉矩有限元分析

圖5 加工刀具

3.3 車削加工刀具配備方案

常規車削加工時，刀具安裝完成后，使用安裝好的刀具在工件外圓及基準端面對刀，然后將刀具開到加工位置開始車削加工。但是這種常規加工葉輪輪面刀具已經不適合這根轉子的凹面葉輪加工，轉子葉輪與葉輪間開檔寬度小于90 mm,轉子葉輪端面的凹面車削加工深度為170 mm,刀具刀排寬度60 mm,車削加工時刀具長度加上刀排寬度已經遠遠大于葉輪開檔寬度，車削加工時刀具無法從葉輪外圓位置進入開檔中車削葉輪端面。因此，研究開發可調整長度的車削刀具進行葉輪凹面的車削加工。刀具的刀柄、刀體設計成通用的結構，刀柄與刀頭之間采用定位銷方式連接；刀具的刀頭部分可以拆卸，刀頭與刀體之間采用燕尾方式連接，同時根據刀排在葉輪間的軸向移動的空間把刀頭部分設計成不同長度，車削加工時更換不同長度的刀頭完成轉子葉輪凹面部分的車削。圖6為車削刀具。

3.4 車削加工方法

轉子凹面車削步驟：轉子上轉子車→裝夾→找正（按軸頸找正到跳動0.01 mm以內）→對刀→粗加工葉輪凹面部分（單面留3 mm余量）→精加工葉輪凹面部分。

轉子車削加工葉輪凹面時，先使用刀具1進行車削加工，刀具1的寬度尺寸小于葉輪開檔寬度，可以伸到開檔中進行車削加工，對刀時在轉子外圓及基準面進行對刀。然后更換刀具2進行車削加工（刀具2設計成可以更換刀頭結構），刀具2對刀時同樣在轉子外圓及基準端面對刀，對刀完成后，將刀具2開到葉輪開檔位置，拆下刀頭，將刀具開到葉輪開檔內部，然后安裝上刀頭，進行葉輪凹面車削。刀具2的刀頭設計成不同的長度，車削加工時，更換不同長度的刀頭，滿足轉子葉輪凹面車削加工軸向深度的需要[7-10]。圖7為凹面加工部分示意圖。使用圖7所示車削刀具車削加工時，由于葉輪凹面部分設計成圓弧型線聯接的結構，與走刀方向相反的刀具背部一側轉子葉輪，由于刀具刀尖位置的原因有一部分車削不到，因此刀頭的刀尖設計成上、下兩種結構；轉子葉輪凹面車削加工時通過更換不同長度、不同刀尖方向的刀頭，實現轉子葉輪凹面的車削。車削加工時的走刀軌跡，粗車去余量時采用機床X軸走直線的方式進行車削加工，凹面精車時按凹面的型線進行車削加工。具體操作按數控加工程序執行[11－15]。以下為部分加工程序:

圖6 刀具和刀柄結構

圖7 凹面加工示意圖

4 結論

本文通過設計專用臥車車刀接納器、更改常規的刀具接口，提高刀具車削加工時的剛性；設計專用的車削刀具，刀具可以調整長度，滿足葉輪凹面加工的需要；通過刀具車削試驗驗證刀具的合理性。這種凹面的車削方法實現了轉子的葉輪凹面的車削加工。在同類型產品的生產加工中可以推廣應用。