燃氣輪機對開機匣制造工藝研究

(中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，四川成都市，610500）楊光喬雷張世貴

國外某燃氣輪機渦輪部件是國內承接的首個燃機輪機的部件單元體，其對開機匣，是燃氣輪機渦輪部件轉子的關鍵、重要承力部件，起到對轉子的支撐作用和對排氣機匣的連接作用。對開機匣主要承載燃氣輪機在工作狀態(tài)下的軸向和徑向載荷。對開機匣因其使用功能和所承載載荷，決定其具有結構負載，重量、體積大，技術要求高等特點。

1 零件基礎情況

1.1 零件結構特性

此零件沿縱向分上下兩極，重量約4500Kg，總長為1755mm，最小內徑為Φ298mm，最大外徑為Φ 1319mm；縱向安裝邊8處定位銷孔通過定位銷定位，采用48處螺栓連接上下兩級；前法蘭面共有6處鍵槽，通過鍵與排氣機匣進行定位；通過供油和頂油回路對機匣內腔進行潤滑；內腔共有4處軸承裝配面，2處空氣封嚴配合面結。結構圖見圖1。

圖1 零件結構圖

1.2 零件材料特性

此零件毛坯為鑄鋼件，其力學性能室溫下最低抗拉強度47Ksi，最低0.2%屈服強度47Ksi。材料所含主要化學成分為碳、錳、磷、硫、硅，化學成分見表1。其加工性能良好，但因其材料中鉻、鎳化學成分含量很低，導致此材料易銹蝕。

表1 主要化學成分

1.3 零件尺寸特性

1.3.1 尺寸精度

直徑方向最小尺寸公差為±0.025；孔徑最小尺寸公差為±0.006；軸向最小尺寸公差為±0.025；最小槽尺寸公差為±0.025；深孔孔徑Φ12，深1015mm，長徑比84.5：1，且為盲孔。

1.3.2 位置精度

直徑位置度最小為Φ0.05；孔徑最小位置度為Φ0.25；垂直度為0.05；槽輪廓度為0.05；深孔相對于零件旋轉中心軸線、裝配基準面、裝配定位孔的位置度為Φ0.25。

1.3.3 表面精度

縱向結合面、軸承配合面、密封槽表面粗糙度均為Ra1.6。

1.3.4 裝配要求

由于此零件結構為對開機匣，其主要與轉子、軸承、封嚴件相裝配，故要求其零件的回轉中心和縱向結合面與基準面垂直，同時要求其回轉中心應在零件的縱向結合面內。回轉中心線與基準面、縱向結合面之間位置關系見圖2。

圖2 回轉中心線與基準面、縱向結合面之間位置關系

2 加工難點分析及解決方案

2.1 加工難點分析

2.1.1 找正和測量

零件具有總量、體積大，內形面結構復雜等結構特性。因其結構特性，零件在車加工工序中的傳統(tǒng)找正方式不便，需采用其他找正方式；車加工工序中因加工軸向深度約為880mm，考慮到零件的高度及夾具高度，測量人員需從月2000mm高下探到1120mm的位置進行尺寸測量，傳統(tǒng)的測量方法無法有效的進行測量。

2.1.2 工藝路線確定

根據零件的裝配要求，需保證零件的回轉中心、零件基準平面和縱向結合面三者之間的關系-即零件的回轉中心和縱向結合面與基準面垂直，同時要求其回轉中心應在零件的縱向結合面內；零件內腔尺寸為保證其即要滿足設計要求又要控制尺寸的一致性，需零件組合加工；零件外形尺寸在滿足設計尺寸要求條件下，為便于裝夾、加工，上下兩極客單獨加工，因此零件在整個制造過程中會經過數次的組合、分解過程。這涉及到零件的基準如何確定、如何提高裝分的重復準確性等工藝問題，而這些工藝的確定均需通過工藝路線的合理安排來完成。

2.1.3 深孔加工及其毛刺去除

根據設計要求，需要加工大量深孔，其中最具代表性的深孔為盲孔，其位置度為Φ0.25，孔徑Φ 12，孔深1015mm，長徑比84.5：1，而且有3處相貫孔結構。這對深孔的孔徑尺寸和位置度的控制及相貫孔口的毛刺去除帶來很大困難。

2.1.4 鍵槽加工

零件前端面均布6處鍵槽，該鍵槽通過鍵在裝配中實現零件與排氣機匣的定位連接。其相對于基準的輪廓度為0.05，鍵槽根部距前端外圓距離為76mm，在保證尺寸要求的前提下，對加工方法提出更高的要求。

2.1.5 防銹

當材料中鉻的含量在10%-12%時，在氧化性介質的作用下，促進了的鈍化，鋼的鈍化能力有顯著提升。而且當鋼中ω（Cr）≧10.5%,鋼的鈍化形成的氧化膜中富集了鉻的氧化物，這種富鉻氧化膜具有尖晶石結構，在許多介質中有很高的穩(wěn)定性，使鋼的鈍化態(tài)保持穩(wěn)定。在鐵基材料中加入鎳，能提高材料的耐蝕性，當鎳的原子百分數為12.5%、25%是，耐蝕性有明顯的提高[1]。根據零件的材料特性，其鉻、鎳化學成分含量均不大于0.50%，由此可見零件易銹蝕，這就對零件生產制造、清洗、運輸、貯存等環(huán)節(jié)的防銹提出更高要求。

2.1.6 表面粗糙度

零件的縱向結合面、軸承配合面、密封面表面粗糙度均為Ra1.6，而該表面尺寸精度要求高、切削面積大，需要刀具的有足夠的耐磨性。

3 解決方案

3.1 工藝路線確定

根據零件結構特性，材料特性，尺寸特性，采用工序集中的原則，減少找正裝夾帶來的誤差。采用裝夾基準、工藝基準、測量基準于設計基準相同統(tǒng)一，減少基準轉換次數所帶來的的誤差；考慮到零件的回轉中心、零件基準平面和縱向結合面三者之間的關系，其中基準面和回轉中心均與縱向結合面有行為要求，故需在粗基準建立后，首先加工保證縱向結合面，同時保證其平面度和粗糙度，并建立零件回轉中心和端面工藝基準，并控制上下兩極結合面與粗基準的尺寸即位置精度；考慮到裝分的重復定位精度，需組合加工定位銷孔和連接孔，采用間隙為0.005～0.025的帶引導錐的工藝銷與定位銷孔配合，以此實現工藝過程中的重復定位精度；因其裝配要求和結構特性，需在組合狀態(tài)下車前、后端內外形，同時控制零件的旋轉中心與縱向結合面的偏差及縱向結合面與基準面的垂直度；為保證其裝配性和減少拆裝次數在組合車后，進行組合加工前后端端面孔和槽；因在組合車、銑工序后零件的所有基準均已建立，故可以進行分解后內外形鉆、銑加工。由此確定了零件總體工藝路線，詳見圖3。

圖3 工藝路線圖

3.2 找正和測量方法

3.2.1 找正方法

先車加工的夾具在車床上進行初步的找正，零件通過夾具上的定位止口對零件進行初定位，然后通過卡爪，在一定力矩下用限力扳手調整夾具位置，以此來達到車加工零件找正的目的。

3.2.2 測量方法

采用機床在線檢測的功能，由于受機床的在線監(jiān)測精度限制，在測量程序參數相同的條件下，通過監(jiān)測校驗程序和測量標準件對檢測數據進行效驗，且為排除溫度差異的影響，每次校驗、加工均需在熱機完成后進行。以此達到對內腔尺寸的測量目的。

3.3 深孔加工及其毛刺去除方法

3.3.1 深孔加工方法

在深孔入口端鏜深度為100mm的引導孔；在槍鉆前端設中部分別設置滑動引導塊；采用油冷的內冷方式，液壓力為2.5～3.5Mpa,流量為120～140L/Min，以達到良好的排屑效果，以此來保證深孔的孔徑尺寸和位置度要求。

3.3.2 毛刺去除方法

采用氣動柔性反刮刀，配合內窺鏡對相貫孔處的毛刺進行去除。

3.4 鍵槽加工方法

為保證鍵槽的輪廓度要求和鍵槽的一致性，零件在組合狀態(tài)下，用龍門銑床和專用彎頭，采用粗、細精銑的方案，其中精加工采用高切削速度，低切削深度工藝，以此來保證鍵槽的輪廓度和一致性。

3.5 防銹措施

鑒于材料中鉻、鎳化學成分含量很低，零件易銹蝕的情況，在加工工序中采用油冷的方式，工序間的清洗選用洗烘一體的設備，用去離子水加溫清洗，并在清洗后進行烘干，結合零件的結構特性和材料特性，烘干時間不得少于3h。前后工序間隔4h以上時，需對零件涂抹防銹油。

3.6 表面粗糙度控制方法

由于控制縱向結合面、軸承配合面、密封面表面粗糙度，且切削面積大，這就需要刀具有很好的耐磨性和切削性。刀具增加涂層能使刀具基體上覆蓋硬質、耐磨的金屬化合物薄膜，以此達到提高刀具表面的硬度和耐磨性[2]。故刀具基體材料采用硬質合金，并涂覆材料為Ni-W-P的涂層；為有效降低切削熱對零件表面的影響，采用高壓內冷的方式冷卻，以此提高刀具的耐磨性、使用壽命、降低切削熱對零件表面影響，最終達到表面粗糙度控制的目的。

4 結語

此對開機匣在燃機的渦輪部件中起到支承轉子、密封、連接的重要作用。其具有體積、重量大，結構復雜，材料易銹蝕，技術條件要求高，裝配要求嚴，表面精度高等系列特點。通過對零件的結構特性、材料特性、尺寸特性的了解，結合其裝配要求和在整個部件中所起到的功用，分析出零件的加工難點。針對分析出的找正和測量、工藝路線確定、深孔加工及其毛刺去除、鍵槽加工、防銹、表面粗糙度控制等方面的難點，分別確定了總體工藝路線、找正測量方法、深孔加工及其毛刺去除方法、鍵槽加工方法、防銹措施、表面粗糙度控制方法，來解決零件加工中系列難點。達到對開機匣滿足設計要求和裝配要求。