提高重型燃機壓氣機缸研制精度技術方案

謝龍飛

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

筆者公司目前生產的G340、G510 重型燃機，是引進三菱技術的大型發電設備，市場占有率高、用戶信譽度好、運行業績優良。作為三菱引進機型的佼佼者，在制造過程中發現，沿用三菱加工技術的壓氣機缸在裝配時，上下半內孔軸向、徑向錯位始終難以滿足總裝要求。為此在技術層面進行了探討，擬定出了行之有效的技術方案，圓滿解決了研制質量的技術問題，滿足了目前井噴的重型燃機市場對高品質機組的需求。

1 壓氣機缸結構及精度分析

重型燃機靜子部件的缸體部分，從機頭至機尾依次為進氣缸、壓氣機缸、燃兼壓缸、透平缸和排氣缸，進氣缸的前端接進氣室，排氣缸的后端依次接前后部排氣擴壓缸，支撐轉子的兩軸承分別落座在進、排氣缸上，如圖1 所示。G340、G510 兩種機型的壓氣機缸總體結構相近，均為上下半筒形結構，鑄鋼毛坯。缸的結構復雜，精度高，密封要求嚴。上下半的中分面法蘭由直銷定位、螺栓把合，如圖2～圖4 所示。圖2 和圖3 中用指引線標識出了中分面法蘭直銷孔的具體位置。

圖1 總裝中的G340 重型燃機

圖2 G340 壓氣機缸

圖3 G510 壓氣機缸

圖4 壓氣機缸中分面法蘭定位方式

G340、G510 重型燃機是大功率、高精度和高經濟價值的發電設備，最大特點是高溫、高壓和高轉速。它的動靜零部件間有嚴格的間隙要求，特別是轉子動葉與缸體的通流間隙和缸的中分面間隙要求高且嚴格。為了保證中分面的密封效果，壓氣機缸中分面各緊固件的把緊力在設計層面都有嚴格的技術要求。相應地，在工藝層面也制定了能有效保證設計要求的具體工藝舉措[1]。在制造過程中，必須千方百計地保證各缸所有部位的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度要求，以確保機組性能。對于壓氣機缸而言，可這樣理解它的精度[2]：一是設計精度，二是加工精度，三是裝配精度，四是工作狀態下精度的保持、變化情況。由于缸的結構特點和缸的加工、裝配、工作三種狀態的不統一，導致制造過程中缸的變形相對較大，因此需要抓住缸的變形對制造精度影響這條主線，擬定并落實減小加工變形的工藝方案[3-4]。由于缸為上下半結構，故中分面法蘭的定位方式和定位面的加工方式極為重要。如定位精度低或加工方式不合理，都會導致上下半各內孔的軸向、徑向錯位大幅超差，嚴重降低缸的加工精度，并直接影響機組的裝配質量。另外，由于壓氣機缸的研制精度直接影響吸入空氣的壓縮參數和整機性能，同時針對投運機組壓氣機缸出現的變形量超差、密封面漏氣、工作效率不夠穩定等問題，在研制過程中，始終將提高設計質量和制造精度作為研制工作的重點。

2 中分面法蘭定位方式及工藝方案存在的主要問題

G340、G510 兩種機型壓氣機缸中分面法蘭均采用采用直銷定位，如圖4 所示。孔/銷配合公差分別為?52H7（0～+0.03）/f7（-0.03～-0.06） 和?73H7（0～+0.03）/g6（-0.01～-0.029）。前者的把緊方式為冷緊；后者的直銷有與后文圖7 一樣的加熱孔，冷緊和熱緊兩種把緊方式均可。按孔的最小尺寸減銷的最大尺寸、孔的最大尺寸減銷的最小尺寸計算配合間隙，G340 和G510 壓氣機缸中分面直銷定位的配合間隙分別為0.03～0.09 mm 和0.01～0.059 mm。在加工過程中，上下半氣缸先是單缸各自鏜削出中分面法蘭上的直銷孔，再合并上下半氣缸，整缸車削內孔。在合缸過程中，缸四角上的直銷通常總會有一只以上與上下半銷孔成單側對稱接觸狀態，此狀態下車削出的氣缸上下半內孔雖然沒有錯位，但個別銷孔已經有了大的錯位。總裝時，缸的放置狀態與加工時相反，由立放變為平放，再加上缸內零部件的重力作用，此時銷與銷孔的接觸點會向相反的方向轉變，以致上下半內孔的軸向、徑向理論上可能出現的錯位各自達定位銷最大配合間隙的兩倍，即0.18 mm 和0.118 mm，遠超0.05 mm 的裝配要求。另一個問題是直銷與銷孔的軸向配合長度過短，長徑比為1 左右，定位剛性差，裝拆直銷時，易拉傷配合面。

目前，壓氣機缸加工及裝配過程中存在的主要問題如下。

（1）上下半立放，背對裝卡，同時就位于鏜床回轉工作臺長度方向的兩端，用鏜床主軸單獨加工各直銷孔。此加工方案各直銷孔的位置精度受機床和刀具的影響較大。

（2）上下半合并工序，插裝直銷時，直銷或銷孔普遍存在卡澀或拉傷現象，并帶來氣缸出現一定程度的變形。如能在合缸狀態加工直銷孔，則可有效避免或減少裝銷干涉和缸的變形，但合缸加工存在鏜桿懸升過長、直銷孔的加工精度難以保證等困難。

（3）上下半合并后，進行立車工序時，由于需調頭車削，因此在起吊翻身中，因中分面法蘭直銷與銷孔配合間隙較大，已車好的內孔容易出現不便恢復的軸向、徑向錯位[5-7]。

（4）壓氣機缸完成加工以分缸形式轉入裝配工序時，先是上下半合并，檢查內孔軸向、徑向錯位和中分面間隙，如錯位量超差，則施加外力來控制缸的內孔錯位量；再將錯位量調到總裝允差值的0.7 倍以內的同時，同步把緊中分面各緊固件；最后按圖5 所示在兩側中分面法蘭各修磨出3 處上下半缸的對中基準。

圖5 G340 壓氣機缸中分面法蘭對中基準

（5）機組整體裝配時，采用與步驟（4）相近的操作方法，即按對中基準恢復缸的內孔錯位精度，并同步把緊中分面各緊固件。這種用外力消除缸的變形、再依靠螺栓緊力在中分面形成摩擦、達到固定上下半相對位置精度的技術措施，實為一種違背定位原理的技術方案，不但操作繁瑣，而且定位精度的保持效果更差，給對機組的運行也帶來了一定的隱患。

（6）統計近百臺兩種機型的壓氣機缸內孔實際最大錯位量，結果是只有個別臺份，因加工應力變形的疊加，其內孔最大錯位量接近直銷與銷孔最大配合間隙的2.5 倍，多數情況為直銷與銷孔實際配合間隙的2 倍左右。總體規律是：內孔實際錯位量的大小，始終與鄰近定位銷實際配合間隙成正比。由此得出結論：加工應力變形僅是引發內孔錯位的次因，主因是定位銷的配合間隙[8-9]。

下面就如何優化中分面法蘭定位方式展開討論。

3 中分面法蘭定位方式的優化

分析G340、G510 兩種機型壓氣機缸中分面法蘭緊固件結構可發現，G340 中分面法蘭四角的定位直銷與相鄰螺栓相比直徑較小，主要功能是定位，此處法蘭的把緊主要由相鄰螺栓承擔；G510 直徑相當，起定位和把緊雙重作用。在設計層面，直銷把緊力要求與中分面同規格螺栓一致。從前面的分析可知，要減小缸的上下半內孔錯位，須從減小定位銷的配合間隙入手。理論上，將定位直銷的配合間隙按過度或過盈選擇，也能有效控制缸的內孔錯位，但由于缸在制造和使用過程中需多次和定期拆裝上下半，如定位直銷配合間隙過小或過盈，在拆裝過程中，輕者直銷裝拆困難或拉傷配合面；重者需廢掉直銷，重新加工銷孔、照配直銷。因此，優化直銷定位這種技術方案不可行。錐銷定位方式與直銷定位相比，裝配后不但具有零間隙和過盈量適中的優點，而且裝拆方便，特別適合需要反復拆裝的場合。為此，優化技術方案選用了錐銷定位方式[10]來取代原有的直銷定位。錐銷定位的技術難點主要在制造層面的鉸刀研制方面，將在后面討論并解決。在缸的制造過程中和機組投運后的開缸檢修中，錐銷定位不但首裝、復裝方便，而且定位精度不會下降。在確定錐銷的大小、結構細節等要素時，主要考慮了兩點：一是定位精度要高、定位效果要好；二是不能降低原有把緊要求，并做到一定程度的超越。原直銷把緊方式與中分面法蘭雙頭螺栓一致，改為錐銷后，把緊要求得以提高，對把緊方式也做了一定的優化。

壓氣機缸在使用和裝配過程中，錐銷的受力狀態與直銷略有差別，除了承受與直銷一樣的軸向拉力和徑向剪力外，錐面還承受一個直銷沒有的鎖緊所需的軸向分力，因此適當增大了錐銷的徑向尺寸。考慮到目前在用中的?57/1:50 錐鉸刀性能總體過關，它的直徑又略大于?52 直銷，在類似機組上?57/1:50 錐銷也用得較為普遍，因此，G340 機型壓氣機缸中分面法蘭定位方式按圖6 所示優化。定位面的總長由原來的50 mm 加至200 mm，這樣的定位長度不但有利于加工和裝配，更能滿足工作狀態下的定位要求。原?52 直銷兩端螺柱規格同為M48，改進為?57/1:50 錐銷后，將其大、小端螺柱規格分別加大至M56、M52。考慮到需要兼顧把緊和定位的要求，小端的把緊拉力由原來的M48 增大至M52，量化為擰緊扭矩約為5 000 N·m；大端的把緊拉力按M48 上限考慮，量化為擰緊扭矩約為4 300 N·m。擰緊工具選用液壓力矩扳手，分3 次擰緊，每次從小端到大端，小端比大端大700 N·m，逐次擰緊到終值。

圖6 G340 壓氣機缸中分面法蘭

圖7 所示定位方式用于G510 機型壓氣機缸，錐銷規格與原直銷一致，定位面的總長由原來的76 mm 加至200 mm，各受力部位徑向尺寸均大于原有直銷，這樣優化很好地滿足了研制的需要和使用上的要求。原?73 直銷單螺柱端規格為2.5-8UN,階梯螺柱端規格為2.5-8UN、2.25-8UN，改進為?73/1:50 錐銷后，將單螺柱端規格加大至2.75-8UN，階梯螺柱端規格加大至3-8UN、2.75-8UN。由于?73/1:50 錐銷有嚴格的把緊要求，考慮到熱緊對錐銷材質、壽命和定位精度有一定的影響，故采用冷緊方式。預緊時，選用液壓力矩扳手，只預擰單螺柱端，預緊扭矩按終值的30%約4 500 N·m 選擇。最終把緊選用拉力器，拉、擰階梯螺柱端，量化到擰緊扭矩、取下限約為13 300 N·m，略大于原直銷把緊扭矩的上限12 100 N·m。

圖7 G510 壓氣機缸中分面法蘭

4 中分面法蘭錐銷孔加工簡介

壓氣機缸中分面法蘭錐銷孔直徑大、精度高、加工難度大，因此將其作為討論的重點之一。其中最核心的是加工方案和錐鉸刀的研制及使用。錐銷孔分三步加工[11]：先將錐銷孔按直銷孔的加工方式，分缸預鉆擴成?57、?73 通孔；然后合并上下半；最后合鉸錐銷孔至圖示尺寸。具體步驟如下。

（1） 上下半同時立放于鏜床回轉工作臺兩端，中分面精銑后，先將錐銷孔鉆擴成?57H8、?73H8直銷孔。

（2） 上下半立放把合，要求中分面四角間隙一致，允差0.05 mm，然后裝入工藝直銷和螺栓，把緊。為方便工藝直銷裝入和減小缸的變形，工藝直銷的尺寸公差按?57d7、?73d7 選擇。

（3）合并狀態的缸，按圖2 和圖3 所示就位于搖臂鉆床，主支點選中分面法蘭四角，要求中分面四角等高，允差0.05 mm，逐一取下工藝直銷擴鉸錐銷孔，裝錐銷。由于錐鉸刀的研制成功與否直接關乎到定位結構優化方案的落地實施，因此完成了?57、?73 兩種錐鉸刀的研制和試用。

① 根據在用中的?57/1:50 錐鉸刀存在的問題，進行了設計優化，在此基礎上又設計了?73/1:50 錐鉸刀，如圖8 和圖9 所示。考慮到其他零部件的加工需要和通用性，錐鉸刀各部分的尺寸均適度加大。圖8 和圖9 分別用于錐銷孔的粗、精鉸。錐鉸刀為對焊整體式結構，材料W6Mo5Cr4V2/45。設計圖8所示的錐鉸刀（粗）時，重點考慮的是加工效率高、重磨方便、造價低等指標。設計圖9 所示的錐鉸刀（精）時，重點考慮的是滿足加工精度要求和耐用度等指標。粗、精錐鉸刀的主要區別是：前者是直齒，齒的切削刃開有寬5 mm 的斷屑槽，相鄰齒的斷屑槽彼此錯開；后者是螺旋齒，切削刃無斷屑槽。

圖8 ?73、?57/1:50 錐鉸刀（粗）

圖9 ?73、?57/1:50 錐鉸刀（精）

② 根據工件材料為普通鑄鋼、鑄造質量較為穩定、加工性能相對優良等有利因素，將錐鉸刀的齒數分別按6、8 偶數齒設計。對于同一錐銷孔，當不同位置部位的材質和機械性能有較大差異時，特別是存在硬點或硬度、強度嚴重不均的情況，可將齒數按5、7 或7、9 奇數齒設計，這樣可確保切削過程中，當某個切削齒出現嚴重磨損或崩刃后，刀具的定位效果不至于急劇下降，以維持切削過程和鉸孔精度的相對穩定。

③ 精鉸刀齒形按40°大螺旋齒、左旋設計，漸近切入，具備切削輕快、平穩的特質。切屑前排，這種切屑流向非加工面的排屑方式，能有效保護面的已加工部位不被劃傷。

④ 容屑槽大、排屑順暢，這些優點能有效防護切屑堵塞造成崩齒或刀體斷裂。

⑤ 由于工件材質相對較軟，鉸刀的前、后角按較大設計，刃帶寬度在現有同類鉸刀的基礎上做了適當加大的選擇，這些措施在保證刃口鋒利的同時，又兼顧了刃口的強度。

⑥ 切削刃的錐角參照按同類成熟鉸刀設計，即設計成2×45°（3×45°）→6°→1:50 錐度3 個切削段，整個切削刃平滑連接，切削下的鐵屑成本色材質、無燒焦，形狀柔褶、卷薄，切削效果和效率均佳。

⑦ 切削齒高，則在刃口磨損后便于重磨再用，經濟性好。精鉸時，單面加工余量按0.25～0.35 mm選取，切削液選用英國羅哥公司CR-2 攻絲油，能有效保證鉸孔精度，在長期使用中發現，此攻絲油是成型面低速精加工的最佳選擇。唯一的缺點是價格偏高，但相對而言，性價比總體合理。粗鉸時，切削液選用國機潤滑油ZK-728，冷卻效果好，性價比適中。粗鉸切削參數：n=24～28 r/min，vf=18～22 mm/min；精鉸切削參數：n=12～16 r/min，vf=10～14 mm/min，深度還剩10 mm 時收刀，切削參數再降至n=8～10 r/min，vf=6～8 mm/min。

（4）上下半合并狀態的缸，在立車車削內孔。

5 結語

壓氣機缸中分面法蘭定位方式由直銷優化為錐銷后，在設計層面，提高了缸的定位精度、定位效果。在工藝層面，通過加工方法的完善和先進工藝措施的應用，很好地保證了錐銷孔的加工精度，達到了定位方式設計優良，加工工藝方案保證得力的預期。特別是實現了錐銷的實際把緊力大于直銷，上下半合并后，缸的內孔軸向、徑向錯位均小于0.02 mm 的理想效果。這些技術措施，對機組性能的穩定、提高發揮了實實在在的作用。除此之外，此舉措還提高了加工效率，降低了制造成本，縮短了制造周期，減輕了加工和裝配勞動強度，具有良好的技術效果和經濟效益。本文介紹的技術方案簡單明了，不僅可用于重型燃機大型零部件研制，也可用于火電汽輪機、核電汽輪機和其他各類大型機電設備特性類似的零部件的研制上，適用性廣，推廣價值突出。