9E燃氣輪機耐熱合金二級復環(huán)車加工

南京汽輪電機（集團）有限責任公司 柳 政 朱 丹

9E燃氣輪機耐熱合金二級復環(huán)車加工

南京汽輪電機（集團）有限責任公司 柳 政 朱 丹

柳政

9E燃氣輪機是南汽引進美國GE公司技術合作生產(chǎn)的125MW燃氣輪機發(fā)電機組，二級復環(huán)是9E燃機的一個重要部件，它安裝在9E燃機透平氣缸中，主要作用是隔斷高溫氣流和透平氣缸，保護并防止氣缸過熱。二級復環(huán)由48塊單件組合而成，其總成尺寸大，尺寸精度和位置精度要求都很高，結(jié)構(gòu)比較復雜。同時二級復環(huán)的材料是2Cr25Ni20奧氏體耐高溫不銹鋼，原來都是依靠從國外直接整部件進口，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。目前使用的刀具加工二級復環(huán)，刀具磨損快、生產(chǎn)周期長、效率低、成本增加。因此，如何有效解決二級復環(huán)的加工，既要滿足生產(chǎn)的需求，使燃機產(chǎn)品國產(chǎn)化順利完成，同時達到公司提出的“圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)、展開降本增效”的目的。

加工中的技術難點

（1）二級復環(huán)是由48塊單獨的復環(huán)塊組成，每塊的聯(lián)接靠凹凸槽配合（見圖1）。車加工時靠定位銷固定在專用模具上。最大加工直徑達到2850 mm。復環(huán)在上、下端面存在著凹槽，凹槽兩處端面的平行度要求在0.05 mm以內(nèi)，尺寸公差與內(nèi)外徑公差都在0.07 mm以內(nèi)，且與內(nèi)外徑同軸度要求在0.05 mm以內(nèi)。

（2）二級復環(huán)由48塊單獨的復環(huán)塊組成，加工時保證裝夾可靠。

（3）復環(huán)材料屬于難加工耐高溫奧氏體不銹鋼，此類材料在車削加工中一直是一個難題。

（4）目前的刀具對于二級復環(huán)的加工，周期長、效率低，不僅增加了相應的成本，更重要的是對產(chǎn)能造成很大的影響。

圖1 二級復環(huán)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

專用裝夾工裝的設計

二級復環(huán)組件是由48塊形狀、大小相同的扇形塊組成，各扇形塊按一定順序排列組成一個外圓為2850 mm、內(nèi)圓為 2570 mm、高度為165 mm整圓環(huán)，各扇形塊之間保證一定量的熱脹間隙，且內(nèi)外圓有很高的尺寸精度和形位公差要求。

（1）復環(huán)塊加工時裝夾的要求：由于二級復環(huán)內(nèi)、外圓有同軸度要求，且復環(huán)上、下端面存在環(huán)形槽，槽端面的平行度在0.03 mm以內(nèi)，要求復環(huán)裝夾定位后必須一次加工完成，不得二次調(diào)整重新定位再裝夾。因此加工裝夾定位必須以48個安裝定位孔為基準，同時，要有足夠的空間一次性完成上、下凹槽的加工，如圖2所示。

（2）專用工裝的設計：根據(jù)圖樣要求和分析，設計出專用工裝，達到滿足一次性裝夾定位，完成加工的要求，如圖3所示。

圖2

（3）專用工裝壓板的改進：由于原壓板形式為單點單塊復環(huán)塊壓緊，工件在切削時，由于切削力比較大，且復環(huán)塊之間存在一定的間隙，導致在切削過程中存在個別復環(huán)塊出現(xiàn)位移現(xiàn)象。因此，由原來的單點單塊壓緊改制成雙點雙塊壓牢，及一塊壓板同時壓兩塊復環(huán)塊，增加了受力點，大大提高了復環(huán)的壓緊力，保證加工時平穩(wěn)切削，如圖4、圖5所示。圖6所示為改進壓板后，二級復環(huán)現(xiàn)場裝夾情況。

圖3 二級復環(huán)加工專用工裝

圖4 改進前的壓板結(jié)構(gòu)

圖5 改進后的壓板結(jié)構(gòu)

圖6 二級復環(huán)裝夾圖

刀具的選擇

在選擇刀具之前，首先對9E燃機二級復環(huán)材料2Cr25Ni20與45鋼在化學成分和力學性能上做一比較（見表1、表2）。

表1 主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

表2 力學性能

根據(jù)此上各參數(shù)的比較，歸納復環(huán)材料有以下特點：材料的塑性高，切削時塑性變形大，切削力大；低導熱性，切削溫度高，散熱不好，得不到充分冷卻；分段組成，間斷切削，對刀刃造成大沖擊力；加工硬化現(xiàn)象嚴重；容易粘刀，刀具磨損快，壽命低。

1.內(nèi)、外圓車刀片的選擇

根據(jù)以上材料特點，在加工中使用了很多廠家的刀片進行試切，多數(shù)很不理想，加工效率太低。由于復環(huán)加工直徑大，切削速度上不來，刀片切削使用沒多久就磨損了。經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)，由于復環(huán)之間存在間隙，加工屬于間斷切削，多數(shù)涂層刀具不適合該復環(huán)材料的切削加工。最后篩選出3種能滿足加工要求的刀具。

（1）M42高速鋼手磨車刀：轉(zhuǎn)速n=0.6 r/min（線速度v=5.4 m/min）；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：100 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內(nèi)圓車一刀，背吃刀量3 mm，切削長度165 mm，需換刀1次，用時917 min。

（2）施特拉姆涂層刀片：轉(zhuǎn)速n=1.6～2.0 r/min（線速度v=16 m/min）；進給量f=0.2 mm/r ；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：50 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內(nèi)圓車一刀，背吃刀量3 mm，切削長度165 mm，需換刀3次，用時458 min。

（3）山高涂層刀片：轉(zhuǎn)速n=4～6 r/min（線速度v=44.7 m/min）；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削長度/刃：100 mm；冷卻：霧狀冷卻；切削狀況：內(nèi)圓車一刀，背吃刀量 3mm，切削長度165 mm，需換刀1次，用時110 min。

由上述3種刀具比較可以看出：第1種M42手磨刀耐磨性還可以，但切削速度較低，效率不高；第2種施特拉姆刀片加工效率比第1種刀提高了近一倍，但刀具耐磨性較差，壽命只有第1種刀的一半；第3種山高刀片加工效率比第1種刀提高了近8倍多，刀具壽命和第1種刀具相當。

經(jīng)過以上比較，再進行價格和效率的比較，我們最終選擇了山高的粉末冶金涂層刀片進行內(nèi)外圓的加工。

2.直槽割刀和上下勾槽刀的設計

在加工9E二級復環(huán)的各道直槽和勾槽時，在上述廠家沒有找到比較合適的刀具，一開始采用的仍然是進口刀片式割刀，刀片材料為硬質(zhì)合金。這種刀片在耐磨性和切削速度上比較優(yōu)越，但抗沖擊性能比較差，且切削阻力很大，加工時經(jīng)常造成工件的振動甚至是位移。

經(jīng)過反復研究，我們找到了國內(nèi)的刀具廠商，根據(jù)我們提出的要求，改用整體式M42高速鋼直槽割刀和上下勾槽刀（見圖7），經(jīng)過試驗，整個加工時的切削性能，特別是抗沖擊性大大提高，工件的加工質(zhì)量和加工進度有了很好的提高。

圖7 整體式M42高速鋼勾槽割刀和直槽割刀

圖8 粉末冶金高速鋼刀片式槽割刀

（1）刀具結(jié)構(gòu)的改進：在后續(xù)加工中發(fā)現(xiàn)，整體式M42割刀太費材料，一旦刀尖受損，一把勾槽刀就會報廢，而直槽割刀要花很多時間進行修復。為此我們改變了刀具的結(jié)構(gòu)，利用報廢的整體式M42割刀，自行設計制造了刀片材料為M42高速鋼的刀片式直槽割刀和勾槽割刀，從而節(jié)約大量刀具費用。

（2）刀片夾緊方式的改進：由于在割內(nèi)、外圓直槽時，切削量大，而且屬于間斷切削，造成切削時產(chǎn)生較大的阻力，為防止直槽割刀這種夾緊方式在切削時刀片產(chǎn)生位移，因此，又在此基礎上改變了刀片的夾緊機構(gòu)（見圖8），從而使加工更加安全可靠。

（3）刀片材料的改進：由于采用M42高速鋼加工直槽時，加工完后，發(fā)現(xiàn)磨損比較嚴重，且效率比較低。在此情況下，我們沒有找更多的刀具廠商進行試切，而是突破常規(guī)，自行解決。在利用車二級復環(huán)內(nèi)、外圓的效果較好的山高粉末冶金涂層刀片的提示下，我們經(jīng)過咨詢，在沒有涂層的情況下選擇此粉末冶金高速鋼。為了節(jié)約材料，降低成本，同樣，在整體的粉末冶金高速鋼材料上，切割成片狀，做成粉末冶金高速鋼刀片，與M42的結(jié)構(gòu)相同。

圖9 切削加工后對比圖

（4）改進后效果（見圖9）：在分別使用M42刀片和粉末冶金高速鋼刀片后，作了比較，以下為比較后的相關參數(shù)和效果對比。

M42直槽刀：轉(zhuǎn)速n=1.5 r/min；進給量f=0.2 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；冷卻：霧狀冷卻。

粉末冶金直槽刀：轉(zhuǎn)速n=2.5r/min；進給量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；冷卻：霧狀冷卻。

從以上相關參數(shù)比較可以看出，使用粉末冶金刀片比M42刀片加工效率提高近2倍。

從圖9中可以看出，粉末冶金刀片比M42刀片在加工過程中磨損小得多，因此，粉末冶金刀片壽命長。從加工效果來看，通過以上自制刀片基本上是成功的。

同時，由于我們在加工二級復環(huán)內(nèi)、外圓時，采用的是山高的涂層刀片，因此，下一步還打算對目前使用的粉末冶金直槽割刀刀片和后續(xù)使用的勾槽刀刀片進行涂層，相信將會有更好的加工效果。

結(jié)語

對于燃氣輪機二級復環(huán)奧氏體耐熱不銹鋼這種難加工材料，我們的加工技術處于行業(yè)領先水平，為燃氣輪機其他類似產(chǎn)品積累了經(jīng)驗。掌握了原來只有少數(shù)發(fā)達國家才掌握的先進部件的加工方法和加工經(jīng)驗，為未來幾年加工燃氣輪機其他產(chǎn)品零件難加工材料國產(chǎn)化鋪平了道路。

同時，在加工中能夠利用進口刀片材料的性能進行國產(chǎn)化自制，并取得很好的加工效果。這在未來的加工生產(chǎn)中可以得到很好的借鑒。

20140615）