某型燃機薄壁套筒制造工藝研究

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司 (黑龍江 150046) 姚青文 莊乾才

燃氣輪機產品生產中，經常存在一些剛性差、精度高的薄壁零件，且多為關鍵零件。一般認為，對于殼體件、套筒件、環形件以及盤形件，若零件壁厚小于5 mm，則都算作薄壁零件。薄壁套類零件壁厚很薄，徑向剛度很弱，在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易變形，導致各項技術要求難以保證。針對這些問題，本文介紹了某大型薄壁套筒類零件加工工藝方法和切削用量。

1.零件結構特性

某大型薄壁套筒尺寸大、精度高，是非常難加工的工件，其形狀公差如圖1所示。工件毛坯為高強度耐熱鋼鍛件，長度600 mm，內孔φ158 mm，外圓處有φ161 mm、φ163 mm和φ173 mm等多個尺寸，最薄處零件壁厚1.5 mm，尺寸和形位公差要求都很嚴格。由于薄壁套筒剛性差，采取特殊方法控制加工過程中的變形，是此類零件加工的核心問題。

圖1 薄壁套筒

2.工藝問題和應對措施

該薄壁套筒的主要加工方式為車削。車削過程中，在切削力、切削熱、夾緊力和裝夾方式等因素綜合作用下，易產生下列現象:

(1)由于套筒剛性差，在切削力 (尤其是徑向切削力)的作用下，易產生振動、變形以及加工時的讓刀現象，影響工件的尺寸精度、形位精度和表面粗糙度。

(2)零件結構復雜，臺階較多，導致毛坯料一般加工余量較大，加工過程中的熱變形增大零件的形位公差，加工后的殘余應力去除不徹底導致零件變形。

針對上述問題，主要采取以下措施來控制加工變形:

(1)增加半精加工后去應力熱處理，消除前序機械加工應力對精加工的影響。

(2)精加工時套筒內孔灌入低熔點合金 (熔點70℃)，增加剛性，減小精加工振動和變形。

(3)合理選擇刀具，優化精加工工藝參數，控制精加工變形，保證加工精度。

3.工藝過程和實施

為保證工件的加工精度，從工藝流程、裝夾方式、加工刀具及切削用量等方面進行反復研究和試驗，制定了一整套完善的工藝規程，使薄壁套筒的加工問題得到圓滿解決。

(1)工藝流程:受零件結構影響，下料尺寸較大，零件壁厚1.5 mm，如直接進行精加工則加工余量過大，產生的切削應力將造成零件較大的變形。為消除機械加工造成的應力，粗加工時，內孔單面留2 mm余量，外圓加工至φ185 mm，進行回火工序去除機加應力，控制零件變形。由于零件壁厚太小，故需留工藝余量，保證一定的加工壁厚，減少刀具徑向切削力造成的變形和振動。回火后先加工內孔并配工藝悶頭，澆注低熔點合金，精車外圓，熔出低熔點合金。

(2)回火后內孔精加工:回火后內孔在車床加工，用中心架支撐和輔助工裝裝夾零件，車鏜刀桿采用減振刀桿，模塊車刀。具體操作過程如下。①用三爪自定心卡盤裝夾零件右端10 mm，夾緊力不宜過大，另一端用傘頂尖頂緊，兩端各車一處中心架支撐圓，且兩處跳動在0.02 mm以內，架中心架，車準左端內孔各尺寸，按實測尺寸配車工藝悶頭(見圖2)，保證左端內孔與零件內孔0～0.02 mm過盈，并修準悶頭的頂針孔。②翻身裝夾左端悶頭處，按外圓支撐處外圓找正在0.02 mm以內，車準右端內孔處各尺寸，車準總長，按右端內孔尺寸配準悶頭，鑲入悶頭，保證0～0.02 mm過盈，修正悶頭頂針孔。

圖2 工藝悶頭

(3)外圓精加工:①按總長均分5段，實測薄壁套筒薄外圓直徑尺寸，記錄。②通過工藝悶頭的工藝孔灌入低溫合金，要求合金灌注至距離上端悶頭20 mm左右即可。灌注過程中要求對套筒 (見圖3)管壁進行持續冷卻，防止套筒受熱后膨脹過大。③按前序測量位置重新測量薄壁套筒外圓直徑尺寸，記錄，并對比外徑尺寸膨脹量。④雙頂零件悶頭，車準薄壁套筒處外圓尺寸，對灌注合金引起的膨脹量進行補償。

圖3 套筒外形圖

通過低熔點合金將內孔填充飽滿 (見圖4)，等同增加套筒的壁厚，使其剛度大大提高，同時也解決了薄壁受力出現的讓刀現象及振動現象，在完成外圓精加工后再熔化低熔點合金，以達到薄壁件的加工。

4.結語

圖4 灌注合金視圖

通過某型機組薄壁套筒的加工試驗，得出以下結論:

(1)套筒類零件加工必須進行半精加工后去應力處理。

(2)薄壁套筒類零件加工可采用灌注低熔點合金的方式進行加工，可解決加工過程中讓刀、加工零件壁厚不均、因振動致使零件表面粗糙度質量下降、裝夾受力不均以及零件局部變形等一系列問題，大大降低薄壁套筒加工的難度。

(3)合理選擇加工刀具和切削參數，減小加工讓刀和變形。

(4)超薄壁厚套筒的試驗加工成功滿足了公司的生產需要，拓寬了加工范圍，提高了公司高精度大型薄壁套筒件的加工技術和能力。