150MW汽輪機高中壓外缸內腔加工技術

■中國長江動力集團有限公司 （湖北武漢 430074）

朱衛峰 張 軍 楊曉東 聶士海 曾凡浩

1. 高中壓外缸內腔加工難點

（1）高壓外缸結構特點：圖1所示為汽缸上、下半簡圖，其材料為Z G15C r2M o1（鉻鉬合金鑄鋼），切削性能差。上半凈重25 000k g，外形尺寸：長5 817m m、寬3 370m m、高2 053mm，中分面壁厚405mm；下半凈重25 000kg，外形尺寸：長5 437m m、寬3 370m m、高1 760mm，中分面壁厚405mm。

兩端汽封加工最小內圓為φ 805mm，內缸定位槽加工最大直徑1 970mm，該零件體積、質量大，其內腔結構為兩頭小、中間大。

（2）加工難點：根據150MW汽輪機高中壓外缸結構特點，若采用車削方式加工，工藝剛度得不到保證，加工質量難以達到要求。因此采用數控龍門鏜銑床圓弧插補銑削加工汽缸上、下半內腔各圓槽的工藝手段，取代傳統組合汽缸車削各圓槽的加工方法。其難點在于上、下單半汽

150M W汽輪機高中壓外缸是汽輪機關鍵靜子部件，而高壓外缸中分面、隔板套槽和內缸定位槽的加工質量好壞，直接影響汽輪機組總裝和運行。在首臺150M W汽輪機高中壓外缸上、下半（簡稱汽缸上、下半）內腔各槽加工中，消除影響加工精度的諸多因素，提出合理的加工方法，加工后經測量，上、下半各槽相同尺寸誤差均＜0.02m m。但合缸后（自由狀態下）隔板套槽、內缸定位槽及兩端汽封等軸向存在錯位現象。針對這一現象缸分開加工，必須保證兩半汽缸內腔各圓槽軸、徑向相同尺寸一致性，汽缸上、下半組合后，軸向錯位≤0.05m m，中分面間隙≤0.05mm（自由狀態下）。在實際加工過程中，不僅要考慮加工誤差，還要考慮大型零部件受重力影響的變形誤差，以及零件加工狀態與零件工作狀態發生改變所引起的變形誤差。

圖1 高壓外缸結構及加工要求

2. 提高加工精度措施

在機械加工中，機床、工件、裝夾和刀具構成完整的工藝系統。而工藝系統的精度，必將在不同的工藝條件下，以不同程度和方式反映為零件的加工精度。該零件工藝系統誤差主要表現為：機床、裝夾及刀具的制造、磨損及調整誤差；工藝系統受重力引起的誤差，工藝系統受熱變形引起的誤差。在實際分半缸加工中，要考慮機床設備精度、裝夾定位、工藝路線、熱變形、刀具以及零件靜定結構受重力變形等對汽缸加工精度的影響，并將其加工誤差控制到最小。

（1）機床設備精度：機床設備是工藝系統幾何誤差控制的關鍵環節。機床設備精度越高，零件加工精度就越高。精度高的機床設備是保證零件加工精度的前提條件。

圖2 汽缸內腔槽與機床軸的幾何關系

機床設備精度主要包括機床幾何精度和機床定位精度。特別是機床設備的幾何精度誤差，對汽缸中分面平面度和汽缸內腔各槽與汽缸軸心垂直度有較大的影響。150M W汽輪機高中壓外缸中分面平面度與X、Y、Z進給軸直線度誤差相關，其進給軸直線度誤差越小，汽缸中分面平面度誤差就越小。汽缸內腔各槽與汽缸軸心垂直度與X、Y、Z進給軸間垂直度相關（見圖2），其進給軸間垂直度誤差越小，汽缸內腔各槽與汽缸軸心垂直度誤差就越小。且機床X、Y、Z進給軸間垂直度誤差在汽缸上、下半合缸時，誤差值放大1倍。因此150M W汽輪機高中壓外缸上下半中分面及內腔各槽必須選用精度較高的機床加工。根據機床精度技術參數，選用德國PowerTec 6500 AG數控龍門鏜銑床加工，其機床精度滿足產品加工精度要求。

（2）負荷分配、裝夾定位：汽輪機高壓外缸在電廠安裝中，必須進行負荷分配，以減少汽缸不規則變形和振動，確保機組安全、長周期運轉。在汽缸加工過程也必須對汽缸進行負荷分配，不僅為電廠安裝作好前期準備，同時減少切削加工過程中產生的不規則變形。汽輪機運行中，高中壓外缸靠四個貓爪支撐定位，因此在加工過程中也選擇貓爪作為支撐，其他點作輔助支撐（精加工去掉輔助支撐）。按負荷分配標準，利用負荷分配專用測力器，調整四點受力均勻。負荷分配符合要求后，用百分表監測，將測力器更換成等高鐵，以貓爪裝夾定位，保證壓緊前后百分表數值不變。

（3）工藝路線、熱變形：澆鑄成型的汽缸上、下半，在切削過程中產生的熱應力，對零件加工精度影響較大。具有熱應力的零件處于一種不穩定狀態，其內部組織有強烈傾向要回復到一個穩定、沒有應力的狀態。即使在常溫下，零件也不斷地進行這種變化，直到內應力消失為止。在這種過程中，零件的狀態逐漸變化，原有的加工精度逐漸喪失。在安排高中壓外缸上、下半加工工藝路線時，必須考慮到內應力的消除、熱變形的控制。因此，首先完成加工余量多的加工工序如中分面連接孔、進汽孔，中分面粗銑，其次完成中分面和內腔圓槽半精加工。通過對工序的編排，合格完成各部加工的同時，有效消除汽缸內應力。切削加工時，刀具冷卻必須充分，以減少熱變形，從而使汽缸達到相對穩定的狀態。

（4）內腔精加工：圖3 所示為高壓外缸內腔結構簡圖。汽缸內腔精加工各槽，必須保證單半缸軸、徑向尺寸在圖樣公差范圍內，且保證上、下兩半缸軸、徑向尺寸一致（誤差不超過±0.01m m）。加工過程中合理選擇加工基準，確定最佳走刀路線，使上、下半缸加工存在的對刀誤差、機床定位誤差以及溫差引起的機床誤差降到最小。首臺150MW高中壓外缸加工中，考慮到沒有實際加工經驗，試加工圖樣尺寸在原圖樣尺寸上留有1mm余量。

具體工藝措施如下：①上、下半加工基準。圖樣設計基準位于兩進氣孔中心處，而內腔各槽的加工基準必須利于對刀、編程和測量。因此，以內缸定位環出氣邊作為加工基準最佳。通過對圖樣的分析，利用工藝尺寸鏈換算全部加工槽至定位環出氣邊的尺寸。加工中以定位環基面對刀確定軸向零點（X軸編程零點），以定位環徑向圓弧面對刀確定徑向零點（Y軸編程零點），以中分面對刀確定分半面零點（Z軸編程零點）。②刀具選擇與使用。考慮到機床直角附件銑頭結構、性能、加工效率及經濟性，最終選用Ingersoll固定切寬修光式可轉位三面刃銑刀φ 500mm×B28mm和φ 400mm×B24mm。該刀具正前角大，切削力小。根據工藝系統剛度實際情況，半精加工（粗銑刀片切削）調整得出線速度Vc=120m/min、切深Ae=30mm、每齒進刀量fz=0.2m m。切削長度4 0 m 內刀具無磨損。精加工（修光刃刀片切削）線速度Vc= 130m/min、切深Ap=0.05mm、每齒進刀量fz=2m m。切削長度20m內無磨損。③上、下半缸加工程序同步。考慮到機床精度受環境溫度變化而變化，要求在PowerTec 6500 AG數控龍門鏜銑床上同步加工汽缸上、下半各軸向、徑向尺寸，以確保機床精度誤差的一致性。考慮到刀具微量磨損、機床定位誤差對加工尺寸的影響，精加工各槽時，更換新刀片、重新對刀以及采用變量參數編程，一次編程加工完成所有軸向尺寸（15mm定位槽和10mm汽封槽除外）。同樣方法加工另一半各槽。此方法有效避免了兩半缸加工中刀具磨損和定位誤差的不一致。根據切削參數的計算，精加工各軸向尺寸加工時間約2h，此時間范圍內環境溫差控制在±2℃，機床精度受溫度變化可以忽略不計。

精加工程序如下：

R1= ;汽缸出氣邊軸向尺寸

R2= ;汽缸隔板槽半徑

R3= ;刀具半徑

R4= ;刀具厚度

R5=R2-R3;編程半徑

圖3 汽缸內腔部位說明

R6= ;槽寬

G90 G19 G54

S100 M3

G0W0

Z300

Y0

G0X=R1

Y=R5

Z150

G1Z0 F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5F300

G0Z150

Y0

X=R1-R6+R4

Y=R5

G1Z0F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5

G0Z150

Y0

M30

3. 合缸前后檢驗情況

（1）合缸前測量情況。加工完后隨機床用三坐標測量儀測量，如圖4所示，汽缸上、下半各軸A系、B系及其徑向相同尺寸誤差均在0.02mm內，中分面平面度在0.02mm內，符合加工工藝要求。

（2）合缸后測量情況。高中壓外缸上、下半合缸，以高中壓外缸的內缸定位環出氣邊為上、下半合缸軸向基準，兩端汽封內圓為徑向基準。高中壓外缸上半相對于下半軸向錯位為：高壓汽封端向高壓端伸長0.14mm，隔板套各槽向低壓端伸長0.06～0.10m m，中壓汽封向低壓端伸長0.19m m。各徑向錯位均在0.05mm允許范圍內。合缸后中分面間隙均在0.05mm。

4. 合缸后錯位原因分析及解決方案

（1）變形情況判斷。根據合缸后測量的錯位數據判斷，可能發生以下3種情況：①高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長。②高中壓外缸下半以定位基準為起點，兩端向中間縮短。③高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長，同時高中壓外缸下半兩端向中間縮短。

為驗證3種情況的可能性，在合缸的狀態下，利用三坐標測量儀分別測量上、下半A系、B系尺寸。其下半各軸向尺寸與加工檢測數據相同，上半各軸向尺寸變大（見表1）。

三坐標測量儀測量結果證明，合缸后發生了第1種變形情況，即高中壓外缸上半以定位基準為起點，向兩端伸長。

（2）原因分析。工藝系統受力變形是機械加工精度中一項不可忽視的原始誤差，特別是大型零件，受自身重力引起的變形，在加工與裝配中是不可忽視的。一般大型零部件加工狀態越接近工作狀態越好，這樣有利于保證機構的整體精度。而150M W以上汽輪機組的缸體加工，一般均采用上述銑削加工方式。因此加工高中壓外缸上半時的加工狀態與合缸狀態（即工作狀態）不一致所產生的合缸錯位現象隨之而來。①因自身形狀結構和質量原因，高壓外缸上半在空間任何狀態都存在自重引起的沿軸向的撓曲變形（彈性變形）、缸壁壓縮變形。加工高中壓外缸上半時中分面朝上，汽缸受重力作用撓曲（彈性范圍內），在重力作用下汽缸壁沿中分面壓縮，汽缸背部膨脹（見圖5）。在實際加工中，汽缸只能在此狀態下完成內腔各槽加工（簡稱“加工狀態”）。②由于高中壓外缸上半合缸時，中分面空間幾何位置發生改變，即中分面朝下。受自重影響，汽缸受重力變形也隨之發生改變。彎曲變形（彈性范圍內），撓曲狀態（簡稱“合缸狀態”）發生改變（見圖6）。在彎曲應力作用下，汽缸體沿中分面伸長，沿汽缸背部縮短，與加工狀態撓曲方向相反，形成疊加。故已加工成形的各隔板套槽、內缸定位槽和兩端汽封槽沿中分面向兩端伸長。所以汽缸錯位主要是汽缸上半加工狀態與合缸狀態不一致造成的。

（3）錯位解決方案。在實際制造中，因汽缸的幾何形狀結構復雜、受重力幾何狀態變形疊加、加工誤差及環境溫度等不確定因素，僅通過理論分析如有限元分析、材料力學解析等方法，難以精確計算出汽缸上半狀態改變引起的各部尺寸錯位量。因此，在首臺150MW高中壓外缸加工中，通過試驗驗證分析法，將汽缸上半各內腔尺寸預留余量，合缸后對軸向錯位進行測量，再進行分析。得出經驗值，應用到此型號汽缸加工中。

圖5 中分面朝上撓曲變形及應力分布

圖4 汽缸內腔各槽軸向尺寸

圖6 中分面朝下撓曲變形及應力分布

表 1 （單位：mm）

具體方法為：利用三坐標測量儀測量軸向、徑向尺寸。以軸向尺寸為例，將錯位量按表1格式作記錄，并將測量數據記錄轉換成表2。

從表2中可以看出，汽缸上半A系、B系加工尺寸短于下半加工尺寸。按表2數據加工汽缸上、下半，合缸經檢測，軸向、徑向錯位符合技術要求。

表 2 （單位：mm）

在首臺150MW汽輪機高中壓外缸加工中，采用此工藝方法，經3次重復試驗，測得數據近似。經總結表2經驗值，在后續同型號汽輪機組加工中，汽缸下半按圖樣尺寸要求加工A系、B系各尺寸。汽缸上半按表2計算得出編程加工尺寸。按此方法加工汽缸上、下半，經合缸檢測，汽缸內腔各槽加工均符合要求。

5. 結語

150M W高中壓外缸內腔加工中，從工藝系統及加工方法上減小零件加工誤差。針對汽缸上半加工狀態幾何尺寸與合缸狀態幾何尺寸不一致的現象（即汽缸上半幾何尺寸變大），在實際加工過程中，通過試驗驗證的方法，總結出此型號汽缸上半空間狀態的改變產生的形變數據。從數據中得出經驗值，用于修正汽缸上、下半分開加工時的內腔尺寸。此方法有效消除了此型號汽缸錯位的問題，并為類似型號汽缸的加工奠定了基礎。

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