汽輪機(jī)葉片不銹鋼材料切削試驗研究

■ 無錫透平葉片有限公司、國家能源大型渦輪葉片研發(fā)中心 （江蘇 214174） 莊緒華 張家軍 褚春祥

不銹鋼具有較高的抗腐蝕性能，通常含鉻在10%以上，并含有大量的鎳，在較高溫度下仍能保持一定強(qiáng)度，因此，不銹鋼材料在汽輪機(jī)葉片制造中被大范圍使用。

公司內(nèi)部汽輪機(jī)葉片在鍛造后都會進(jìn)行熱處理以調(diào)整材料硬度至客戶規(guī)范要求范圍內(nèi)，目前公司內(nèi)部熱處理是淬火加回火，熱處理后的材料硬度值一般在客戶要求范圍內(nèi)偏上差，后續(xù)葉片的機(jī)加工過程中發(fā)現(xiàn)，硬度值在最大值附近的葉片鍛件加工過程中刀具磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致葉片加工效率較低、成本較高。因此，在客戶硬度值要求范圍內(nèi)探索適合的熱處理硬度值，以降低汽輪機(jī)葉片鍛件機(jī)加工難度尤為重要。

1. 試驗準(zhǔn)備

（1）試驗設(shè)備及刀具。試驗設(shè)備為DMU 80 monoBLOCK五軸立式加工中心（見圖1），行程X、Y、Z、A、B分別為：670m m、630m m、610m m、360°和±90°。

所用刀具為D40R6仿形銑刀，裝4粒刀片，刀片4轉(zhuǎn)位，如圖2所示。

圖1 試驗機(jī)床

（2）試驗材料。選用汽輪機(jī)葉片常用材料X12CrNiMoV12-2方料，尺寸300m m×200m m×110mm，采用兩種不同熱處理方法獲得不同的硬度。熱處理分別為淬火+回火以及淬火+回火+回火，最終，所得材料硬度值分別為319HV、290HV。

加工方式1：壓板壓緊，加工A面，每層總切削長度約2 000mm，如圖3所示。

加工方式2：臺虎鉗夾緊，加工B面，每層總切削長度約1 540mm，如圖4所示。

（3）試驗參數(shù)。為考察兩種熱處理后不同硬度值的材料切削性能，進(jìn)行兩種不同的切削試驗。

采用加工方式1考察在刀具極限壽命下，單個刀片刃口切削兩種不同硬度值的材料時所能切削的長度，切削參數(shù)如表1所示。

采用加工方式2考察在相同切削長度的條件下，切削兩種硬度值不同材料的刀片磨損狀態(tài)，主要是通過測量后刀面的磨損長度來評價刀片的磨損程度，切削參數(shù)如表2所示。

由于受客觀條件的限制，無法每次切削完成后觀察刀片的磨損狀態(tài)，因此，采用多組刀片分別切削相應(yīng)的長度后，最后一起用顯微鏡觀察測量。具體如下：兩組刀片采用參數(shù)1分別切削硬度值為319HV的材料B面，兩層切削長度約（1 540×2）mm，三層切削長度約（1 540×3）mm；兩組刀片采用參數(shù)1分別切削硬度值為290HV的材料B面，兩層切削長度約（1 540×2）mm，三層切削長度約（1 540×3）mm；兩組刀片采用參數(shù)2分別切削硬度值為319HV的材料B面，三層切削長度約（1 540×3）mm、四層切削長度約（1 540×4）mm；兩組刀片采用參數(shù)2分別切削硬度值為290HV的材料B面，三層切削長度約（1 540×3）mm、四層切削長度約（1 540×4）mm。

2. 試驗結(jié)果

（1）加工方式1：刀片極限壽命下的切削長度。

選擇參數(shù)1，通過圖5發(fā)現(xiàn)，切削6 000mm后，切削材料硬度值為319HV的刀片前、后刀面都發(fā)生較為嚴(yán)重的磨損（屬正常磨損），刀片已經(jīng)不能繼續(xù)使用；切削材料硬度值為290HV的刀片前、后刀面的磨損都相對較輕，刀片仍可繼續(xù)加工使用，最終，刀片總切削長度約8 000mm，此時刀片的磨損狀態(tài)同切削材料硬度值為319HV的刀片的前、后刀面的磨損程度大致相同。

圖2 刀柄及刀片

圖3 加工方式1

圖4 加工方式2

表1 切削參數(shù)1

表2 切削參數(shù)2

圖5 切削6 000mm后刀片磨損狀態(tài)

選擇參數(shù)2，進(jìn)行切削試驗。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，切削長度約為4 000mm時，切削兩種不同硬度材料的刀片前刀面磨損基本相當(dāng)，后刀面的磨損程度比切削硬度值為319HV材料的刀片較為嚴(yán)重一些。由圖6能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度為8 000mm時，切削材料硬度值為319HV的刀片磨損程度相比切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度較嚴(yán)重，由于其刀片磨損狀態(tài)較為嚴(yán)重，選擇不繼續(xù)往下加工。通過進(jìn)一步的切削試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度達(dá)到10 000mm時，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損狀態(tài)同切削硬度值為319HV的刀片切削8 000mm長度時的磨損狀態(tài)大致相同。

選擇參數(shù)3，進(jìn)行切削試驗。切削長度為6 000mm時，切削兩種硬度值不同的材料的刀片磨損狀態(tài)相差不大；隨著加工的進(jìn)行，當(dāng)切削長度為10 000mm時，切削材料硬度值為319HV的刀片磨損程度進(jìn)一步加重，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度略微增加，其磨損程度小于前者；當(dāng)切削長度為12 000mm時，由圖7能夠發(fā)現(xiàn)，切削材料硬度值為319HV的刀片前、后刀面磨損已經(jīng)非常嚴(yán)重，已不能繼續(xù)使用，但切削材料硬度值為290HV的刀片磨損程度較之前有所加重，但仍可以繼續(xù)使用。最終，通過進(jìn)一步的切削試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削長度達(dá)到16 000mm時，切削材料硬度值為290HV的刀片磨損狀態(tài)較切削硬度值為319HV的刀片切削12 000mm長度時的磨損狀態(tài)略重，但是肉眼觀察兩者相差不大。

（2）加工方式2：切削相同長度下的刀片磨損狀態(tài)。

如圖8所示，采用參數(shù)1分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面兩層后，在顯微鏡下測量得到，其刀片后刀面的磨損長度分別為0.418mm、0.504mm、0.641mm、0.542mm以及0.2 7 m m、0.3 4 3 m m、0.245mm、0.296mm。兩者中后刀面磨損長度過大或過小的可能是由于刀片安裝時長短有偏差或者刀具周向跳動所導(dǎo)致。切削硬度值為319HV材料的后刀面的平均后刀面磨損長度為0.526mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.288mm長0.238mm，這說明在參數(shù)1下，切削相同的長度時，切削硬度值較低的X12CrNiMoV12-2材料時，刀具的磨損相對較輕、刀具壽命更長。

如圖9所示，采用參數(shù)1分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面三層后，在顯微鏡下測量得到，刀片后刀面的磨損長度分別為0.515mm、0.5mm、0.471mm、0.566mm以及0.447mm、0.449mm、0.434mm、0.372mm。切削硬度值為319HV材料的后刀面平均后刀面磨損長度為0.513mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.425mm長0.088mm，雖然差距較小，但是也能夠這說明在參數(shù)1下，切削相同的長度時，切削硬度值較低的X12CrNiMoV12-2材料時，刀具的磨損相對較輕，刀具壽命更長。

圖6 切削8 000mm后刀片磨損狀態(tài)

圖7 切削12 000mm后刀片磨損狀態(tài)

圖8 切削B面兩層后刀片的磨損狀態(tài)

圖9 切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)

此外，通過計算發(fā)現(xiàn)，切削硬度值為319HV的材料B面三層較切削B面兩層的后刀面磨損長略短，這主要是因為切削過程中，刀具磨損狀態(tài)受諸多方面的影響，比如振動、工件剛性、機(jī)床本身性能以及材料組織均勻性的影響，這些因素都可能會導(dǎo)致每次試驗結(jié)果有偏差。

如圖10所示，采用參數(shù)2切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)。分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面三層后，在顯微鏡下測量得到，刀片后刀面的磨損長度分別為0.343mm、0.367mm、0.469mm、0.274mm，以及0.3 1 m m、0.2 5 4 m m、0.232mm、0.327mm。切削硬度值為319HV材料后刀面的平均后刀面磨損長度為0.363mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.28mm長0.082mm，相對參數(shù)1，采用參數(shù)2進(jìn)行加工時，切削完成兩種硬度值不同的材料三層時，后刀面的磨損長度都較小，這是因為參數(shù)2的線速度較低，切削速度對刀具磨損影響最大。

如圖11所示，切削B面四層后刀片的磨損狀態(tài)。采用參數(shù)2分別切削材料硬度值為319HV以及290HV試樣B面四層后，在顯微鏡下測量得到刀片后刀面的磨損長度分別為0.513mm、0.558mm、0.517mm、0.571mm，以及0.316m m、0.329m m、0.389mm、0.23mm。切削硬度值為319HV材料的后刀面平均磨損長度為0.54mm，比切削硬度值為290HV材料的平均后刀面磨損長度0.316mm長0.224mm，而切削三層時兩者之差為0.083mm，隨著切削的進(jìn)行，切削硬度值為319HV及290HV材料的刀片的平均后刀面磨損長度之差逐漸增大。說明在參數(shù)2下，隨著加工時間增加，切削硬度較高材料的刀片磨損速度更快，要求在實際的加工過程中要合理選擇熱處理方式，獲得硬度值合理的工件毛坯，為后續(xù)機(jī)加工降低難度。

圖10 切削B面三層后刀片的磨損狀態(tài)

圖11 切削B面四層后刀片的磨損狀態(tài)

3. 結(jié)語

本文結(jié)合目前公司內(nèi)部的實際生產(chǎn)情況，對兩種不同硬度值的汽輪機(jī)葉片所用材料X12CrNiMoV12-2開展了切削試驗，主要通過兩種不同的加工方式進(jìn)行。一是考察極限刀具壽命下，兩種不同硬度值的材料的切削長度；二是考察相同切削長度下，切削兩種硬度值不同材料刀片的磨損狀態(tài)。主要結(jié)論如下：

（1）在參數(shù)1條件下，刀片加工兩種硬度值不同的材料，切削材料硬度值為319HV的刀片最終切削長度為6 000mm，切削材料硬度值為290HV的刀片最終切削長度為8 000mm，此時兩刀片的磨損狀態(tài)基本一致；在參數(shù)2條件下，切削材料硬度值為319HV的刀片切削長度為8 000mm，而切削材料硬度值為290HV的刀片切削長度為10 000mm，此時兩刀片的磨損狀態(tài)基本一致；在參數(shù)3條件下，切削材料硬度值為319HV的刀片最終切削長度為12 000mm，而切削材料硬度值為290HV的刀片切削長度為16 000mm，此時刀具的磨損狀態(tài)較加工硬度值為290HV的材料刀片（加工完12 000mm時）的磨損狀態(tài)略重，但是肉眼觀察無太大差距。

（2）在參數(shù)1條件下，切削材料兩層及三層時，切削材料硬度值為3 1 9 H V以及290HV的平均后刀面磨損長度分別為 0.526mm、0.513mm以及0.288mm、0.425mm。在參數(shù)2條件下，切削材料三層及四層時，切削材料硬度值為319HV以及290HV的平均后刀面磨損長度分別為 0.363mm、0.54mm以及0.28mm、0.316mm。

（3）試驗證實，采用相同刀具及參數(shù)加工硬度值不同的兩種材料，材料硬度值較低的，刀具磨損情況較輕，切削長度更長。

（4）試驗結(jié)果為葉片鍛件熱處理及機(jī)加工提供了參考，在客戶硬度值要求范圍內(nèi)，熱處理可以將材料硬度值略微降低，以便后續(xù)機(jī)加工過程的進(jìn)行。

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[1] 熊傳富, 高江雄, 鄧發(fā)利. 數(shù)控葉片刀片在不銹鋼加工中的選用[J].金屬加工（冷加工）,2017(11)：52-54.