燃氣輪機輪盤空氣冷卻孔加工刀具及工藝優化

王勇，錢磊，劉毅，施建勇

上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠 上海 200240

1 序言

燃氣輪機（見圖1）被譽為“皇冠上的明珠”，制造難度極高。作為高端清潔能源裝備，具有效率高、可靠性強、操作靈活以及排放低等諸多優點。在國家“雙碳”戰略的布局之下，燃氣輪機（以下簡稱燃機）行業迎來了新一輪的井噴。

其中燃機輪盤冷卻孔的作用是冷卻燃機輪盤，當燃機工作時，高溫的燃氣會通過輪盤上的冷卻孔進入輪盤內部，并沿著徑向通道吹向葉片頂部，對輪盤進行冷卻，輪盤冷卻孔也可以使葉片底部保持一定的溫度，以避免低溫下產生的冰凝結和金屬表面疲勞，從而提高燃機的性能和可靠性。燃機轉子輪盤空氣冷卻孔加工過程中一直存在加工效率低下的問題，加工周期長，使得生產計劃被嚴重打亂，影響交貨。根據生產計劃要求，單個輪盤的周期為2天，目前實際單個輪盤加工周期為9天。怎樣提高輪盤的加工效率、縮短加工周期和保證按期交貨是當務之急。

針對問題，我們從刀具選擇、優化工藝流程、減少工藝道序、減少刀具種類、進給程序控制以及內冷壓力調整等諸多方面進行研究，來解決加工中產生的問題，最終通過實踐來驗證效率和質量的雙提升。

2 輪盤冷卻孔結構分析

燃機轉子輪盤根據作用可劃分為壓氣機輪盤和透平輪盤。燃機輪盤材料牌號分別為X12CrMoWVNbN1011、26NICRMoV14+5MOD，均為難加工的高溫合金鋼，抗拉強度達到了700～800MPa（見表1），具有高的抗拉強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度，屬于難加工材料，加工困難，尤其是細長深孔的加工[1]。結構上冷卻孔位于輪槽底部，數量多（見表2），內孔表面粗糙度要求高，要求表面粗糙度值Ra為2.5μm，結構形式復雜（見圖2），屬于空間斜孔，同時長徑比大。

表2 AE94.3A重型燃氣輪機冷卻孔規格

圖2 輪盤冷卻孔結構

3 輪盤冷卻孔加工工藝分析

3.1 高速鋼刀具加工的問題

高速鋼刀具加工中存在的問題分析如圖3所示。原先的高速鋼加工方案中切削參數低，且需要頻繁換刀。高速鋼材料在切削高溫合金鋼輪盤時，切削力大，切削功率也隨之增大，加工進給量受到限制，刀具進給速度低[2]。同時加工時需要避讓輪槽，鉆削時輪盤材料變形大、材料黏，形成積屑瘤，加工性能變差且不易斷屑、排屑不暢，刀具磨損嚴重，鉆穿時都為60%左右的斜出率，切出角大，因而造成鉆穿時鉆頭切削外刃崩刃、刀具損壞嚴重。由于冷卻孔的長徑比都較大，所以要加工出符合設計要求的孔，刀具也必須有大的長徑比，因此冷卻孔的加工成為輪盤加工的一個瓶頸問題。

圖3 加工問題分析

3.2 高速鋼刀具加工步驟

由于高速鋼鉆頭本身的切削性能限制，加上鉆削深孔時冷卻、排屑困難，需要采用不同長度的鉆頭分3次鉆削，為了保證孔表面的表面粗糙度要求，還需進行擴孔和鉸孔?？偟墓に嚬ば驗椋恒娖矫妗c孔→淺鉆→中鉆→終鉆→擴孔→鉸孔，共7道工序，原高速鋼加工所用刀具方案如圖4所示。

圖4 原高速鋼加工所用刀具方案

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4 優化刀具及工藝方案

深孔鉆削是一種較為特殊的切削加工方法，在機械制造中占有很重要的地位。由于深孔鉆削時長徑比大，切削熱不易散出，切屑很難排出，且鉆削系統的剛性不足[3]，因此，制約深孔加工的因素主要有幾大方面：鉆頭的合理選擇（材質）、鉆削工藝的合理性（步驟）、切削參數的合理應用及鉆頭鉆穿時的支撐性等。加工深孔時，鉆頭需要采用內冷方式，且壓力足夠，保證冷卻及排屑。

本次改進開發使用新型刀具替代原有刀具，增大刀具進給量，提高刀具切削效率。通過對刀具的全面改進，選用硬質合金作為刀具材料，提高切削效率，優化工藝流程，減少工序，減少刀具種類；通過工藝試驗提高切削參數，壓縮鉆孔工藝道序，取消擴孔道序，同時減少刀具種類；加快刀具選用速度，減少加工準備時間，建立刀具信息管理系統，把每把刀具的信息（包括直徑、長度、建議切削參數、磨損周期和生命周期等）都納入了系統管理之中，工藝人員和操作人員可以結合實際，并根據刀具管理系統快速、方便地找到與之相對應的最合理的刀具。

4.1 透平第1～第4級輪盤空氣冷卻孔的加工優化

高速鋼銑刀銑孔口平面升級為整體硬質合金銑刀，高速鋼的鉆頭、擴孔鉆升級為一把整體硬質合金引導鉆，直接鉆準深孔鉆削鉆頭的引導孔，最后，深孔鉆削的三段式鉆、擴、鉸工藝步驟和刀具升級為一把整體硬質合金雙管螺旋噴吸鉆（見圖5）一次鉆準。通過多次切削試驗，根據刀具推薦參數進行計算，結合實際加工情況優化調整，對不同的切削速度、進給速度和背吃刀量的試驗數據進行比較，找出最合適的加工參數（見表3）。根據試切的數據分析結果，修磨調整鉆頭幾何參數，調整切削用量，鉆頭壽命和鉆削效率達到最佳，最終成功實現了深孔一次鉆削完工，將加工工序由原先的7個壓縮為3個：銑平面→點孔→整體硬質合金雙管螺旋噴吸鉆一次鉆準。

表3 透平第1級輪盤優化調整后實際加工參數（2～4級相同）

圖5 整體硬質合金鉆頭

4.2 壓氣機第11級和13級輪盤空氣冷卻孔的加工優化

由于整硬棒料原材料及技術等問題，目前在刀具行業內一般不生產制造超過直徑20mm和6倍徑以上的整體硬質合金長倍徑鉆頭。通過非標定制，價格高昂，加工效果差；嘗試使用焊接式硬質合金頭槍鉆，效率無法提高；加工孔表面質量差，需要再次鉸削加工；焊接式硬質合金頭槍鉆刀頭磨損快，可換性差，刀頭磨損后需要整體換刀，成本高。在沒有整體硬質合金和其他成熟鉆削刀具方案的情況下，壓氣機第11級和13級輪盤D20mm、D30mm且25倍徑的空氣冷卻孔加工是一個難以解決的問題。為此，與某國內刀具廠商共同研究各類深孔鉆頭的結構特點（包括鉆頭的切削角度、斷屑臺尺寸和幾何參數），聯合開發了兩種不同刀片結構形式的機夾式槍鉆（見圖6），通過多次的切削試驗，不斷對刀片布局形式、引導塊位置和數量進行調整，優化了冷卻液孔的布置及鉆體排屑槽的設計，并對切削參數進行調整（見表4），最終成功實現了一鉆到底、一次鉆準的效果。

表4 壓氣機第11級和13級輪盤優化調整后實際加工參數

圖6 機夾式槍鉆

4.3 整體硬質合金鉆和槍鉆加工的應用方法

長倍徑硬質合金鉆和槍鉆在高速旋轉狀態鉆尖存在一定的離心力，槍鉆鉆頭形式更屬于非平衡鉆頭，鉆尖的不平衡不穩定意味著切削力不平衡。為了減少鉆頭周邊的徑向切削力，需要導套或引導孔分擔。冷卻孔的鉆削結構位置和加工設備都不能通過導套方法加工，只能通過引導孔來進行定位和平衡切削力。引導孔的加工，必須保證引導孔徑達到H7的精度要求，做好引導以保證整個深孔的直線度，保證孔軸線偏移量在正常范圍內；深孔鉆進入引導孔時為了避免振動，需低速且不開切削液，進入引導孔后，高轉速開啟切削液進給，在鉆穿鉆削到最終位置后關切削液，同時主軸停止槍鉆高速進給，退回加工表面。如壓氣機第11級輪盤D20mm冷卻孔的加工過程中，第一步使用D20mm皇冠鉆鉆深1～2倍鉆頭直徑深度L=35m做出槍鉆引導孔后，第二步使用D20.0×610-20×50機夾式槍鉆一次鉆出直徑20mm、長500mm的輪盤空氣冷卻孔。為保證整個鉆削的可靠性，在鉆削9～10孔后必須強制觀察刀片磨損情況，在切削刃有正常磨損、無崩刃的情況下可正常加工，如磨損嚴重則需換刀片。

（1）鉆削內冷壓力對排屑潤滑的要求 在一般切削過程中，80%左右的切削熱量被切屑帶走。但深孔鉆削必須在一次連續切削中完成加工，切削路徑長且不可停頓，在封閉的環境下切削區的切削溫度很容易急劇升高，鉆削時必須采取強制的冷卻方式，切削液的壓力和流量必須足夠大，才能起到將切削液輸送到切削區并將切屑排出的作用。通過強力的切削液起到冷卻、潤滑、排屑及避免切屑對已加工表面劃傷等作用，在一定程度上直接影響深孔加工質量。切削液的流量通常用流速來進行計算，確定切削液的流速后可計算出流量。

式中，v液是切削液流速（m/s）；S1是內孔面積（mm2）；Q是流量（L/min）。

通過硬質合金鉆和槍鉆內冷孔徑計算理論流量，在試驗件上試切驗證各鉆頭內冷切削液壓力2.94～6.86MPa，很好地滿足了切削液送到鉆尖處，起到冷卻作用，并幫助實現斷屑和強制排屑，如圖7所示。

圖7 內冷卻和排出切屑

（2）數控程序控制 大部分的“梗刀”問題都是在孔出口處剛鉆穿時產生的，改進加工工藝方法，通過鉆穿前降速的方式來加工，使用子程序降速的自動循環模塊，操作人員只需確定鉆孔的起始或終點位置即可實現自動加工，程序段如下。

5 結束語

燃機輪盤空氣冷卻孔加工在整硬鉆頭、槍鉆應用的持續改進優化下，不斷提高生產效率，加工質量穩定可靠，輪盤空氣冷卻孔平均加工時間由126h減少至44h（見表5）。

表5 輪盤冷卻孔改進前后工時對比

本項目通過整體合金鉆頭和新型槍鉆的應用，高效完成了燃機輪盤空氣冷卻深孔的加工。通過工藝創新，積累了相當寶貴的槍鉆制造和使用經驗。這些成果不僅在AE94.3A重型325MW燃機輪盤上得到了持續應用，目前也已經推廣至其他深孔鉆削加工中。