9E燃气轮机耐热合金二级复环车加工

2014-04-09南京汽轮电机集团有限责任公司

金属加工(冷加工) 2014年14期

南京汽轮电机（集团）有限责任公司柳政朱丹

9E燃气轮机耐热合金二级复环车加工

南京汽轮电机（集团）有限责任公司柳政朱丹

柳政

9E燃气轮机是南汽引进美国GE公司技术合作生产的125MW燃气轮机发电机组，二级复环是9E燃机的一个重要部件，它安装在9E燃机透平气缸中，主要作用是隔断高温气流和透平气缸，保护并防止气缸过热。二级复环由48块单件组合而成，其总成尺寸大，尺寸精度和位置精度要求都很高，结构比较复杂。同时二级复环的材料是2Cr25Ni20奥氏体耐高温不锈钢，原来都是依靠从国外直接整部件进口，现在已经实现国产化。目前使用的刀具加工二级复环，刀具磨损快、生产周期长、效率低、成本增加。因此，如何有效解决二级复环的加工，既要满足生产的需求，使燃机产品国产化顺利完成，同时达到公司提出的“围绕产品生产、展开降本增效”的目的。

加工中的技术难点

（1）二级复环是由48块单独的复环块组成，每块的联接靠凹凸槽配合（见图1）。车加工时靠定位销固定在专用模具上。最大加工直径达到2850 mm。复环在上、下端面存在着凹槽，凹槽两处端面的平行度要求在0.05 mm以内，尺寸公差与内外径公差都在0.07 mm以内，且与内外径同轴度要求在0.05 mm以内。

（2）二级复环由48块单独的复环块组成，加工时保证装夹可靠。

（3）复环材料属于难加工耐高温奥氏体不锈钢，此类材料在车削加工中一直是一个难题。

（4）目前的刀具对于二级复环的加工，周期长、效率低，不仅增加了相应的成本，更重要的是对产能造成很大的影响。

图1 二级复环产品结构图

专用装夹工装的设计

二级复环组件是由48块形状、大小相同的扇形块组成，各扇形块按一定顺序排列组成一个外圆为2850 mm、内圆为 2570 mm、高度为165 mm整圆环，各扇形块之间保证一定量的热胀间隙，且内外圆有很高的尺寸精度和形位公差要求。

（1）复环块加工时装夹的要求：由于二级复环内、外圆有同轴度要求，且复环上、下端面存在环形槽，槽端面的平行度在0.03 mm以内，要求复环装夹定位后必须一次加工完成，不得二次调整重新定位再装夹。因此加工装夹定位必须以48个安装定位孔为基准，同时，要有足够的空间一次性完成上、下凹槽的加工，如图2所示。

（2）专用工装的设计：根据图样要求和分析，设计出专用工装，达到满足一次性装夹定位，完成加工的要求，如图3所示。

图2

（3）专用工装压板的改进：由于原压板形式为单点单块复环块压紧，工件在切削时，由于切削力比较大，且复环块之间存在一定的间隙，导致在切削过程中存在个别复环块出现位移现象。因此，由原来的单点单块压紧改制成双点双块压牢，及一块压板同时压两块复环块，增加了受力点，大大提高了复环的压紧力，保证加工时平稳切削，如图4、图5所示。图6所示为改进压板后，二级复环现场装夹情况。

图3 二级复环加工专用工装

图4 改进前的压板结构

图5 改进后的压板结构

图6 二级复环装夹图

刀具的选择

在选择刀具之前，首先对9E燃机二级复环材料2Cr25Ni20与45钢在化学成分和力学性能上做一比较（见表1、表2）。

表1 主要化学成分（质量分数，%）

表2 力学性能

根据此上各参数的比较，归纳复环材料有以下特点：材料的塑性高，切削时塑性变形大，切削力大；低导热性，切削温度高，散热不好，得不到充分冷却；分段组成，间断切削，对刀刃造成大冲击力；加工硬化现象严重；容易粘刀，刀具磨损快，寿命低。

1.内、外圆车刀片的选择

根据以上材料特点，在加工中使用了很多厂家的刀片进行试切，多数很不理想，加工效率太低。由于复环加工直径大，切削速度上不来，刀片切削使用没多久就磨损了。经过试验分析发现，由于复环之间存在间隙，加工属于间断切削，多数涂层刀具不适合该复环材料的切削加工。最后筛选出3种能满足加工要求的刀具。

（1）M42高速钢手磨车刀：转速n=0.6 r/min（线速度v=5.4 m/min）；进给量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削长度/刃：100 mm；冷却：雾状冷却；切削状况：内圆车一刀，背吃刀量3 mm，切削长度165 mm，需换刀1次，用时917 min。

（2）施特拉姆涂层刀片：转速n=1.6～2.0 r/min（线速度v=16 m/min）；进给量f=0.2 mm/r ；背吃刀量ap=3～4 mm；切削长度/刃：50 mm；冷却：雾状冷却；切削状况：内圆车一刀，背吃刀量3 mm，切削长度165 mm，需换刀3次，用时458 min。

（3）山高涂层刀片：转速n=4～6 r/min（线速度v=44.7 m/min）；进给量f=0.3 mm/r；背吃刀量ap=3～4 mm；切削长度/刃：100 mm；冷却：雾状冷却；切削状况：内圆车一刀，背吃刀量 3mm，切削长度165 mm，需换刀1次，用时110 min。

由上述3种刀具比较可以看出：第1种M42手磨刀耐磨性还可以，但切削速度较低，效率不高；第2种施特拉姆刀片加工效率比第1种刀提高了近一倍，但刀具耐磨性较差，寿命只有第1种刀的一半；第3种山高刀片加工效率比第1种刀提高了近8倍多，刀具寿命和第1种刀具相当。

经过以上比较，再进行价格和效率的比较，我们最终选择了山高的粉末冶金涂层刀片进行内外圆的加工。

2.直槽割刀和上下勾槽刀的设计

在加工9E二级复环的各道直槽和勾槽时，在上述厂家没有找到比较合适的刀具，一开始采用的仍然是进口刀片式割刀，刀片材料为硬质合金。这种刀片在耐磨性和切削速度上比较优越，但抗冲击性能比较差，且切削阻力很大，加工时经常造成工件的振动甚至是位移。

经过反复研究，我们找到了国内的刀具厂商，根据我们提出的要求，改用整体式M42高速钢直槽割刀和上下勾槽刀（见图7），经过试验，整个加工时的切削性能，特别是抗冲击性大大提高，工件的加工质量和加工进度有了很好的提高。

图7 整体式M42高速钢勾槽割刀和直槽割刀

图8 粉末冶金高速钢刀片式槽割刀

（1）刀具结构的改进：在后续加工中发现，整体式M42割刀太费材料，一旦刀尖受损，一把勾槽刀就会报废，而直槽割刀要花很多时间进行修复。为此我们改变了刀具的结构，利用报废的整体式M42割刀，自行设计制造了刀片材料为M42高速钢的刀片式直槽割刀和勾槽割刀，从而节约大量刀具费用。

（2）刀片夹紧方式的改进：由于在割内、外圆直槽时，切削量大，而且属于间断切削，造成切削时产生较大的阻力，为防止直槽割刀这种夹紧方式在切削时刀片产生位移，因此，又在此基础上改变了刀片的夹紧机构（见图8），从而使加工更加安全可靠。

（3）刀片材料的改进：由于采用M42高速钢加工直槽时，加工完后，发现磨损比较严重，且效率比较低。在此情况下，我们没有找更多的刀具厂商进行试切，而是突破常规，自行解决。在利用车二级复环内、外圆的效果较好的山高粉末冶金涂层刀片的提示下，我们经过咨询，在没有涂层的情况下选择此粉末冶金高速钢。为了节约材料，降低成本，同样，在整体的粉末冶金高速钢材料上，切割成片状，做成粉末冶金高速钢刀片，与M42的结构相同。