燃气轮机轮盘空气冷却孔加工刀具及工艺优化

王勇，钱磊，刘毅，施建勇

上海电气电站设备有限公司汽轮机厂 上海 200240

1 序言

燃气轮机（见图1）被誉为“皇冠上的明珠”，制造难度极高。作为高端清洁能源装备，具有效率高、可靠性强、操作灵活以及排放低等诸多优点。在国家“双碳”战略的布局之下，燃气轮机（以下简称燃机）行业迎来了新一轮的井喷。

其中燃机轮盘冷却孔的作用是冷却燃机轮盘，当燃机工作时，高温的燃气会通过轮盘上的冷却孔进入轮盘内部，并沿着径向通道吹向叶片顶部，对轮盘进行冷却，轮盘冷却孔也可以使叶片底部保持一定的温度，以避免低温下产生的冰凝结和金属表面疲劳，从而提高燃机的性能和可靠性。燃机转子轮盘空气冷却孔加工过程中一直存在加工效率低下的问题，加工周期长，使得生产计划被严重打乱，影响交货。根据生产计划要求，单个轮盘的周期为2天，目前实际单个轮盘加工周期为9天。怎样提高轮盘的加工效率、缩短加工周期和保证按期交货是当务之急。

针对问题，我们从刀具选择、优化工艺流程、减少工艺道序、减少刀具种类、进给程序控制以及内冷压力调整等诸多方面进行研究，来解决加工中产生的问题，最终通过实践来验证效率和质量的双提升。

2 轮盘冷却孔结构分析

燃机转子轮盘根据作用可划分为压气机轮盘和透平轮盘。燃机轮盘材料牌号分别为X12CrMoWVNbN1011、26NICRMoV14+5MOD，均为难加工的高温合金钢，抗拉强度达到了700～800MPa（见表1），具有高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度，属于难加工材料，加工困难，尤其是细长深孔的加工[1]。结构上冷却孔位于轮槽底部，数量多（见表2），内孔表面粗糙度要求高，要求表面粗糙度值Ra为2.5μm，结构形式复杂（见图2），属于空间斜孔，同时长径比大。

表2 AE94.3A重型燃气轮机冷却孔规格

图2 轮盘冷却孔结构

3 轮盘冷却孔加工工艺分析

3.1 高速钢刀具加工的问题

高速钢刀具加工中存在的问题分析如图3所示。原先的高速钢加工方案中切削参数低，且需要频繁换刀。高速钢材料在切削高温合金钢轮盘时，切削力大，切削功率也随之增大，加工进给量受到限制，刀具进给速度低[2]。同时加工时需要避让轮槽，钻削时轮盘材料变形大、材料黏，形成积屑瘤，加工性能变差且不易断屑、排屑不畅，刀具磨损严重，钻穿时都为60%左右的斜出率，切出角大，因而造成钻穿时钻头切削外刃崩刃、刀具损坏严重。由于冷却孔的长径比都较大，所以要加工出符合设计要求的孔，刀具也必须有大的长径比，因此冷却孔的加工成为轮盘加工的一个瓶颈问题。

图3 加工问题分析

3.2 高速钢刀具加工步骤

由于高速钢钻头本身的切削性能限制，加上钻削深孔时冷却、排屑困难，需要采用不同长度的钻头分3次钻削，为了保证孔表面的表面粗糙度要求，还需进行扩孔和铰孔。总的工艺工序为：铣平面→点孔→浅钻→中钻→终钻→扩孔→铰孔，共7道工序，原高速钢加工所用刀具方案如图4所示。

图4 原高速钢加工所用刀具方案

。

4 优化刀具及工艺方案

深孔钻削是一种较为特殊的切削加工方法，在机械制造中占有很重要的地位。由于深孔钻削时长径比大，切削热不易散出，切屑很难排出，且钻削系统的刚性不足[3]，因此，制约深孔加工的因素主要有几大方面：钻头的合理选择（材质）、钻削工艺的合理性（步骤）、切削参数的合理应用及钻头钻穿时的支撑性等。加工深孔时，钻头需要采用内冷方式，且压力足够，保证冷却及排屑。

本次改进开发使用新型刀具替代原有刀具，增大刀具进给量，提高刀具切削效率。通过对刀具的全面改进，选用硬质合金作为刀具材料，提高切削效率，优化工艺流程，减少工序，减少刀具种类；通过工艺试验提高切削参数，压缩钻孔工艺道序，取消扩孔道序，同时减少刀具种类；加快刀具选用速度，减少加工准备时间，建立刀具信息管理系统，把每把刀具的信息（包括直径、长度、建议切削参数、磨损周期和生命周期等）都纳入了系统管理之中，工艺人员和操作人员可以结合实际，并根据刀具管理系统快速、方便地找到与之相对应的最合理的刀具。

4.1 透平第1～第4级轮盘空气冷却孔的加工优化

高速钢铣刀铣孔口平面升级为整体硬质合金铣刀，高速钢的钻头、扩孔钻升级为一把整体硬质合金引导钻，直接钻准深孔钻削钻头的引导孔，最后，深孔钻削的三段式钻、扩、铰工艺步骤和刀具升级为一把整体硬质合金双管螺旋喷吸钻（见图5）一次钻准。通过多次切削试验，根据刀具推荐参数进行计算，结合实际加工情况优化调整，对不同的切削速度、进给速度和背吃刀量的试验数据进行比较，找出最合适的加工参数（见表3）。根据试切的数据分析结果，修磨调整钻头几何参数，调整切削用量，钻头寿命和钻削效率达到最佳，最终成功实现了深孔一次钻削完工，将加工工序由原先的7个压缩为3个：铣平面→点孔→整体硬质合金双管螺旋喷吸钻一次钻准。

表3 透平第1级轮盘优化调整后实际加工参数（2～4级相同）

图5 整体硬质合金钻头

4.2 压气机第11级和13级轮盘空气冷却孔的加工优化

由于整硬棒料原材料及技术等问题，目前在刀具行业内一般不生产制造超过直径20mm和6倍径以上的整体硬质合金长倍径钻头。通过非标定制，价格高昂，加工效果差；尝试使用焊接式硬质合金头枪钻，效率无法提高；加工孔表面质量差，需要再次铰削加工；焊接式硬质合金头枪钻刀头磨损快，可换性差，刀头磨损后需要整体换刀，成本高。在没有整体硬质合金和其他成熟钻削刀具方案的情况下，压气机第11级和13级轮盘D20mm、D30mm且25倍径的空气冷却孔加工是一个难以解决的问题。为此，与某国内刀具厂商共同研究各类深孔钻头的结构特点（包括钻头的切削角度、断屑台尺寸和几何参数），联合开发了两种不同刀片结构形式的机夹式枪钻（见图6），通过多次的切削试验，不断对刀片布局形式、引导块位置和数量进行调整，优化了冷却液孔的布置及钻体排屑槽的设计，并对切削参数进行调整（见表4），最终成功实现了一钻到底、一次钻准的效果。

表4 压气机第11级和13级轮盘优化调整后实际加工参数

图6 机夹式枪钻

4.3 整体硬质合金钻和枪钻加工的应用方法

长倍径硬质合金钻和枪钻在高速旋转状态钻尖存在一定的离心力，枪钻钻头形式更属于非平衡钻头，钻尖的不平衡不稳定意味着切削力不平衡。为了减少钻头周边的径向切削力，需要导套或引导孔分担。冷却孔的钻削结构位置和加工设备都不能通过导套方法加工，只能通过引导孔来进行定位和平衡切削力。引导孔的加工，必须保证引导孔径达到H7的精度要求，做好引导以保证整个深孔的直线度，保证孔轴线偏移量在正常范围内；深孔钻进入引导孔时为了避免振动，需低速且不开切削液，进入引导孔后，高转速开启切削液进给，在钻穿钻削到最终位置后关切削液，同时主轴停止枪钻高速进给，退回加工表面。如压气机第11级轮盘D20mm冷却孔的加工过程中，第一步使用D20mm皇冠钻钻深1～2倍钻头直径深度L=35m做出枪钻引导孔后，第二步使用D20.0×610-20×50机夹式枪钻一次钻出直径20mm、长500mm的轮盘空气冷却孔。为保证整个钻削的可靠性，在钻削9～10孔后必须强制观察刀片磨损情况，在切削刃有正常磨损、无崩刃的情况下可正常加工，如磨损严重则需换刀片。

（1）钻削内冷压力对排屑润滑的要求 在一般切削过程中，80%左右的切削热量被切屑带走。但深孔钻削必须在一次连续切削中完成加工，切削路径长且不可停顿，在封闭的环境下切削区的切削温度很容易急剧升高，钻削时必须采取强制的冷却方式，切削液的压力和流量必须足够大，才能起到将切削液输送到切削区并将切屑排出的作用。通过强力的切削液起到冷却、润滑、排屑及避免切屑对已加工表面划伤等作用，在一定程度上直接影响深孔加工质量。切削液的流量通常用流速来进行计算，确定切削液的流速后可计算出流量。

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

通过硬质合金钻和枪钻内冷孔径计算理论流量，在试验件上试切验证各钻头内冷切削液压力2.94～6.86MPa，很好地满足了切削液送到钻尖处，起到冷却作用，并帮助实现断屑和强制排屑，如图7所示。

图7 内冷却和排出切屑

（2）数控程序控制 大部分的“梗刀”问题都是在孔出口处刚钻穿时产生的，改进加工工艺方法，通过钻穿前降速的方式来加工，使用子程序降速的自动循环模块，操作人员只需确定钻孔的起始或终点位置即可实现自动加工，程序段如下。

5 结束语

燃机轮盘空气冷却孔加工在整硬钻头、枪钻应用的持续改进优化下，不断提高生产效率，加工质量稳定可靠，轮盘空气冷却孔平均加工时间由126h减少至44h（见表5）。

表5 轮盘冷却孔改进前后工时对比

本项目通过整体合金钻头和新型枪钻的应用，高效完成了燃机轮盘空气冷却深孔的加工。通过工艺创新，积累了相当宝贵的枪钻制造和使用经验。这些成果不仅在AE94.3A重型325MW燃机轮盘上得到了持续应用，目前也已经推广至其他深孔钻削加工中。