先进机床、高效刀具在汽轮机制造中的应用
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简要叙述了上海汽轮机有限公司(STC)面对汽轮机订单成倍增加的形势,采取了增添先进机床、推广高效刀具等措施,重点介绍了先进机床提高了汽轮机制造的工艺水平,高效刀具在加工汽缸、转子、叶片等汽轮机关键零件中发挥了事半功倍的作用,为提高生产效率,提高中国电站设备的制造水平多做贡献。
上海汽轮机有限公司(STC)前身是上海汽轮机厂,它是我国第一家汽轮机厂,也是我国机械工业的大型骨干企业,现是与德国西门子合作的中德合资企业。从1953年建厂开始.经过50多年的艰苦奋斗,先后试制成功了125MW、300MW、600MW汽轮机,300MW核电汽轮机和600MW、900MW超临界汽轮机。目前,STC正在进行百万等级超超临界汽轮机、F级燃气轮机和百万等级核电汽轮机的三大战役。
从2003年起,由于全国的缺电形势,造成我公司汽轮机的定单成倍增加,生产任务十分繁重。我公司每年生产的当量一般为500万千瓦,2004年完成1200万千瓦,2005年完成了2000万千瓦,2006年完成了创纪录的3600万千瓦,2007年的任务也高达3200万千瓦。为了完成这些任务,我们采取了增添先进机床、增加外协和推广高效刀具的三大措施,为提高中国电站设备的制造水平多做贡献。

1 先进机床提高了汽轮机制造的工艺水平

自80年代中期以来,STC先后引进了意大利英萨数控膛铣床、德国科堡数控龙门铣、美国英格索数控幢铣床等先进设备。

图1 北一数控机床公司5×17米数控龙门锐床
2003年初,我们对国内生产的数控设备的现状作了深入的调研,发现这些年国内数控机床发展很快,具有良好的价格性能比,因此,我们购买了一批大型的数控机床,其中有北京北一数控机床有限公司的5×17 米数控龙门铣床(图1,这是北一机生产的第100台数控龙门铣床)、昆明机床厂的TK6916Ø160数控落地撑铣床、齐齐哈尔重型数控设备股份有限公司的Ø5000×4000数控双柱立式车铣床、Ø2200×10000数控重型卧车、齐齐哈尔二机床的TK6920Ø200 数控落地幢铣床等关键设备。
数控机床的引进使汽轮机制造工艺发生了根本的变化,加工工艺由单工序加工方法,改进为多工序加工方法,也就是一台机床上以一道加工工序用各种机床附件加工完成原来由数道工序(机床)完成的工作。例如,300MW高中压外缸上、下半在数控龙门铣上,通过安装接长杆、角尺铣头、万向铣头、旋风铣装置等附件,可以完成检查各档尺寸余量、加工汽缸中分面和各档内圆、中分面螺孔和定位孔、支承键槽、两端定中心梁平面及螺孔、各种斜孔等各项内容,这样可取代以往需经划线,刨床、钻床、键床等多台机床才能完成的工作。多工序加工方法具有加工精度高、生产效率快的优点。
如今,前几年购买的大型国内生产的数控设务都已投入正常的生产,在奋战近几年繁重的汽轮机任务中发挥着主力军的作用。例如,据操作师傅反映,燃气轮机车间安装的昆明机床厂Ø160数控落地镗铣床精度高,设备稳定,工作效率高,在加工汽缸、持环中分面、大螺孔等起了关键的作用。

2 高效刀具发挥了事半功倍的效果

  1. 高效刀具在汽缸加工中的应用
    1. 汽缸中分面的加工
      汽轮机在工作时,要求汽缸中分面在蒸汽冲击下必须紧密贴合,不允许漏汽。因此,对汽缸中分面的要求非常高,表面粗糙度Ra=1.6µm,自由合拢时,不允许塞进0.05mm塞尺。传统的汽缸中分面的稍加工方法通常龙门刨床上先刨削,然后装立式磨头通过精密磨削来实现.先磨削上半,然后依此为从准磨削下半,直至二半平度适当。这种工艺方法生产效率极低。
      目前,我们对刚性好的汽缸中分面粗加工采用英格索6C2K、6C2L 60°面铣刀,对刚性差的汽缸中分面采用山特维克R260.7-400 450°面铣刀在数控龙门铣、数控键铣床等机床上广泛采用英格索6F2K型平面精铣刀进行汽缸中分面精加工,以铣代磨。该铣刀装有超精研磨而成的刮光刀片,切削刃为椭圆形,适用于大平面的精加工和高进给,切削深度仅为0.01~0.05mm.每分钟走刀量高达700~1000mm,表面粗糙度可达Ra=0.8~1.6µm,完全符合l 冬I 纸的要求。
    2. 汽缸各档内圆的加工
      传统汽缸各档内圆通常汽缸上下平并合后,在立车或车镗床上加工。汽缸在立车上装夹时,通过校验中分面上4只搭耳和校哈夫工具,以确保水平中分面垂直于立车转台和上下半圆相等。对无垂直接合面的汽缸则只能在车镗床上加工完成,但操作者必须钻入汽缸内腔操作机床,这种加工方法测量困难,操作不便。
      目前,我们对无垂直接合面的高中压汽缸采用两半分开、同时在数控龙门铣上加工.使用英格索大直径的MAX-I三面刃可转位铣刀,进行Y、Z两轴联动、圆弧插补切削各档腰带内圆和平面。由于数控龙门铣机床X、Y、Z轴的精度误差仅为±0.005mm,精铣通常在2个小时内完成,温差不大,因此尽管汽缸是分缸加工,但合缸后,可确保汽缸上、下半的相对位置精度,长达4m多的两端汽封面轴向误差仅为0.02~0.03mm。


      图2 ABS接柄内螺纹旋风铣刀

      图3 内容质丝锥

      图4 平装式可转位螺旋立铣刀

      图5 波刃或玉米型刃口的高速钢铣刀

      图6 钎焊式硬质合金铣刀

      图7 抛物线大螺旋角深孔钻

      图8 波刃转子轮槽半精铣刀
    3. 汽缸中分面螺孔的加工
      汽缸中分面螺孔的加工是加工技术中最困难的问题之一。传统加工方法一般使用开有沟槽的丝锥。由于不同尺寸的螺纹需使用不同尺寸的丝锥,因此丝锥加工具有制造成本高、生产效率低、工件表面粗糙度不易控制等局限性。
      目前,STC加工汽缸中分面螺孔主要采取以下3种方法:
      1. 专用数控旋风铣装置
        数控龙门铣配备专.用英格索NC120旋风铁装置,该装置能加工不同直径(30至120毫米)、不同螺距、左右旋以及公英制的螺纹。切削时,机床主轴旋转会产生一个偏心运动,同时沿着螺距方向从孔底向上进给,这种方法,不会因铁屑影响加工。由于刀杆以每分钟1400m/min快速旋转在孔中切削,因此,在极短的时间内即可加工完螺纹,螺纹两侧面的表面粗糙度值可达Ra≤3.2µm 。
      2. 数控机床三轴联动功能
        当某些螺纹直径大于120mm,我们则利用数控龙门铣、数控健铣床具有的三轴联动功能进行铁削的螺旋运动,通过改变刀补的大小,即可控制铣削的螺纹规格。切削动作与NC120装置相同,由下向上进行螺旋切削。使用三轴联动功能进行铣削的螺纹直径加工范围最小为M42,最大则仅受机床Y轴范围的限制,我们曾在数控龙门铣上加工过M27O×3的大螺纹。铣削螺纹刀杆有两种类型,一为整体型,即将锥柄与刀杆做成一体,装上旋风铣刀和刀片;二为ABS接杆型,即锥柄与刀杆采用ABS连接形式.这样可根据螺孔的深度和规格任意选择接杆的长短和直径,然后装上旋风铣刀。两者相比,显然后者更具灵活性。哈一工生产的ABS接柄内螺纹旋风铣刀(图2)可供选择的直径有25、32、40、50、63、80、100mm等多种规格。
      3. 内容屑丝锥
        内容屑丝锥在其前部开有一个足够大容屑空间的贮屑孔.其工作部份由三部份螺纹组成,在切削锥上的螺纹起粗切作用,圆柱上的间断螺纹起校准作用,圆柱上的完整螺纹起导向作用。即使在盲孔加工时,切屑被贮存在容屑孔内,切屑与被加工螺纹表面彻底隔离.因而排屑理想,使螺纹加工表面质量得以提高。
      为减轻关键数控机床的压力,我们在普通摇臂钻使用德国Noris公司的内容屑丝锥(图3) ,曾一次攻削出M110×3的大直径内螺纹,工效高,丝锥使用寿命长。
    4. 汽缸台阶、直槽的加工
      在汽缸中分面压板槽、台阶、特殊形状的铣削上,我们推荐使用太原科锐的平装式可转位螺旋立铣刀(粗加工)、嘉兴恒锋的波刃或玉米型立铣刀(粗加工)和陕西硬质合金刀具公司的钎焊式硬质合金螺旋立铣刀(精加工)。
      1. 平装式可转位螺旋立铣刀(图4)
        该刀具具有可更换端齿头,切削力大,适用于加工钢、铸钢、铸铁等,是高效率粗加工、半精加工的刀具,在加工中刀片抗冲击力强,容屑空间大,出屑流畅。常用于直槽、台阶、特殊形状的铣削。铣刀类型分两种:直径Ø50、Ø63、Ø80、Ø100的为整体式,直径Ø80、Øl00、Ø125为套式。
      2. 波刃或玉米型刃口的高速钢铣刀(图5)
        在汽缸中分面深度较深的压板槽等加工上,嘉兴恒锋工具厂的波刃或玉米型刃口的高速钢铣刀铁屑细小,切削力明显降低,不易断刃,因此可提高切削速度和走刀量,加工效率得到了2~3倍的明显提高。切削时必须配有充足的冷却液。
      3. 钎焊式硬质合金铣刀(图6)
        该铣刀是在工具钢的基体上钎焊硬质合金,一般以螺旋立铣刀居多,使用于铸钢、高强度钢的半精加工和精加工,广泛应用于各种压板槽、键槽等加工。切削速度可高达60~90m/min,每齿进给量可选0.04~0.12mm。满刃日切削性能佳,加工后槽子平行度好。
    5. 汽缸深孔的加工
      在汽缸探孔的钻削上,我们推荐使用江西工量刃具公司的抛物线大螺旋角深孔钻(图7) ,冷却液易冲到钻头,出洲顺利,钻深孔时不必反复进刀、退刀.可一次进刀钻削出长径比为20的深孔。
  2. 高效刀具在转子加工中的应用
    转子是汽轮机的“心脏”。它将蒸汽作用在叶片上的圆周力转换成旋转的机械能,并通过它带动发电机发出电能。转子工作时以每分钟3000转高速运转,因此对转子的加工和动平衡质址要求很高。
    1. 转子轮盘、轴承档的加工
      STC在数控大车上加工300MW、600MW低压转子叶外圆和轮面时,使用美国肯纳刀具公司和株州硬质合金厂的菱形和正方形CVD(化学涂层)涂层刀片。
      轴承档是转子的关键部位,长度达400mm,退拔小于0.01mm,表面粗糙度要求要求Ra=0.4µm。因此要求刀且切削锋利。我们使用美国肯纳公司的Ø20圆刀片(RCMT2006MO KC850),满足了图纸的要求。
    2. 转子纵树形叶根槽的加工
      STC制造的135MW、300MW、600MW高中压和低压转子广泛使用从美国西屋公司引进的P型、J型纵树形叶根,这类叶根公差要求紧,工作面轮廓公差仅为±0.0025mm,节距公差为-0.015mm,叶根形式有直槽、斜槽和圆弧槽。
      为了解决生产瓶颈,提高切削效率,我们慎重地推广应用了日本OSG、SANYO的特型P6,P7半精铣刀(图8) ,它们具有如下5个特点:1)粉末冶金高速钢(CPM) ; 2)物理气相沉积法(PVD)涂层;3)切削刃铲磨成波刃;4)切削前角由0°改成10°;5)切削螺旋角由0°改成5°。
      经试切削证明,特型P6,P7半精铣刀的加工效率是旧刀的3倍,特型P10半精铣刀的加工效率是旧刀的4倍。
    3. 高效刀具在叶片加工中的应用
      叶片是汽轮机最重要的零件之一,它包括静叶片和动叶片。由于叶片外形复杂,工艺要求高,叶片机械加工工作量一般要占整台汽轮机冷加工工时的25~35%。
      1. 叶片叶顶围带及中间体的加工
        自带围带叶片的叶顶及中间体需加工围带装配内背弧面(要求与叶根平面不平行度≤0.02mnm)、中心孔、顶部斜面、中间体斜面、定位销孔和根部装配内弧平面及斜面等,按传统工艺需四五道工序和大量专用夹具才能完成。
        目前,STC采用日本三菱M-H150E加工中心,将精磨叶根后的叶片装在专用夹具上,在一次装夹情况下就完成全部加工内容,提高工效近10倍。该机床配备有装4O把刀具的刀库,同时配备双工位工作台,自动换工位时间(APC)为16秒。当一个工作台在切削时,另一工作台可装拆叶片,使准备时间缩短至最短状态。大前角立铣刀(ISCAR)切削参数为:N=800r/min,F=250mm/min。
      2. 叶片扭曲型面的加工
        为提高机组效率,大部分叶片型面设计成截面沿叶高变化的扭曲型面。按传统工艺,扭曲型面的加工较为复杂,一般需12道工序,需配备大量夹具、成型铣刀、内背弧型线样板等工装,技术准备工作周期长,加工效率低。
        现在,STC使用5台瑞士STARRAG-RIGID公司的NX-155和NX-154和2台LECHTI公司的五联动数控型面铣,经一次装夹使用标准刀具去除内背弧和进出汽边余量,精铣内背弧型面和顶、根部连接处,一道工序可取代传统工艺的12道工序,效率提高10倍以上,同时可省去大量夹具、成型铣刀和型线样板,缩短了技术准备周期。
        型面粗加工采用ISCAR八角形刀片(OEMT060405AER-76 IC928) ,主偏角为45度.可转位八个刃切削。它抗冲击力强,刀盘的容屑槽空间大,出屑方便,适用于粗加工,尤其对高、中压叶片中很难加工的2Cr12NiMoWV-5(C422)马氏体耐热不锈钢材料,效率明显提高,是一般刀片的4~5倍。
        型面精加工使用RPHT10T3MOE-421 X500刀片(STELLRAM公司)。R连接处梢加工使用整体硬质合金锥度球头刀R3、R4、R6、R8(美国SGS公司、上海锐恒公司)。
2006年我公司共有40多个高效刀具的推广项目,创造经济效益500多万元,公司给予项目参与人员5万多元的奖励。
虽然,我公司推广高效刀具的工作取得了一定的成绩,但这只是走了第一步,今后的路还很长,还有很多的难题等待我们去攻克。我们要充分发挥高效刀具的作用,提高生产效率,多出汽轮机,出好汽轮机,为解决全国缺电形势多做贡献。
本文作者:上海汽轮机有限公司 吴天明
原载:上海市金属切削技术协会第十届年会论文集
上载于:2007-9-14 12:59:34

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