■中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司 （湖北武漢 430074）

朱衛(wèi)峰 張 軍 楊曉東 聶士海 曾凡浩

1. 高中壓外缸內(nèi)腔加工難點(diǎn)

（1）高壓外缸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：圖1所示為汽缸上、下半簡(jiǎn)圖，其材料為Z G15C r2M o1（鉻鉬合金鑄鋼），切削性能差。上半凈重25 000k g，外形尺寸：長(zhǎng)5 817m m、寬3 370m m、高2 053mm，中分面壁厚405mm；下半凈重25 000kg，外形尺寸：長(zhǎng)5 437m m、寬3 370m m、高1 760mm，中分面壁厚405mm。

兩端汽封加工最小內(nèi)圓為φ 805mm，內(nèi)缸定位槽加工最大直徑1 970mm，該零件體積、質(zhì)量大，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)為兩頭小、中間大。

（2）加工難點(diǎn)：根據(jù)150MW汽輪機(jī)高中壓外缸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若采用車削方式加工，工藝剛度得不到保證，加工質(zhì)量難以達(dá)到要求。因此采用數(shù)控龍門鏜銑床圓弧插補(bǔ)銑削加工汽缸上、下半內(nèi)腔各圓槽的工藝手段，取代傳統(tǒng)組合汽缸車削各圓槽的加工方法。其難點(diǎn)在于上、下單半汽

150M W汽輪機(jī)高中壓外缸是汽輪機(jī)關(guān)鍵靜子部件，而高壓外缸中分面、隔板套槽和內(nèi)缸定位槽的加工質(zhì)量好壞，直接影響汽輪機(jī)組總裝和運(yùn)行。在首臺(tái)150M W汽輪機(jī)高中壓外缸上、下半（簡(jiǎn)稱汽缸上、下半）內(nèi)腔各槽加工中，消除影響加工精度的諸多因素，提出合理的加工方法，加工后經(jīng)測(cè)量，上、下半各槽相同尺寸誤差均＜0.02m m。但合缸后（自由狀態(tài)下）隔板套槽、內(nèi)缸定位槽及兩端汽封等軸向存在錯(cuò)位現(xiàn)象。針對(duì)這一現(xiàn)象缸分開加工，必須保證兩半汽缸內(nèi)腔各圓槽軸、徑向相同尺寸一致性，汽缸上、下半組合后，軸向錯(cuò)位≤0.05m m，中分面間隙≤0.05mm（自由狀態(tài)下）。在實(shí)際加工過(guò)程中，不僅要考慮加工誤差，還要考慮大型零部件受重力影響的變形誤差，以及零件加工狀態(tài)與零件工作狀態(tài)發(fā)生改變所引起的變形誤差。

圖1 高壓外缸結(jié)構(gòu)及加工要求

2. 提高加工精度措施

在機(jī)械加工中，機(jī)床、工件、裝夾和刀具構(gòu)成完整的工藝系統(tǒng)。而工藝系統(tǒng)的精度，必將在不同的工藝條件下，以不同程度和方式反映為零件的加工精度。該零件工藝系統(tǒng)誤差主要表現(xiàn)為：機(jī)床、裝夾及刀具的制造、磨損及調(diào)整誤差；工藝系統(tǒng)受重力引起的誤差，工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差。在實(shí)際分半缸加工中，要考慮機(jī)床設(shè)備精度、裝夾定位、工藝路線、熱變形、刀具以及零件靜定結(jié)構(gòu)受重力變形等對(duì)汽缸加工精度的影響，并將其加工誤差控制到最小。

（1）機(jī)床設(shè)備精度：機(jī)床設(shè)備是工藝系統(tǒng)幾何誤差控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機(jī)床設(shè)備精度越高，零件加工精度就越高。精度高的機(jī)床設(shè)備是保證零件加工精度的前提條件。

圖2 汽缸內(nèi)腔槽與機(jī)床軸的幾何關(guān)系

機(jī)床設(shè)備精度主要包括機(jī)床幾何精度和機(jī)床定位精度。特別是機(jī)床設(shè)備的幾何精度誤差，對(duì)汽缸中分面平面度和汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度有較大的影響。150M W汽輪機(jī)高中壓外缸中分面平面度與X、Y、Z進(jìn)給軸直線度誤差相關(guān)，其進(jìn)給軸直線度誤差越小，汽缸中分面平面度誤差就越小。汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度與X、Y、Z進(jìn)給軸間垂直度相關(guān)（見(jiàn)圖2），其進(jìn)給軸間垂直度誤差越小，汽缸內(nèi)腔各槽與汽缸軸心垂直度誤差就越小。且機(jī)床X、Y、Z進(jìn)給軸間垂直度誤差在汽缸上、下半合缸時(shí)，誤差值放大1倍。因此150M W汽輪機(jī)高中壓外缸上下半中分面及內(nèi)腔各槽必須選用精度較高的機(jī)床加工。根據(jù)機(jī)床精度技術(shù)參數(shù)，選用德國(guó)PowerTec 6500 AG數(shù)控龍門鏜銑床加工，其機(jī)床精度滿足產(chǎn)品加工精度要求。

（2）負(fù)荷分配、裝夾定位：汽輪機(jī)高壓外缸在電廠安裝中，必須進(jìn)行負(fù)荷分配，以減少汽缸不規(guī)則變形和振動(dòng)，確保機(jī)組安全、長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。在汽缸加工過(guò)程也必須對(duì)汽缸進(jìn)行負(fù)荷分配，不僅為電廠安裝作好前期準(zhǔn)備，同時(shí)減少切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的不規(guī)則變形。汽輪機(jī)運(yùn)行中，高中壓外缸靠四個(gè)貓爪支撐定位，因此在加工過(guò)程中也選擇貓爪作為支撐，其他點(diǎn)作輔助支撐（精加工去掉輔助支撐）。按負(fù)荷分配標(biāo)準(zhǔn)，利用負(fù)荷分配專用測(cè)力器，調(diào)整四點(diǎn)受力均勻。負(fù)荷分配符合要求后，用百分表監(jiān)測(cè)，將測(cè)力器更換成等高鐵，以貓爪裝夾定位，保證壓緊前后百分表數(shù)值不變。

（3）工藝路線、熱變形：澆鑄成型的汽缸上、下半，在切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，對(duì)零件加工精度影響較大。具有熱應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，其內(nèi)部組織有強(qiáng)烈傾向要回復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定、沒(méi)有應(yīng)力的狀態(tài)。即使在常溫下，零件也不斷地進(jìn)行這種變化，直到內(nèi)應(yīng)力消失為止。在這種過(guò)程中，零件的狀態(tài)逐漸變化，原有的加工精度逐漸喪失。在安排高中壓外缸上、下半加工工藝路線時(shí)，必須考慮到內(nèi)應(yīng)力的消除、熱變形的控制。因此，首先完成加工余量多的加工工序如中分面連接孔、進(jìn)汽孔，中分面粗銑，其次完成中分面和內(nèi)腔圓槽半精加工。通過(guò)對(duì)工序的編排，合格完成各部加工的同時(shí)，有效消除汽缸內(nèi)應(yīng)力。切削加工時(shí)，刀具冷卻必須充分，以減少熱變形，從而使汽缸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

（4）內(nèi)腔精加工：圖3 所示為高壓外缸內(nèi)腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。汽缸內(nèi)腔精加工各槽，必須保證單半缸軸、徑向尺寸在圖樣公差范圍內(nèi)，且保證上、下兩半缸軸、徑向尺寸一致（誤差不超過(guò)±0.01m m）。加工過(guò)程中合理選擇加工基準(zhǔn)，確定最佳走刀路線，使上、下半缸加工存在的對(duì)刀誤差、機(jī)床定位誤差以及溫差引起的機(jī)床誤差降到最小。首臺(tái)150MW高中壓外缸加工中，考慮到?jīng)]有實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，試加工圖樣尺寸在原圖樣尺寸上留有1mm余量。

具體工藝措施如下：①上、下半加工基準(zhǔn)。圖樣設(shè)計(jì)基準(zhǔn)位于兩進(jìn)氣孔中心處，而內(nèi)腔各槽的加工基準(zhǔn)必須利于對(duì)刀、編程和測(cè)量。因此，以內(nèi)缸定位環(huán)出氣邊作為加工基準(zhǔn)最佳。通過(guò)對(duì)圖樣的分析，利用工藝尺寸鏈換算全部加工槽至定位環(huán)出氣邊的尺寸。加工中以定位環(huán)基面對(duì)刀確定軸向零點(diǎn)（X軸編程零點(diǎn)），以定位環(huán)徑向圓弧面對(duì)刀確定徑向零點(diǎn)（Y軸編程零點(diǎn)），以中分面對(duì)刀確定分半面零點(diǎn)（Z軸編程零點(diǎn)）。②刀具選擇與使用。考慮到機(jī)床直角附件銑頭結(jié)構(gòu)、性能、加工效率及經(jīng)濟(jì)性，最終選用Ingersoll固定切寬修光式可轉(zhuǎn)位三面刃銑刀φ 500mm×B28mm和φ 400mm×B24mm。該刀具正前角大，切削力小。根據(jù)工藝系統(tǒng)剛度實(shí)際情況，半精加工（粗銑刀片切削）調(diào)整得出線速度Vc=120m/min、切深A(yù)e=30mm、每齒進(jìn)刀量fz=0.2m m。切削長(zhǎng)度4 0 m 內(nèi)刀具無(wú)磨損。精加工（修光刃刀片切削）線速度Vc= 130m/min、切深A(yù)p=0.05mm、每齒進(jìn)刀量fz=2m m。切削長(zhǎng)度20m內(nèi)無(wú)磨損。③上、下半缸加工程序同步?？紤]到機(jī)床精度受環(huán)境溫度變化而變化，要求在PowerTec 6500 AG數(shù)控龍門鏜銑床上同步加工汽缸上、下半各軸向、徑向尺寸，以確保機(jī)床精度誤差的一致性?？紤]到刀具微量磨損、機(jī)床定位誤差對(duì)加工尺寸的影響，精加工各槽時(shí)，更換新刀片、重新對(duì)刀以及采用變量參數(shù)編程，一次編程加工完成所有軸向尺寸（15mm定位槽和10mm汽封槽除外）。同樣方法加工另一半各槽。此方法有效避免了兩半缸加工中刀具磨損和定位誤差的不一致。根據(jù)切削參數(shù)的計(jì)算，精加工各軸向尺寸加工時(shí)間約2h，此時(shí)間范圍內(nèi)環(huán)境溫差控制在±2℃，機(jī)床精度受溫度變化可以忽略不計(jì)。

精加工程序如下：

R1= ;汽缸出氣邊軸向尺寸

R2= ;汽缸隔板槽半徑

R3= ;刀具半徑

R4= ;刀具厚度

R5=R2-R3;編程半徑

圖3 汽缸內(nèi)腔部位說(shuō)明

R6= ;槽寬

G90 G19 G54

S100 M3

G0W0

Z300

Y0

G0X=R1

Y=R5

Z150

G1Z0 F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5F300

G0Z150

Y0

X=R1-R6+R4

Y=R5

G1Z0F100

G3Y=-R5Z0CR=R5F300

G1Z5

G0Z150

Y0

M30

3. 合缸前后檢驗(yàn)情況

（1）合缸前測(cè)量情況。加工完后隨機(jī)床用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量，如圖4所示，汽缸上、下半各軸A系、B系及其徑向相同尺寸誤差均在0.02mm內(nèi)，中分面平面度在0.02mm內(nèi)，符合加工工藝要求。

（2）合缸后測(cè)量情況。高中壓外缸上、下半合缸，以高中壓外缸的內(nèi)缸定位環(huán)出氣邊為上、下半合缸軸向基準(zhǔn)，兩端汽封內(nèi)圓為徑向基準(zhǔn)。高中壓外缸上半相對(duì)于下半軸向錯(cuò)位為：高壓汽封端向高壓端伸長(zhǎng)0.14mm，隔板套各槽向低壓端伸長(zhǎng)0.06～0.10m m，中壓汽封向低壓端伸長(zhǎng)0.19m m。各徑向錯(cuò)位均在0.05mm允許范圍內(nèi)。合缸后中分面間隙均在0.05mm。

4. 合缸后錯(cuò)位原因分析及解決方案

（1）變形情況判斷。根據(jù)合缸后測(cè)量的錯(cuò)位數(shù)據(jù)判斷，可能發(fā)生以下3種情況：①高中壓外缸上半以定位基準(zhǔn)為起點(diǎn)，向兩端伸長(zhǎng)。②高中壓外缸下半以定位基準(zhǔn)為起點(diǎn)，兩端向中間縮短。③高中壓外缸上半以定位基準(zhǔn)為起點(diǎn)，向兩端伸長(zhǎng)，同時(shí)高中壓外缸下半兩端向中間縮短。

為驗(yàn)證3種情況的可能性，在合缸的狀態(tài)下，利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別測(cè)量上、下半A系、B系尺寸。其下半各軸向尺寸與加工檢測(cè)數(shù)據(jù)相同，上半各軸向尺寸變大（見(jiàn)表1）。

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果證明，合缸后發(fā)生了第1種變形情況，即高中壓外缸上半以定位基準(zhǔn)為起點(diǎn)，向兩端伸長(zhǎng)。

（2）原因分析。工藝系統(tǒng)受力變形是機(jī)械加工精度中一項(xiàng)不可忽視的原始誤差，特別是大型零件，受自身重力引起的變形，在加工與裝配中是不可忽視的。一般大型零部件加工狀態(tài)越接近工作狀態(tài)越好，這樣有利于保證機(jī)構(gòu)的整體精度。而150M W以上汽輪機(jī)組的缸體加工，一般均采用上述銑削加工方式。因此加工高中壓外缸上半時(shí)的加工狀態(tài)與合缸狀態(tài)（即工作狀態(tài)）不一致所產(chǎn)生的合缸錯(cuò)位現(xiàn)象隨之而來(lái)。①因自身形狀結(jié)構(gòu)和質(zhì)量原因，高壓外缸上半在空間任何狀態(tài)都存在自重引起的沿軸向的撓曲變形（彈性變形）、缸壁壓縮變形。加工高中壓外缸上半時(shí)中分面朝上，汽缸受重力作用撓曲（彈性范圍內(nèi)），在重力作用下汽缸壁沿中分面壓縮，汽缸背部膨脹（見(jiàn)圖5）。在實(shí)際加工中，汽缸只能在此狀態(tài)下完成內(nèi)腔各槽加工（簡(jiǎn)稱“加工狀態(tài)”）。②由于高中壓外缸上半合缸時(shí)，中分面空間幾何位置發(fā)生改變，即中分面朝下。受自重影響，汽缸受重力變形也隨之發(fā)生改變。彎曲變形（彈性范圍內(nèi)），撓曲狀態(tài)（簡(jiǎn)稱“合缸狀態(tài)”）發(fā)生改變（見(jiàn)圖6）。在彎曲應(yīng)力作用下，汽缸體沿中分面伸長(zhǎng)，沿汽缸背部縮短，與加工狀態(tài)撓曲方向相反，形成疊加。故已加工成形的各隔板套槽、內(nèi)缸定位槽和兩端汽封槽沿中分面向兩端伸長(zhǎng)。所以汽缸錯(cuò)位主要是汽缸上半加工狀態(tài)與合缸狀態(tài)不一致造成的。

（3）錯(cuò)位解決方案。在實(shí)際制造中，因汽缸的幾何形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受重力幾何狀態(tài)變形疊加、加工誤差及環(huán)境溫度等不確定因素，僅通過(guò)理論分析如有限元分析、材料力學(xué)解析等方法，難以精確計(jì)算出汽缸上半狀態(tài)改變引起的各部尺寸錯(cuò)位量。因此，在首臺(tái)150MW高中壓外缸加工中，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證分析法，將汽缸上半各內(nèi)腔尺寸預(yù)留余量，合缸后對(duì)軸向錯(cuò)位進(jìn)行測(cè)量，再進(jìn)行分析。得出經(jīng)驗(yàn)值，應(yīng)用到此型號(hào)汽缸加工中。

圖5 中分面朝上撓曲變形及應(yīng)力分布

圖4 汽缸內(nèi)腔各槽軸向尺寸

圖6 中分面朝下?lián)锨冃渭皯?yīng)力分布

表 1 （單位：mm）

具體方法為：利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量軸向、徑向尺寸。以軸向尺寸為例，將錯(cuò)位量按表1格式作記錄，并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄轉(zhuǎn)換成表2。

從表2中可以看出，汽缸上半A系、B系加工尺寸短于下半加工尺寸。按表2數(shù)據(jù)加工汽缸上、下半，合缸經(jīng)檢測(cè)，軸向、徑向錯(cuò)位符合技術(shù)要求。

表 2 （單位：mm）

在首臺(tái)150MW汽輪機(jī)高中壓外缸加工中，采用此工藝方法，經(jīng)3次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)近似。經(jīng)總結(jié)表2經(jīng)驗(yàn)值，在后續(xù)同型號(hào)汽輪機(jī)組加工中，汽缸下半按圖樣尺寸要求加工A系、B系各尺寸。汽缸上半按表2計(jì)算得出編程加工尺寸。按此方法加工汽缸上、下半，經(jīng)合缸檢測(cè)，汽缸內(nèi)腔各槽加工均符合要求。

5. 結(jié)語(yǔ)

150M W高中壓外缸內(nèi)腔加工中，從工藝系統(tǒng)及加工方法上減小零件加工誤差。針對(duì)汽缸上半加工狀態(tài)幾何尺寸與合缸狀態(tài)幾何尺寸不一致的現(xiàn)象（即汽缸上半幾何尺寸變大），在實(shí)際加工過(guò)程中，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，總結(jié)出此型號(hào)汽缸上半空間狀態(tài)的改變產(chǎn)生的形變數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)中得出經(jīng)驗(yàn)值，用于修正汽缸上、下半分開加工時(shí)的內(nèi)腔尺寸。此方法有效消除了此型號(hào)汽缸錯(cuò)位的問(wèn)題，并為類似型號(hào)汽缸的加工奠定了基礎(chǔ)。

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