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1000MW超超临界汽轮机阀杆套筒深孔加工 |
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作者：东方汽轮机有限公司 |
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摘要：本文以阀杆套筒的深孔加工为例，详细介绍了深孔加工的特点以及一种新型大直径镗杆在高精度深孔加工中的应用，阐述了工艺方案实施的全过程，并通过零件的实际加工、检验，说明了所选方案是合理的，成功的。
1 前言
孔加工是机械加工中面大量广的加工形式。在孔加工中，40%以上是深孔加工，随着机械行业的迅速发展，新型材料的出现，孔加工的难度越来越大，精度越来越高。一般将孔的长度L与孔径d0之比L/d0>5时，称为深孔；L/d0≤5时，称为浅孔。长径比越大，加工难度越大，因而深孔加工历来被视为加工难度较大的工序之一，为此不断地探索深孔加工的有效方法，成为工艺设计的重要研究课题。
阀杆套筒是汽轮机中压联合气阀的核心部件之一，我公司从日立引进的1000MW超超临界机组中的阀杆套筒(图1)，其内孔为半盲孔，长径比>7.5，粗糙度要求Ra1.6，孔深是30万、60万机组阀杆套筒的2倍多，尺寸及形位公差均要求很高，是目前遇到的最深最大的阀杆套筒，在厂内属首次加工，这就带来了加工工艺的复杂性与高难度。
图1 阀杆套筒结构
按常规加工方法，内孔需要珩磨，但公司现有设备无法满足零件磨削要求，因此内孔磨削方案是不可行的。本文通过一种全新加工工艺方案的分析，阐述了方案实施的全过程，并经过实际加工、检验，说明了所选方案是合理的，成功的。
2 工艺分析及措施
1) 深孔加工特点
深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的, 特点如下：
·加工深孔时，由于刀具细长，刚性差，强度低，在加工过程中容易引偏和振动，孔的加工精度及粗糙度不易保证。
·刀具的散热条件差，切削温度升高会使刀具的耐用度降低。
·切削路程长，切屑排出困难，不仅会划伤已加工面，严重时会引起刀具的崩刃和折断。
·操作者不能直接观察刀具的切削情况, 只能凭经验、听声音、看切屑、触摸振动等外观现象来判断过程是否正常。
2）工艺措施
针对以上存在的问题，同时结合公司现有设备情况，在制定工艺方案时，从以下几方面采取措施：
·内孔加工分为粗加工→半精加工→精加工三个阶段，这有利于保证精镗前孔的尺寸要求和粗糙度要求。
·零件装夹采用“一夹(四爪卡盘)一托(滚动中心架)”的方法，减少工件振动，提高工件系统的刚性。
·加工设备采用较新的Ø1m数控卧车，该机床径向、轴向跳动小,导轨直线度好,抗震性好，同时冷却液的压力大，供给充足，冷却方便，有利于刀具的散热和铁屑的排出。
·内孔精加工采用以车代磨，使用带有减震机构的防振镗杆，提高刀具系统的刚性。
3 实施过程
1) 粗加工
考虑到加工效率，内孔深度情况及粗加工尺寸，我们决定采用Ø160镗床，该机床主轴最大伸长量达1200mm，再加上刀具的长度，可以满足粗加工的需要。大端面对主轴，采用V型垫铁垫平，压紧，按小端(Ø261)外圆拉直，再以小端外圆靠中间部位找正，最后复验大端外圆，按单边留3mm余量镗准内孔，保证直线度在0.1mm之内。
2) 半精加工和精加工
·镗杆系统的选用
刀杆
刀杆的选用原则应在能使切屑顺利排出的前提下，尽量提高刀杆的强度和刚度，避免加工过程中刀杆的振动，确保加工精度，如果将刀杆直径增大，则在加工内孔时，刀杆与孔壁间隙太小，引起排屑不畅，造成堵塞，冷却润滑液进入困难，刀具磨损加剧，从而影响加工精度。
据此我们采用防振镗杆(直径Ø130mm，长度1820mm)，该镗杆内部有可调减振体，带有内冷孔，在卧式机床上使用刚性夹紧，它可用于从粗重加工到超精加工的所有加工，在普通车削中，从有效夹紧位置前端到刀尖长度为10倍直径时不会产生振动，刚好可以满足内孔深度的加工要求，精车时刀杆与内壁单边20mm左右的间隙能满足铁屑的排除以及切削液的进入。
刀座
根据镗杆的夹紧方式，我们设计了专用刀座及过渡套，加工时专用刀座装夹在机床中拖板上，这可以大大提高刀具的刚性，并在拖板后部放上平衡重物，保证托板后端不被翘起；过渡套带有开口，分别装在刀座内孔前端和后端，这样在把紧刀座后，可使过渡套与镗杆之间有良好接触和最大的摩擦，保证镗杆前端和后端都得到夹紧，提高刀杠系统的刚性。
刀头通过工艺试验，证明采用老鹰头式切削头不仅使镗杆前端更轻，有利于抑止振动，也使得切削头周围空间变大，使得排屑性能更好；同时切削头接口是一个锯齿面上有3个夹紧螺栓，这是一种最强最紧密的接口型式，这一切均有利于提高刀具系统的刚性，减小加工过程中的振动，从而保证内孔最终加工质量。
刀片
零件材料为汽轮机高温部件用10Cr9Mo1VNb(F91)耐热钢，该材料不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，在使用温度低于620℃时，其许用应力高于奥氏体不锈钢。工件材料强度虽然不高，但塑性和韧性大，切削加工性一般，加工硬化趋势较强，切削负荷大，导热性差，加工时热量易集中在切削刃上，产生积屑瘤，使刀具磨损加剧。
精镗内孔最关键的是镗削过程的安全性，需要一刀切过，孔的各项参数达到质量要求。主要注意的是两个方面问题，一是保持稳定的切削排屑过程，二是确保刀具寿命满足孔的切削长度。考虑以上因素，我们通过试验，选用合适刀片取得非常好的加工效果(刀具和切削参数略)。
·加工过程
夹大端，按小端外圆中间部位找正在0.05mm内，再复验大端外圆，夹紧；在距小端端面200mm左右位置见光一宽70mm左右的圆柱带，粗糙度达Ra1.6(支中心架用)，上中心架，见光小端端面，Ø120内孔车至Ø118，然后上闷头，顶紧，除Ø169外圆及26°斜面暂不加工外，其余各外圆，50°斜面均按单边留1mm余量车出，注意在Ø261外圆且靠近50°斜面处见光一宽70mm左右的圆柱带，粗糙度不低于Ra1.6。
翻身，夹小端，在靠近大端50°斜面见光圆柱带处支中心架(图5)，找正外圆在0.01mm之内，按单边留1mm余量车大端外圆，端面，然后将专用刀座吊上车床，装夹，找正，装入过渡套及防振镗杆，注意过渡套开口对齐刀座中分面，检查镗杆安全地夹紧在刀座中，且悬伸量在正常的工作范围内，刀尖高度接近机床主轴中心，并在中拖板后部放上平衡重物，最后车准Ø172内孔，保证粗糙度要求。
由于镗杆系统已经确定，加工过程就相对简单，但在加工过程中还要注意以下几点：
加工时随时观察切屑的形状和颜色，注意排屑的情况，连续的带状切屑会缠绕刀尖，并影响表面加工质量，排屑效果差，对刀具寿命和加工面质量有较大的影响。
注意加工时刀具在深孔中发出的声响，用手触摸刀杆观察其振动情况。如出现反常现象，应立即进行检查，并采取措施予以解决。
除排屑外，还需很好解决高的切削温度，因此充分有效的冷却是不可缺少的，首选水基切削液冷却，并且最好使用带内冷孔的刀杆；同时供给充足的冷却液也可使排屑变得更为顺畅。
中心架的使用：由于加工过程中要长时间使用中心架，为防止工件外圆与中心架的摩擦发热，应采用精密滚动轴承中心架，同时要不断用油进行冷却，防止工件发热引起新的变形。在支中心架之前，用手转动各滚轮，保证各滚轮能自由转动，同时滚轮无滑动现象，用表检查各滚轮跳动应在0.01mm之内。
·检验
内孔测量采用100～250×1500专用内径千分尺，内孔精车完之后，在孔口测均布4点，深度方向测均布6段，圆度和挠度都在0.02mm内，且粗糙度达到Ra1.6，满足了产品的图纸要求，对于如此深的孔来说，这应该是很不错的效果了。这也证明了该方案是正确的，成功的。
4 结论
该方法解决了阀杆套筒高精度深孔切削加工的难题，掌握了在车床上镗削深孔的切削参数以及数控程序补偿挠度的规律，为1000MW超超临界机组阀芯零件的生产奠定了技术基础，为我国超超临界机组的研发提供了加工技术支持，实现了公司对1000MW超超临界机组阀芯零件国产化的要求，具有较高的技术水平；同时也较好地解决了大直径深孔加工中的刀具、散热和排屑等问题，深孔加工后的尺寸精度，表面粗糙度、形位公差都很好，可以推广应用到其它类似零件深孔的生产加工。 (end)
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(5/26/2009) |
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