660 MW超超臨界汽輪機(jī)低壓外缸加工技術(shù)研究

謝龍飛

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000)

0 引言

660 MW超超臨界汽輪機(jī)低壓外缸結(jié)構(gòu)與以往類似汽輪機(jī)同部位缸有質(zhì)的不同，其特點(diǎn)為獨(dú)立低壓排汽缸結(jié)構(gòu)，重量和尺寸約為華龍一號(hào)低壓外缸的1/3和67%，結(jié)構(gòu)形式完全相同，是公司研制大型核電汽輪機(jī)華龍一號(hào)低壓外缸的 “先行缸”，它的加工精度除直接影響后繼華龍一號(hào)低壓外缸的研制外，還直接影響本機(jī)效率、機(jī)組安裝、安全運(yùn)行等方面。本文對(duì)低壓外缸的加工特性作了深刻的研究，設(shè)計(jì)出了較先進(jìn)的加工方案，提出了保證加工精度、減小各種變形的具體措施，在實(shí)際應(yīng)用中效果很好。

1 低壓外缸介紹

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，整缸外型尺寸長(zhǎng)×寬×高=7 612 mm×9 314 mm×7 137 mm， 總重 81 t， 上下半結(jié)構(gòu)，材料Q235-B，六半缸均為焊接毛坯。上半缸分成前后對(duì)稱兩部分，一半的外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=3 806 mm×9 060 mm×3 737 mm， 重 19.5 t。 下半由前后端部和左右中部四缸圍合而成，端部外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=1 950 mm×9 314 mm×3 400 mm， 重14.8 t，中部外形尺寸長(zhǎng)×寬×高=3 712 mm×1 910 mm×3 400 mm，重6.2 t。六缸組合時(shí)，水平中分面、垂直接配面由銷子定位，螺栓連接。工作時(shí)，低壓外缸主要起保持排汽真空和背壓穩(wěn)定作用，有嚴(yán)格的氣密性要求。

圖1 低壓外缸結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 總裝狀態(tài)

低壓外缸廠內(nèi)總裝方式與電廠接近一致，在廠內(nèi)完成總裝后再拆缸發(fā)往電廠，電廠再按廠內(nèi)方式復(fù)裝。缸的汽封檔內(nèi)端面裝導(dǎo)流器、外端面裝密封裝置，下半排汽口接冷凝器，上半背部接進(jìn)汽管。

1.3 主要技術(shù)要求

單缸精度：上下半垂直接配面對(duì)水平中分面垂直度0.30 mm，下半中部?jī)纱怪苯优涿嫫叫卸?.125 mm；上下半各缸水平中分面、垂直接配面平面度0.012 5 mm/305 mm、0.125 mm/整面，粗糙度Ra1.6 μm；汽封檔端面對(duì)汽缸中心線垂直度0.025 mm，汽封檔端面平面度0.025 mm，粗糙度Ra3.2 μm。

合缸精度：汽封檔上下半軸向錯(cuò)位＜0.025 mm、徑向錯(cuò)位＜0.05 mm，兩汽封檔內(nèi)孔同柱度Φ0.08 mm。自由狀態(tài)下，上半垂直接配面上張口0～1.05 mm、下半下張口0～0.38 mm，水平中分面自由狀態(tài)間隙＜0.25 mm；水平中分面和垂直接配面把合1/3螺栓間隙＜0.05 mm。

2 加工方案設(shè)計(jì)

2.1 圖紙研究

從低壓外缸結(jié)構(gòu)、總裝狀態(tài)、技術(shù)要求可以看出，由于下半水平中分面是電廠安裝和廠內(nèi)加工、總裝最重要的基準(zhǔn)，故要求下半四缸接配后拼接成的水平中分面應(yīng)盡可能平。上半垂直接配面對(duì)水平中分面垂直度是上半加工的難點(diǎn)之一。汽封檔形位公差要求較高，鏜床加工時(shí)又是高位作業(yè)，鏜孔前應(yīng)加工出合理適用的測(cè)量和找正基準(zhǔn)。各缸水平中分面、垂直接配面Ra1.6 μm的粗糙度高于同類缸，因工件剛性差，加工中也有難度。本缸加工后兩個(gè)最重要的技術(shù)指標(biāo)，一是合缸精度，二是水平中分面、垂直接配面把合后的封氣效果。

2.2 工藝方案

低壓外缸尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性差、精度高，結(jié)合設(shè)備條件，為保證加工精度，進(jìn)行了如下工藝方案的設(shè)計(jì)。

2.2.1 粗精加工分開(kāi)

該缸單面加工余量12 mm，由于毛坯誤差，最大達(dá)到18 mm，為減小加工應(yīng)力、加工熱變形帶來(lái)的加工誤差，嚴(yán)格將粗精加工分開(kāi)。

2.2.2 裝夾方式的選擇

加工中，做到工件的裝卡、支承方式與電廠安裝和廠內(nèi)總裝一致或接近。

2.2.3 基準(zhǔn)統(tǒng)一

加工中，盡可能做到設(shè)計(jì)、加工、總裝、測(cè)量基準(zhǔn)統(tǒng)一，以減小基準(zhǔn)不重合誤差。汽輪機(jī)中心線、汽缸中心線是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。實(shí)際制造過(guò)程中，水平中分面和垂直接配面是最重要的工藝基準(zhǔn)—加工、總裝、測(cè)量基準(zhǔn)，制定工藝方案時(shí)將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)過(guò)渡到水平中分面和垂直接配面，下半部分工序以底面作為工藝基準(zhǔn)。

2.2.4 上半水平中分面垂直接配面加工方式的確定

總裝時(shí)，水平中分面間隙是在上半前后部處于組合狀態(tài)下檢測(cè)的。為保證間隙合格，從理論上講，組合加工水平中分面最為合理，但組合加工會(huì)遇到：

（1）加工流程復(fù)雜，工作量大，加工成本高；

（2）組合加工必須水平中分面向上，主支點(diǎn)、輔助支承無(wú)理想位置，找正壓緊困難；

（3）汽缸不同部位剛性差異較大，撓度不便消除，加工狀態(tài)與總裝時(shí)剛好相反，變形誤差大；

（4）組合后自身剛性變得差異更大，裝夾時(shí)上重下輕，加工振動(dòng)無(wú)法克服；

（5）因支承力、夾緊力不均和自重影響，兩垂直接配面貼緊后會(huì)處于互相帶力狀態(tài)，而總裝接配時(shí)兩垂直接配面又處于自由狀態(tài)，其結(jié)果是垂直接配面產(chǎn)生較大間隙和連接孔錯(cuò)位。上半分開(kāi)加工水平中分面具有加工過(guò)程簡(jiǎn)單，裝夾方便，采取一定工藝手段又能保證加工精度，故兩個(gè)上半采用分散加工水平中分面的工藝方案。

2.2.5 下半水平中分面加工方式的確定

（1）下半水平中分面分散加工方案

分析加工圖可看出，下半端部、中部各自分開(kāi)加工，工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，單缸加工精度均能做到圖紙要求，四缸連接后會(huì)因各缸垂直接配面與水平中分面垂直度累積誤差，出現(xiàn)下半整缸狀態(tài)的水平中分面是折面，扣合上半后水平中分面間隙將達(dá)不到圖紙要求。

（2）下半水平中分面集中加工方案

下半各缸先各自加工準(zhǔn)垂直接配面和該面上的螺栓孔、定位銷孔，水平中分面留5 mm精銑余量，四缸接配后再上龍門銑按工作狀態(tài)裝卡，整缸加工水平中分面，這種加工方式可確保水平中分面平面度和間隙完全符合圖紙要求，見(jiàn)圖2。為保證左右中部等寬，將兩個(gè)中部同時(shí)裝卡于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)3次，僅一次裝卡便完成兩垂直接配面的精銑和該面上的螺栓孔、定位銷孔的加工以及兩水平中分面的半精銑，同時(shí)還很好地保證了形位及尺寸公差要求，見(jiàn)圖3。

圖2 龍門銑加工下半水平中分面

圖3 鏜床加工中部接配面、水平中分面

比較兩個(gè)加工方案，選取整缸加工下半水平中分面的工藝方案。

2.2.6 上下半汽封檔加工方案

分拆汽封檔技術(shù)要求、缸的總裝狀態(tài)、設(shè)備加工能力，確定按總裝和電廠安裝方式加工汽封檔。相關(guān)加工過(guò)程為：下半整缸合銑水平中分面→用上半號(hào)劃下半水平中分面各連接孔→上下半合并→鉆鉸水平中分面銷孔→裝定位銷→六缸把合上鏜床→按相關(guān)要求合鏜汽封檔，見(jiàn)圖1。

3 精度保證措施及加工結(jié)果

3.1 上下半水平中分面的精確劃線

劃線前，松開(kāi)焊接序保留的工藝?yán)?，讓工件在自由狀態(tài)下劃線，為保證水平中分面無(wú)扭曲變形，劃線工序有負(fù)荷分配工步，其主要過(guò)程及相關(guān)要求如下。

要求劃線平臺(tái)水平精度0.05 mm/1 000 mm×1 000 mm， 0.20 mm×0.15 mm/13 000 mm×7 500 mm，劃線高度尺精度0.05 mm，測(cè)力計(jì)精度0.1 kN。在劃線臺(tái)上，工件水平中分面向下，四角左右對(duì)稱位置支測(cè)力計(jì)，分配好中分面加工余量后，記錄各測(cè)力計(jì)的值，根據(jù)測(cè)力計(jì)的值和支點(diǎn)位置計(jì)算出工件重量和重心位置，再將重力反算到四角，由于工件對(duì)稱，一般情況下：PA1≈PA2①PB1≈PB2②PA1＋PB2≈PA2＋PB1③。

當(dāng)工件不對(duì)稱時(shí)，四角支力差值較大，取其計(jì)算值，見(jiàn)圖4。

圖4 整缸中分面輪廓示意圖

3.2 上下半撓度變形的控制方法

由于上下半各缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是下半四缸接配后缸的結(jié)構(gòu)變得更為特殊，加之毛坯制造存在誤差，在加工中一般用三點(diǎn)支撐法來(lái)減小撓度變形。

以缸的寬度方向?yàn)槔?，介紹三點(diǎn)支撐法。汽缸兩支點(diǎn)間撓度變形的力學(xué)模型如圖5所示，支兩端撓度曲線為a，向下最大撓度變形Ya一般在中點(diǎn)處。在B1、B2兩點(diǎn)間的中點(diǎn)用千斤頂緩慢上頂， 直至 PB1和 PB2＞0～＜0.3 kN， 或不用測(cè)力計(jì)將其換成監(jiān)百分表并指針對(duì)零，百分表表值＞0～＜0.02 mm即停止上頂，此時(shí)得到另一條撓度曲線b，向上最大撓度變形Yb一般在中點(diǎn)處。同時(shí)上頂前在中點(diǎn)部位監(jiān)上百分表，上頂后表的變化量即為總的撓度變形Ya+Yb，按材料力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算Ya∶Yb=5∶8，故消除中點(diǎn)部位撓度，理論上頂值為 （Ya+Yb）5/8。針對(duì)不同情況，中點(diǎn)部位上頂量的取值范圍在＞（Ya+Yb）/2～＜（Ya+Yb）5/8之間選取。這種方法簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用。

圖5 汽缸撓度變形示意圖

3.3 水平中分面垂直接配面加工刀具及切削參數(shù)選擇

3.3.1 刀具的選用

工件材料為Q235-B，考慮到工件剛性差，加工面大，平面度、粗糙度要求高的特點(diǎn)，同時(shí)為了減少機(jī)床的占用時(shí)間，在選擇刀具時(shí)做到：（1）效率高；（2）切削力小， 尤其是軸向力；（3）有良好的抗振特性；（4）高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度、韌性好、耐用度高；（5）切削時(shí)磨擦系數(shù)小，有利于提高表面粗糙度；（6）有良好的抗粘結(jié)性能，粘結(jié)磨損??；（7）化學(xué)穩(wěn)定性好，擴(kuò)散磨損??；（8）高溫特性優(yōu)良；（9）性價(jià)比合理。

日本三菱公司SE445-315C14R銑刀盤本體、SECN1203AFTN1/NX2525粗銑刀片、WEC42AFTR5C/NX2525精銑刀片特性分析如下：

（1）刀盤加工直徑Φ315 mm，14個(gè)切削齒非等距分布，切削時(shí)不會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)；

（2）使用時(shí)，刀盤可分別裝粗精銑刀片，即粗精加工合用一個(gè)刀盤。精銑切深控制在0.03～0.05 mm，一般不超過(guò)0.10 mm；

（3）精銑刀片前角13°、后角7°，切削力小，尤其是軸向力，切削時(shí)工件變形小、不易產(chǎn)生振動(dòng)；

（4）精銑刀片修光刃刃形為圓弧，半徑R500 mm，修光刃長(zhǎng)，加工表面粗糙度高，平面度好，參見(jiàn)圖6；

圖6 刀盤及精銑刀片切削刃示意圖

（5）粗精刀片均為陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性、摩擦系數(shù)小、抗粘結(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)，不易產(chǎn)生積屑瘤，切削輕快，高溫性能、化學(xué)穩(wěn)定性能好，可長(zhǎng)時(shí)間工作，最高切削速度可達(dá)750 m/min，加工效率極高。隨著切削溫度的增加，刀片的強(qiáng)度、韌性不但不會(huì)下降，反而略有提高，在高溫下已接近硬質(zhì)合金水平；

（6）抗振效果優(yōu)良。

通過(guò)分析，決定選用該刀盤。

3.3.2 切削參數(shù)的選擇

先留一定余量，用試切法來(lái)選擇切削參數(shù)，由于工件剛性差，為減小切削力帶來(lái)的加工振動(dòng)，將粗精銑分開(kāi)。

3.4 上半垂直接配面與水平中分面垂直度的保證方法

圖7是鏜床加工垂直接配面的工位情況，加工水平中分面的工位為垂直接配面向下，水平中分面向鏜床主軸。

圖7 鏜床加工上半垂直接配面

加工垂直接配面時(shí)，采用8杯水連通水平測(cè)量工具來(lái)調(diào)整中分面水平。

3.4.1 水連通水平測(cè)量工具測(cè)量原理介紹

加工八件材質(zhì)為鋼件等高允差為0.005 mm的水杯，各自用透明膠管與一個(gè)稍大的灌水杯相連，將水杯置于被測(cè)平面上，水面穩(wěn)定后，用深度千分尺測(cè)量水面到杯口的深度，比較各杯的差值，即為被測(cè)部位的水平精度，超差時(shí)調(diào)整被測(cè)部位高低。

3.4.2 上半水平中分面找平方法

考慮到水平中分面變形和機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際水平精度較差等情況，先按圖7粗找中分面水平。精找時(shí)，將八個(gè)水杯置于水平中分面四角和汽封檔四拐角支點(diǎn)旁的工作臺(tái)上，用內(nèi)徑千分尺測(cè)量水杯杯口到水面和杯口到水平中分面的尺寸，相加即為支點(diǎn)處中分面的水平精度。調(diào)完支點(diǎn)后，要求八個(gè)支點(diǎn)的等高允差＜0.05 mm，由于上半合缸時(shí)要求有上張口，故0.05 mm的誤差趨勢(shì)靠垂直接配面低，汽缸端頭高來(lái)調(diào)。

3.5 汽封檔加工精度保證方法

下半四缸組合狀態(tài)，按圖2在龍門銑精銑下半水平中分面時(shí)，順便在汽封檔內(nèi)孔和中分面法蘭四角給合鏜汽封檔工序加工出找正基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)。上下半六缸組合后置于鏜床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，按水平中分面和基準(zhǔn)找正加工即可，見(jiàn)圖1。

3.6 加工結(jié)果

各加工尺寸、形位公差、表面粗糙度等均符合設(shè)計(jì)要求。特別是合缸后，上半垂直接配面上張口值＜0.15 mm，下張口＜0.08 mm，自由狀態(tài)中分面間隙小于0.10 mm。

4 結(jié)論

本文介紹的低壓外缸加工技術(shù)，不僅能保證單半汽缸的加工精度，而且更能保證合缸精度。在工序安排上，靈活地將整缸與分缸加工相結(jié)合，并將總裝過(guò)程全部分散到加工工序中，縮短了生產(chǎn)周期，降低了生產(chǎn)成本，其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果良好，具有很好的推廣價(jià)值。同時(shí)，本文所介紹的加工技術(shù)也為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度高、剛性差的大型裝焊件、鑄鍛件的加工提供了先進(jìn)的工藝方法，目前在制的華龍一號(hào)低壓外缸正按本文介紹的加工方法順利加工。