加工水輪機葉片高效刀具的研究及應用(共5頁)

1、 加工水輪機葉片高效刀具的研究(ynji)及應用 發(fā)布: 2007-7-06 14:02 | 作者(zuzh): 文章作者 | 來源: 網絡 | 查看: 15次 關鍵詞：水輪機葉片加工 高效(o xio)刀具1引言大型水輪機轉輪葉片采用不銹鋼材料，形狀為復雜三維曲面，材料難加工且其制造精度要求高。水輪機葉片制造長期采用砂型鑄造，經手工鏟磨成型的工藝方法；近年來發(fā)展了葉片模壓成型后鏟磨；模壓成型后加工和鑄造成型后數控加工的技術。數控加工葉片對機組的效率等水力性能有直接的影響，國外也僅有法國阿爾斯通、德國沃依滋公司等對此項制造工藝成熟。我公司為葉片的數控加工，先后引進了五軸數控鏜銑床和五軸數控龍門

2、銑床及編程軟件，并專項對葉片測量、工藝裝夾、自動找正、編程、刀具系統等進行了深入的研究，已完成了混流式及軸流式水輪機葉片的數控加工。作為當今國際混流式水輪機單機容量最大的三峽水輪發(fā)電機組，單機容量70萬千瓦，三峽水輪機轉輪直徑9.8m，重450噸，轉輪上有15個葉片，每個葉片毛重約23噸。葉片采用X型曲面，輪廓尺寸長約5m，寬4m，葉片單面加工區(qū)域約23.2m，三峽葉片整臺加工需5個多月。因此面臨著的一個關鍵問題就是選擇高效的先進刀具和加工技術，減少生產周期，降低工時和刀具費用，提高葉片加工效率。2.葉片加工刀具狀況不銹鋼葉片加工刀具主要是面銑刀、螺旋立銑刀和球頭銑刀。國內近年來先進刀具和刀具

3、系統的國產化發(fā)展很快。葉片加工刀具關鍵是刀片的性能，在硬質合金刀片的發(fā)展方面，株洲、自貢等廠家在80年代末開始進行了技術引進，上硬、陜硬、牡硬等廠家刀片制造技術都有了提高。但目前在不銹鋼銑削上還存在刀片切削效率低、刀片壽命短的問題，與國外有很大的差距，取代國外刀片尚任重道遠。國外在不銹鋼加工刀片方面進行專項研究和發(fā)展，通過添加稀有金屬改變成份，如添加少量碳化鉭（TaC）、碳化鈮（NbC）、碳化硌（Cr3C）等可提高合金的硬度而不降低其韌性；國外60年代末發(fā)展超細晶粒合金，近年向納米級發(fā)展，晶粒尺寸可達0.21m，使其保持合金硬度又達到相當高速鋼的韌性；采用先進燒結和壓制技術；在PVD、CVD氣

4、相沉積涂層技術方面，采用多層、多材質的復合涂層，90年代初如Hertel、Ingersoll公司又發(fā)展了中溫涂層技術，在合金基體上涂覆碳化鈦（TiC）、氮化鈦（TiN）、三氧化鋁（Al2O3）等耐磨性高的難熔金屬材料；根據斷屑、排屑、切削力變化對刀片槽型進行的研制，都極大地改善了切削性能，使得刀片耐用度大幅度提高，是國產刀片壽命的幾倍、十幾倍。山特維克公司2025系列牌號和M-Line槽型系列，以色列ISCAR波形刃槽型刀片，瑞典SECO公司的八角形刀片及日立CY250等都很有特色。3.水輪機葉片(ypin)不銹鋼材料加工特性分析葉片(ypin)材料為ZG0Cr13Ni5Mo，屬馬氏體不銹鋼。

5、該材質經淬火、回火具有較高硬度、強度、耐磨性和抗氧化性能。在退火狀態(tài)下，具有一定的塑性和韌性。由于含有46%Ni的13CrMo鋼不僅具有良好的綜合機械性能、低溫韌性、斷裂力學性能和水下疲勞性能，還具有良好的可焊性和抗磨蝕性能，因此廣泛地用于水輪機部件，并作為三峽機組葉片的選材。該材料應用在水輪機轉輪上，采用不含鐵素體的低碳板條狀馬氏體不銹鋼，通常采用二次回火熱處理，工藝硬度約280HB。為提高抗泥砂磨損性能，希望更高的硬度，焊后硬度更高達330HB左右(zuyu)，而馬氏體不銹鋼材料硬度愈高愈難加工。經二次硬化回火后該材料機械性能見表1。表1：s（MPa）b（MPa）s（%）（%）AK-2v（

6、J）HB9559871080110013.51550524042310金屬材料的切削難易程度用可切削性能指標來衡量，主要是刀具的耐用度、切削力和切削溫度、加工表面質量、切屑的控制和斷屑。以45鋼的切削加工性作為1，不銹鋼的可切削性在0.30.55之間。不銹鋼材料加工特性如下：(1)切削變形大：不銹鋼塑性大,有的延伸率達40%，且摩擦系數小。導致切削時刀具磨損加劇，不易斷屑。 (2)切削硬化大：由于塑性變形大，晶格產生嚴重扭曲，在高溫和應力作用下，金相組織發(fā)生變化，導致材料表面強化，硬度提高。切削后不銹鋼硬化程度可達240%320%，硬化層深度可達切削深度的1/3。(3)切削力大：塑性變形使切削

7、力增大，也引起刀具振動、破損。不銹鋼的切削力比普通鋼材提高25%以上。不銹鋼高溫強度高，合金中含有許多高熔點、高激活能的組元，原子結構非常穩(wěn)定。據資料顯示在500時45鋼的b為68MPa，而1Cr18Ni9Ti為500MPa。(4)切削溫度高：由于材料強度高、切削力大，產生熱量多，且導熱性能差，熱量不易散發(fā)，因此刀刃上溫度較高，并易形成積屑瘤。45鋼的導熱系數=50.24W/（m）,而1Cr18Ni9Ti的=16.3W/（m），45鋼的切削溫度常在600以下，而1Cr18Ni9Ti有時達800900。(5)刀具易磨損：除粘結磨損外，不銹鋼合金中的硬質化合物及嚴重的加工硬化極易造成刀具的磨料磨損

8、，磨損形式常為邊界磨損和溝紋磨損。前者是待加工表面的冷硬層造成的，后者是已加工表面的加工硬化層造成。(6)加工表面精度不易保證：加工中易產生積屑瘤，使刀具實際前角和切削力發(fā)生變化，切屑(qi xi)多呈擠裂狀，使加工表面粗糙度Ra增大。切削溫度高而導熱性差，使工件產生熱變形，加工精度不易保證。4.刀具磨損(m sn)分析研究不銹鋼材料加工變形和觀察切屑形狀，有助于分析刀具磨損(m sn)及切削力的變化情況。不銹鋼材料切削產生不同的切屑，可分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎狀切屑。形成帶狀切屑時，切削力平穩(wěn)、加工表面粗糙度好。產生節(jié)狀和粒狀切屑，表明切削力有波動，可通過增大前角(或切削速度)，減小塑性變

9、形，使其順暢排出。產生崩碎切屑是不經塑性變形即突然崩裂，此時作用在刀具上的應力和熱量都集中在刃口上，刀具易損壞。對于不銹鋼葉片的加工，切屑與前刀面的粘結是刀具主要的磨損形式。切削開始前刀面就受到激烈摩擦，隨著切削過程的不斷進行，刀具表面的精化層被磨掉，由于硬質合金粘結相Co的活化能很低，與不銹鋼中的Fe、Ni同屬于鐵系元素，它們之間有很強的親合力，又加上不銹鋼導熱系數低，高溫強度高，易產生較大的切削力和切削溫度，因此刀具表面與被加工材料之間產生粘焊狀態(tài)。現在葉片大都是鑄造成型后再進行數控加工，鑄造質量對刀具影響很大，“鋼包砂”狀況直接引起刀片的崩碎。在不銹鋼銑削中，同時還受到斷續(xù)切削的振動沖擊

10、、熱應力、熱沖擊以及擴散磨損的作用，使產生剝落和崩刃等破損現象。5.葉片刀具的開發(fā)及應用5.1 面銑刀面銑刀結構按刀片的安裝方式可分為平裝和立裝方式。平裝方式由德國瓦爾特公司（WALTER）較早采用，而立裝則由德國英格索爾公司（INGERSOLL）推出的。平裝方式具有刀片安裝前角大、容屑槽大的特點，立裝方式具有刀片抗壓、抗沖擊，適于重型切削的特點。經與哈理工大學、哈工量刀具廠、綿工工具廠合作研制了不銹鋼葉片加工平裝刀片結構面銑刀。（1）刀片夾緊方式刀片夾緊方式有前、后壓塊式、楔塊可調式、偏心、杠桿、螺釘壓緊和彈性夾緊等方式。基本要求裝夾方便、夾緊牢固、定位精度高、結構簡單和易于排屑。葉片面銑刀

11、選用壓塊式夾緊方式，不但有較大的容屑槽且對刀片的精度要求低，通用性強。（2）銑刀幾何角度的選擇面銑刀按前角可分為雙負前角、雙正前角和正負前角面銑刀?！捌呶濉逼陂g國內重型機加行業(yè)和工具廠家開始研究重型切削刀具，開發(fā)了軸向和徑向前角取負值的雙負前角面銑刀。實際證明，電站設備制造不同于重機廠家鑄鍛件的重型加工，在大型組焊構件和零部件加工時應用“重型切削面銑刀”是個誤區(qū)。雙負前角面銑刀易產生切削振動，使加工表面粗糙度差、刀具易崩損。選軸向、徑向前角為正值，增大前角，可減小切削力、減小振動，達到高精度和高速切削的要求。經試驗，優(yōu)選徑向前角f=02，軸向前角p=912。 面銑刀(x do)主偏角有4590

12、幾種。不同主偏角影響切削受力方向和實際切削深度。另外，面銑刀的主偏角不同，其刀片磨出的修光刃也不一樣，在生產中操作者不了解(lioji)或不注意不同主偏角刀片修光刃的差別，可以說處于混用狀態(tài)。優(yōu)選75主偏角，并推廣(tugung)到全廠在加工其它部件時使用，減少了刀片不合理使用所造成的損失。后角選小值可增加刀齒強度，但葉片材料韌性大，為減小后刀面與已加工表面的摩擦，后角宜選大些，取后角=79。面銑刀后角是由刀體設計的安裝后角和刀片的后角形成的，刀片的后角系列有025，考慮到刀片的強度和安裝角的限制，選刀片后角=11。（3）銑刀齒距分布選用不等齒距分布，對減小切削振動有較好效果。5.2 專用面銑

13、刀葉片曲面加工區(qū)域大，鑄造型面加工余量為070mm，粗銑時產生程序空運行狀況。購自德國瓦德利希.柯寶公司的龍門銑床配置了目前世界上功率最大的數控銑頭，為實現大切深、大進給提供了條件。與哈理工大學、綿工工具廠合作研制了雙層刃階梯刀齒結構的專用面銑刀，允許切深達20mm。5.3 螺旋立銑刀葉片進出、水邊和焊接坡口需用80、63螺旋立銑刀。國外刀具價格約1.72.7萬元/把，而國產螺旋立銑刀價格約是其1/41/8。我們與太原王牌工具廠合作研制了適于不銹鋼材料葉片加工的螺旋立銑刀，該刀具為平裝刀片螺釘夾緊結構。加深容屑槽、加大螺旋角，利于排屑和使切削輕快；銑刀的端部是參與切削最多的部位，也最易損壞，采

14、用可換頭的結構極大地延長了刀體壽命；改進可換頭設計，在底刃增大容屑空間和副后角，避免了常見的堵塞積屑而打刀現象；端刃改2刃為4刃切削，極大地改善了此部位最易損壞的狀況；周刃采用方刀片由轉位2次增為4次，提高了刀片的利用率。5.4 球頭(qi tu)銑刀軸流式水輪機葉片的法蘭根部曲面加工采用球頭銑刀。該刀具球頭中心部位切削(qixio)速度趨于零，切削狀況惡劣，易產生切屑堵塞和刀齒崩刃。球頭銑刀國產化難度較大，現采用日立公司刀具。6.銑刀(x do)刀片的優(yōu)選刀片的切削性能對提高效率，降低刀具費用影響重大。通過試驗室試切和在生產中葉片的加工，試驗了國內株洲、自貢、上硬、陜硬等著名刀片制造廠家的M

15、2、YS25、SC30、YT535、YG546、YG532、P25、Y330、Y320等多種刀片牌號，也試驗了日立CY250、HC844，三菱UP20M、F620，瓦爾特WTA51、WTL71，山特維克4030、235，肯納K68，伊斯卡IC328等公司的10多種牌號，優(yōu)選了伊斯卡和日立公司的刀片，采用波形刃槽型的IC328刀片粗銑較好，CY250半精銑、精銑較好。兩種刀片價格中低位，耐用度優(yōu)異。7.結語五軸聯動數控加工葉片從裝夾、找正、編程、測量到優(yōu)選開發(fā)高效刀具、加工參量和加工技術都需不斷進行改進和創(chuàng)新，通過開發(fā)國產面銑刀和螺旋立銑刀，優(yōu)選刀片牌號，選定合理的銑削工藝和切削參量，全臺加工生產周期由6個半月