楊太龍 曾小康

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

引進(jìn)型的G6.6-0.78型鍋爐給水泵汽輪機(jī)采用了先進(jìn)的鍋爐新汽源內(nèi)切換 （簡稱新氣內(nèi)切換）方式，在汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)噴嘴室內(nèi)設(shè)置了單獨(dú)的高壓噴嘴組，來自鍋爐的高溫 （535℃）、高壓（17MPa）新蒸汽直接通向汽輪機(jī)的前汽缸蒸汽室內(nèi)的高壓噴嘴組。由于高壓噴嘴組要承受較大的熱應(yīng)力和熱沖擊，因此，對高壓噴嘴組的制造提出了很高的要求 （見圖1）。為實(shí)現(xiàn)高壓蒸汽在噴嘴組各汽道內(nèi)膨脹作功，提高汽輪機(jī)的熱效率，設(shè)計在汽道的喉部處增大了膨脹口徑和過渡圓弧，而在膨脹口徑過渡圓弧處的表面精度特別高。由此給噴嘴組的制造帶來了很大的難度。據(jù)了解，就此種結(jié)構(gòu)的高壓噴嘴組在原公司生產(chǎn)制造也相當(dāng)困難。該公司制造這種噴嘴組是在專用的設(shè)備上，利用氣動夾具來實(shí)現(xiàn)各汽道的型腔加工。東汽制造引進(jìn)型高壓鉆孔噴嘴組的工藝方案與國外不同，針對這種噴嘴組的制造難點(diǎn)，進(jìn)行了工藝分析，在消化國外的加工工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合東汽的多年制造汽輪機(jī)高壓噴嘴組的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，合理地設(shè)計出噴嘴組制造工藝規(guī)程及合理的工藝裝備來滿足汽道型腔的加工要求。

圖1 噴嘴局部詳圖

1 工藝分析

圖2 噴嘴組外形圖

該噴嘴組是由12個節(jié)距相等的汽道組成，這12個汽道分別均勻地分布在噴嘴環(huán)的節(jié)圓上，如圖2所示。其中，對于單個汽道來講，是由進(jìn)汽孔、出汽孔、喉部內(nèi)脹口及過渡圓組成，材料是1Cr11Mov合金鋼鍛件。

1.1 汽道內(nèi)擴(kuò)脹型腔加工工藝分析

由圖1可知，噴嘴組的加工要求如下：

汽道節(jié)距 （進(jìn)汽口邊的基準(zhǔn)）：

汽道內(nèi)擴(kuò)脹口徑：

汽道型腔處過渡圓弧：

汽道型腔喉部直徑：

出汽邊傾角：

進(jìn)汽孔直徑：

綜上所述，加工這種鉆孔式噴嘴組的關(guān)鍵是12個汽道的尺寸精度、形狀精度及表面粗糙度。該噴嘴汽道制造的難點(diǎn)還是在進(jìn)汽孔和出汽孔的過渡部分，針對此難點(diǎn)我們擬訂出幾套工藝方案，其分析如下：

第一套方案：

在工藝規(guī)程編制中設(shè)計微型可調(diào)鏜刀，分別在鏜床上利用機(jī)床平旋盤刀架走偏心來實(shí)現(xiàn)汽道型腔，限于汽道出汽孔之直徑太小，刀架不能進(jìn)刀，刀具調(diào)整困難，由此判定此方案是不可行的。

第二套方案：

針對汽道型腔內(nèi)的結(jié)構(gòu)限制，考慮到加工精度高，而且有利于排屑，我們進(jìn)行工藝分析中設(shè)制了一套反拉刀桿和成型刀具。其中，成型刀具的幾何形狀與汽道內(nèi)腔過渡圓弧的形狀完全一樣。將噴嘴組裝夾于鏜床設(shè)備中進(jìn)行反拉汽道的型腔，限于噴嘴汽道進(jìn)汽孔較小 （d=Φ31mm），而成形刀片裝夾困難，單刀片刮出的質(zhì)量也滿足不了設(shè)計要求，由此可見，該方案也是不可取的。綜上所述，要想實(shí)現(xiàn)汽道型腔的加工關(guān)鍵是刀具的設(shè)計結(jié)構(gòu)問題。在上述兩個方案的基礎(chǔ)上，我們設(shè)制了一套反拉成型锪刀及锪刀桿，從而解決了刀具的裝夾和汽道型腔的加工要求。

1.2 汽道出汽孔工藝分析

在噴嘴組出汽邊 （出氣孔）處的節(jié)圓上，如圖1，汽道出汽孔中心線與出汽邊平面有15°傾角要求，其傾角對應(yīng)的出汽孔直徑很小 （喉部直徑dm=Φ13.7mm），相應(yīng)的深度過長。對出汽邊斜孔鏜削加工時，需要一定長度的專用刀具方能加工出斜孔 （出汽孔）。如果選用的刀具長度過長又必然要降低鏜刀桿的剛性，刀具在受力過程中必然會使刀桿的中心偏離工件的鏜孔中心，造成噴嘴組的出汽孔中心與噴嘴組的節(jié)圓中心不重合現(xiàn)象。根據(jù)材料力學(xué)理論分析，當(dāng)?shù)毒叩膽冶奂娱L，切削力（P）使刀桿產(chǎn)生較大的變形量，此變形可近似地看成均布載荷的彎曲，如圖3所示，其變形為：

式中：

q—載荷集度；

E—彈性橫數(shù)；

J—慣性矩；

L—刀具的伸長量。

圖3 刀桿變形示意圖

經(jīng)分析可知，如刀具的刀桿加長，剛度降低，最終使噴嘴組各汽道的出汽孔質(zhì)量難保證。對此，我們在設(shè)計刀具時首先要考慮到如何提高刀具、刀桿的剛性問題。

2 噴嘴組汽道部分加工

針對上述加工工藝分析中所提及的問題，在進(jìn)行工藝設(shè)計中分別設(shè)置出進(jìn)汽孔的偏心鉆模，15°傾角孔的鏜孔夾具及R4.5過渡成型锪銑刀、刀桿以及螺旋復(fù)合鉸刀等。為突出本文重點(diǎn)，主要介紹15°傾角鏜孔和過渡R4.5成型锪刀的工裝設(shè)計意圖，使用原理及噴嘴組的制造工藝。

2.1 工藝裝備設(shè)計

2.1.1 15°傾角 （出汽邊斜孔）鏜孔夾具

設(shè)計該夾具的目的主要是解決噴嘴組制造中兩個難點(diǎn)：一是解決汽道分度；二是解決出汽邊斜孔加工。該夾具的使用原理如圖4所示，圖中件號4是內(nèi)弧板，其主要功能解決噴嘴組外圓面定位和支承；圖中件號2（導(dǎo)向鏜模塊）具有兩方面的功能，一是確保噴嘴定位 （端面），另一方面是彌補(bǔ)因出汽孔過深而引起刀具和刀桿的剛性不足。因?qū)蚰K的作用，使得刀桿的剛性有了較大的改善，從而解決了上述工藝分析中所存在的問題。該裝備采用預(yù)先精加工的進(jìn)汽孔分度，圖中件號8（定位銷）定位，各汽道節(jié)距精度控制在0.05mm內(nèi)。在夾具的使用中，先將工件裝夾在工裝的內(nèi)弧板中，要求工件的外圓及工件的出汽邊與夾具的內(nèi)弧板、導(dǎo)向模塊的定位面緊貼，不允許有間隙 （用塞尺檢查，0.015mm不入）。由定位銷插入工件的進(jìn)汽孔內(nèi)，待工件定位后用壓板緊固。然后將工件和夾具體同時置于鏜床設(shè)備的工作臺面上，利用百分表校正導(dǎo)向鏜模塊傾斜 （A基面），同時調(diào)整機(jī)床主軸與鏜孔夾具的相對位置，用 “T”型螺栓緊固夾具的底板 （圖4中件6）。噴嘴在加工過程中，當(dāng)?shù)谝粋€汽道加工完畢后先抽出定位銷 （圖4中件號8），然后工件沿著夾具的內(nèi)弧板移動一個節(jié)距，緊固壓板，依次逐一分別進(jìn)行其余汽道的型腔加工。該工裝經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用，其效果很好，適合批量生產(chǎn)、裝夾可靠、分度精、操作方便。

圖4 鏜孔夾具

2.1.2 成型锪刀及锪刀桿的設(shè)計

針對汽道喉部膨脹口和過渡圓弧的設(shè)計要求，我們設(shè)計了一套反拉成型锪刀及锪刀桿，如圖5所示，锪刀的切削刀型線和刀具直徑與工件汽道的過渡圓 （R4.5）完全一致。為提高汽道的加工精度，刀具的切削刃選用了四個齒。圖5（b）中，锪刀內(nèi)孔采用了兩種結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)孔的圓柱面部分 （Φ8H7）保證刀具與刀桿的定位，在圖中銑扁平 （5mm）用于傳遞切削扭矩。在圖5（a）中，刀桿的前端由四個部分組成，圓柱面部分是刀桿的導(dǎo)向和支承，Φ8H7圓柱面是與刀具內(nèi)孔定位部分；5mm （45°）斜面， 見圖 5（a）“B-B”圖，該面是與刀桿對稱中心線傾斜45°角，其主要目的用于傳遞扭矩及確保刀具的自鎖；5mm扁平部分還承受著刀具的軸向拉力。本文這套刀具在使用過程中，先將R4.5成型锪刀按照工件汽道的加工位置裝入至噴嘴組進(jìn)汽孔內(nèi)，將锪刀桿伸入預(yù)先已經(jīng)預(yù)加工的出汽孔內(nèi)，移動主軸，并保證锪刀桿與刀具內(nèi)孔 （定位面）對準(zhǔn)，人工將锪刀桿繞刀具內(nèi)孔中心旋轉(zhuǎn)45°，那么，刀桿的扁平部位5mm （見圖5（a）“C-C”圖）伸出成型锪刀的后端面外，同時使其與刀具的后端面貼緊。借助機(jī)床主軸的軸向的拉力，使成型锪刀與刀桿鎖緊，此時刀具相對于刀桿的配合面已不能轉(zhuǎn)動。在工件進(jìn)行加工中，由于機(jī)床主軸的軸向拉力和扭矩的作用，成型锪刀實(shí)現(xiàn)了反拉切削。若第一個汽道加工完畢后，需要退刀時，把锪刀桿沿著锪刀中心反轉(zhuǎn)45°，使刀桿向刀具的后端面退出一小段距離，對準(zhǔn)刀具的定位孔，機(jī)床主軸退回至原工作前的位置，便可消除锪刀與锪刀桿的自鎖。由此可見，由于有了這套刀具，經(jīng)現(xiàn)場使用驗(yàn)證，解決了刀具的裝夾問題及工件的加工要求。

圖5 成型锪刀及锪刀桿

2.2 鉆孔式高壓噴嘴組加工工藝簡介

根據(jù)高壓噴嘴組設(shè)計要求，我們設(shè)計出合理的工藝規(guī)程，現(xiàn)介紹如下：

（a）粗車：在立車上粗車毛坯 （鍛），單面留5mm余量。

（b）超聲波探傷，檢驗(yàn)工件毛坯有無裂紋。

（c）熱處理：調(diào)質(zhì)。

（d）精車：工件調(diào)質(zhì)后上立車進(jìn)行精加工，按設(shè)計要求先將其工件的內(nèi)外圓及厚度尺寸加工出來。

（e）平磨：以噴嘴組的出汽邊為基準(zhǔn)，平面磨床磨削工件的進(jìn)汽邊，以后作基準(zhǔn)用，磨削量不大于0.3mm。

（f）鉆削：工件上鉆床，用偏心鉆模 （鉆模工裝）將其各邊汽孔分別鉆、鉸出來。

（g）鏜削：該工序是制造噴嘴組最關(guān)鍵的一道工序，工件上鏜床，利用鏜孔夾具 （見圖4），成型锪刀及锪刀桿 （見圖5），復(fù)合鉸刀等工藝裝備來完成噴嘴組各汽道的加工。

（h）劃線：劃噴嘴組兩端輻射面。

（i）銑削：上銑床按劃線銑準(zhǔn)兩端輻射面。

（j）鉗工：利用專門設(shè)制的拋光砂輪將其工件的各個汽道、出汽孔、進(jìn)汽孔全部拋光，并滿足圖紙要求。

3 結(jié)束語

就本文所介紹的這種鉆孔式高壓噴嘴組汽道型腔而言，在國內(nèi)同行業(yè)中屬首次采用。盡管這種汽道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度較大，我們通過設(shè)計專用工藝裝備及合理的工藝規(guī)程實(shí)現(xiàn)了高壓噴嘴組的汽道型腔加工，最終滿足了設(shè)計要求。但是，針對該噴嘴汽道型腔的檢測問題還有不完善之處，有待我們?nèi)ミM(jìn)一步探討，尋求先進(jìn)可行的檢測手段。

[1]崔志勛,等.機(jī)床夾具.北京：科學(xué)技術(shù)出版社,1985

[2]楊叔子,等.機(jī)械加工工藝師手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

[3]孟少農(nóng),等.機(jī)械加工工藝手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991