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1000MW超超临界阀杆以车代磨

2019-03-28 00:00510

摘要:本文从GH901高温合金的材料加工性能方面着手,分析了阀杆的产品特点以及加工重难点,通过大量的工艺试验,验证了高温合金阀杆的以车代磨的可行性,保证了产品的正常产出,同时为常规机组的阀杆的加工提供了一个新的思路,为1000MW超超临界机组阀芯零件的国产化作出了重要贡献。

1 研究目的

1000MW超超临界机组阀芯零件中主汽阀杆材料为GH901,该种材料含有较高的Fe、Ni+Cr合金、Cr、Mo、Ti等合金元素,属于铁基高温合金,其力学性能和化学成分略。
GH901材料的HB≥341(HRC36.6),在650℃以下具有较高的屈服强度和持久强度,760℃以下抗氧化性能良好,长期使用组织稳定,广泛用于制造650℃以下工作的航空发动机及燃气轮机的转动部件、静结构件、紧固件等零部件。其被加工表面塑性变形大,硬化严重,这些均导致加工过程切削力大,切削温度高,易形成积屑瘤,被加工表面出现硬化,切削刀具易磨损、耐用度低等问题。
 


图1 阀杆示意图

  1. 1000MW超超临界机组主汽阀杆结构特点
  2. 1000MW超超临界机组阀杆属于氮化阀杆,总长度为2300mm左右,外径尺寸分别为Ø140-0.715-0.690和Ø118-0.80-0.77,弯曲度要求控制在0.05mm以内。
  3. 阀杆的加工难点
  4. 该种阀杆的长径比最大超过了10,属于典型的细长杆,总长度已超出了加工车间磨床的有效加工长度,而另一加工车间的磨床因长年未使用,其加工精度已无法恢复。因此该主汽阀杆外圆尺寸的加工成为该零件的加工难点。

2 研究方法

因我公司中小件加工单位的数控机床的普及,为加工主汽阀杆提供了良好的设备基础,根据长阀杆类零件的加工经验,我们初步的考虑方案为在数控卧车上进行以车代磨,但相应的带来了刀具的选择的问题,原来加工GH901阀杆所用的刀具是否能有效地满足加工要求,需要在实际加工试验中验证。
  1. 磨削试验
  2. 为验证M1350A×3000的外圆磨床磨削GH901长阀杆的方案可行性,我们先对磨床的精度进行了检查和修复,并在其上进行了磨削试验,结果使阀杆的弯曲程度最大达到了近0.20mm,阀杆根本无法磨圆,最终放弃了该套方案。
  3. 车削试验
  4. 我们采用的机床是沈阳第一机床厂的经济型数控车床(从机床加工范围来看,能满足加工要求),该机床由于加工产品结构多样,导致机床导轨磨损不一致,呈现微量的波浪型,从机床导轨的精度上来看,实际上是满足不了阀杆的加工要求的。
    1. 解决措施
    2. 为保证1000MW机组阀杆的加工精度和生产进度要求,首要问题是解决切削用刀具的问题,必须满足一个刀尖至少要满足在有效长度内完成切削,同时掌握其刀具的磨损规律,同时结合机床磨损情况,我们拟采用通过机床的数控程序进行补偿来达到要求。
       


      图2 加工状态图


      图3 最初试加工状态


      图4 最终精加工状态

    3. 刀具试验
    4. 因没有单独的试验材料,我们就直接在产品上进行加工试验,为保证产品不报废,我们将阀杆外圆余量单面留0.5mm进行精车试验。
      结合我们原来加工600MW超临界机组的相关经验,我们共选用了四种刀片进行了相关 的切削试验(试验结果略),最终选择了一种刀片作为加工该主汽阀杆的刀片,有效地解决了加工刀具的问题。
    5. 以车代磨试验
    6. 由于加工该阀杆的数控车床因加工产品结构多样,长短不一,造成床身导轨产生了不规则的磨损,加上刀尖的磨损,所以在加工中阀杆外圆产生了七段大小不同的锥度,见图3。根据这一现象,为了消除产生的锥度,采用了程序补偿,分段车削的加工方法,再经过多次试车削,找出刀片磨损的规律,有效地解决了阀杆外圆尺寸公差、外圆跳动以及弯曲问题,满足了图纸要求。

3 结果

经氮化前后外圆尺寸和弯曲度的检测和对比,外圆尺寸没有变化,弯曲度为0.025~0.05mm,满足了图纸要求,有效地解决了1000MW超超临界机组阀芯零件的加工难点,保证了产品装配进度要求。
该项目的研究成功,解决了GH901难加工高温材料切削加工中的难题,为1000MW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,实现了公司对于1000MW超临界机组阀芯零件国产化的要求,具有很高的技术水平。

4 结论

1000MW超超临界机组高效、节能汽轮机是我国今后汽轮机产品的发展方向,高温材料的使用将大大增加。通过试验研究,我们对GH901难加工高温材料的切削加工性能及加工工艺方法有了一定的掌握,为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,实现了公司对超超临界机组的国产化要求,此成果可推广应用到其他高温材料的生产。
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