吴天明先生是上海汽轮机厂副总工艺师, 刀具应用专家,为'上汽'的发展作出了重要的贡献. 他对如何使用好刀具有独特的研究.本文是他写的在汽轮机制造方面的先进刀具的应用经验,很有实用价值.

汽轮机制造技术及先进刀具应用技术 吴天明

前    言

       上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂（STP）是我国{dy}家汽轮机厂，也是我国机械工业的大型骨干企业，现是与德国西门子合作的中德合资企业。从1953年建厂开始，经过55年的艰苦奋斗，先后制造成功了亚临界125MW、300MW、600MW汽轮机，超临界600MW汽轮机, 超超临界660MW、1000MW汽轮机和 320MW核电汽轮机。

        目前，STP正在进行百万等级超超临界汽轮机、F级燃气轮机和百万等级核电汽轮机的三大战役，为提高中国电站设备的制造水平多做贡献。

１、汽轮机汽缸的制造技术

1.1　汽缸中分面的加工

　　汽轮机在工作时，要求汽缸中分面在蒸汽冲击下必须紧密贴合，不允许漏汽。因此，对汽缸中分面的要求非常高，表面粗糙度Ra=1.6μm, 自由合拢时，不允许塞进 0.05 mm塞尺。

　　传统的汽缸中分面的精加工方法通常龙门刨床上先刨削，然后装立式磨头通过精密磨削来实现，先磨削上半，然后依此为基准磨削下半，直至二半平度适当。这种工艺方法生产效率极低。
刚性好的高压汽缸采用英格索/哈一工6C2K、6C2L 60°面铣刀
刚性差的低压汽缸采用山特维克R260.7-400 45 °面铣刀

STP数控龙门铣、数控镗铣床等机床上广泛采用英格索/哈一工 6F2K型平面精铣刀进行汽缸中分面精加工，以铣代磨。该铣刀装有超精研磨而成的刮光刀片，切削刃为椭圆形，适用于大平面的精加工和高进给，切削深度仅为0.01~0.05mm，每分钟走刀量高达700—1000mm，表面粗糙可达Ra=0.8~1.6μm，xx符合图纸的要求。

1.2  汽缸各档内圆的加工

       传统汽缸各档内圆通常汽缸上下半并合后，在立车或车镗床上加工。汽缸在立车上装夹时，通过校验中分面上4只搭耳和校哈夫工具，以确保水平中分面垂直于立车转台和上下半圆相等。对无垂直接合面的汽缸则只能在车镗床上加工完成，但操作者必须钻入汽缸内腔操作机床，这种加工方法测量困难，操作不便。

         目前，STP对无垂直接合面的高中压汽缸采用两半分开、同时在数控龙门铣上加工，使用英格索MAX—I 三面刃可转位铣刀，进行Y、Z两轴联动、圆弧插补切削各档腰带内圆和平面。由于数控龙门铣机床X、Y、Z轴的精度误差仅为±0.005mm，精铣通常在2个小时内完成，温差不大，因此尽管汽缸是分缸加工，但合缸后，可确保汽缸上、下半的相对位置精度，长达4m多的两端汽封面轴向误差仅为0.02~0.03mm。

       2007年，购买了德国科堡的带立车转台、龙门移动的龙门铣床。这台机床连铣带车，可进行各种切削功能。       

可喜的是，目前所有英格索粗、精平面铣刀、 三面刃铣刀等，哈一工均可生产，甚至可生产非标铣刀，我们曾要求哈一工生产过φ900的三面刃铣刀和φ700的三面刃倒角铣刀，加工196低压内内缸，价格仅为进口的1/5。

目前，山特维克R260.7平面铣刀国内无厂商生产，但山特维克平面铣刀、英格索铣刀上的刀片国内刀具工厂如牡丹江、绵江、双流等都能生产，近几年，还开发了涂层刀片，切削性能可与进口刀片媲美，已全部国产化。

1.3  汽缸中分面螺孔的加工

       汽缸中分面螺孔的加工是加工技术中最困难的问题之一。传统加工方法一般使用开有沟槽的丝锥。由于不同尺寸的螺纹需使用不同尺寸的丝锥，因此丝锥加工具有制造成本高、生产效率低、工件表面粗糙度不易控制等局限性。

       目前，STC加工汽缸中分面螺孔主要采取以下3种方法：

1.3.1 专用数控旋风铣装置 

   数控龙门铣配备专用英格索NC120旋风铣装置，该装置能加工不同直径（30至120毫米）、不同螺距、左右旋以及公英制的螺纹。通过选用正确的调整块和适当长度的刀杆，就可获得所需准确的螺纹直径。切削时，机床主轴旋转会产生一个偏心运动，同时沿着螺距方向从孔底向上进给，这种方法，不会因铁屑影响加工。由于刀杆以每分钟1400rpm快速旋转在孔中切削，因此，在极短的时间内即可加工完螺纹，螺纹两侧面的表面粗糙度值可达Ra≤3.2μm。

1.3.2 数控机床三轴联动功能

     由于某些螺纹直径大于120mm，我们则利用数控龙门铣、数控镗铣床具有的三轴联动功能进行铣削的螺旋运动，通过改变刀补的大小，即可控制铣削的螺纹规格。切削动作与NC120装置相同，由下向上进行螺旋切削。使用三轴联动功能进行铣削的螺纹直径加工范围最小为M42，{zd0}则仅受机床Y轴范围的限制，我们曾在数控龙门铣上加工过M270×3的大螺纹。

     铣削螺纹刀杆有两种类型，一为整体型，即将锥柄与刀杆做成一体，装上旋风铣刀和刀片；二为ABS/国标TMG21接杆型，即锥柄与刀杆采用ABS/国标TMG21连接形式，这样可根据螺孔的深度和规格任意选择接杆的长短和直径，然后装上旋风铣刀。两者相比，显然后者更具灵活性。目前，哈量和哈一工都已生产

    国标TMG21接柄内螺纹旋风铣刀，可供选择的直径有25、32、40、50、63、80、100mm等多种规格。

       旋风铣刀片采用可转换刀片，刀片的切削部分通常为60°，有4个切削刀刃，能应用于各种螺距的螺纹切削。可转换刀片每齿的走刀量取决于刀柄直径与刀柄长度之比，一般选用{zj0}即最短比率。

1.3.3  内容屑丝锥

       内容屑丝锥在其前部开有一个足够大容屑空间的贮屑孔，其工作部份由三部份螺纹组成，在切削锥上的螺纹起粗切作用，圆柱上的间断螺纹起校准作用，圆柱上的完整螺纹起导向作用。即使在盲孔加工时，切屑被贮存在容屑孔内，切屑与被加工螺纹表面彻底隔离，因而排屑理想，使螺纹加工表面质量得以提高。

        为减轻关键数控机床的压力，我们在普通摇臂钻使用德国Noris公司的内容屑丝锥，曾一次攻削出M110×3的大直径内螺纹，工效高，丝锥使用寿命长。

1.4  汽缸台阶、直槽的加工

    在汽缸中分面压板槽、台阶、特殊形状的铣削上，我们推荐使用太原科锐的平装式可转位螺旋立铣刀（粗加工）、嘉兴恒锋的波刃或玉米型立铣刀（粗加工）和陕西硬质合金刀具公司的钎焊式硬质合金螺旋立铣刀（精加工）。

1.4.1 平装式可转位螺旋立铣刀

      该刀具具有可更换端齿头，切削力大，适用于加工钢、铸钢、铸铁等，是高效率粗加工、半精加工的刀具，在加工中刀片抗冲击力强，容屑空间大，出屑流畅。常用于直槽、台阶、特殊形状的铣削。

      铣刀类型分两种：直径φ50、φ63、φ80、φ100为整体式，直径φ80、φ100、φ125为套式。 

1.4.2 波刃或玉米型刃口的高速钢铣刀

       在汽缸中分面深度较深的压板槽等加工上，嘉兴恒锋工具厂的波刃或玉米型刃口的高速钢铣刀铁屑细小，切削力明显降低，不易断刃，因此可提高切削速度和走刀量，加工效率得到了2-3倍的明显提高。切削时必须配有充足的冷却液。

1.4.3 钎焊式硬质合金铣刀

      钎焊式硬质合金铣刀是在工具钢的基体上钎焊硬质合金，一般以螺旋立铣刀居多，使用于铸钢、高强度钢的半精加工和精加工。目前汽机、燃机车间应用于各种压板槽、键槽等加工。切削速度可高达60-90米/分钟，每齿进给量可选0.04-0.12毫米。满刃口切削性能佳，加工后槽子平行度好。

超超临界 1000MW汽轮机高压内缸导向槽

硬质合金堆焊后硬度达HRC52，立车根本车不动，用CBN刀片加工，由于夹杂焊珠，断续切削，易崩刃。

   邀请各刀具公司来攻关，{zh1}采取先把焊接表面打磨，然后上镗铣床用钎焊硬质合金铣刀插补加工完成。

1.5  汽缸深孔的加工

    在汽缸深孔的钻削上，我们推荐使用江西工量刃具公司的抛物线大螺旋角深孔钻，冷却液易冲到钻头，出屑顺利，钻深孔时不必反复进刀、退刀，可一次进刀钻削出长径比为20的深孔。

2、汽轮机转子的制造技术

 转子是汽轮机的“心脏”。它将蒸汽作用在叶片上的圆周力转换成旋转的机械能，并通过它带动发电机发出电能。

转子工作时以每分钟3000转高速运转，因此对转子的加工和动平衡质量要求很高。       

2.1 转子轮盘、轴承档的加工

STC在数控大车上加工300MW、600MW低压转子叶轮外圆和轮面时，使用美国肯纳刀具公司和株州硬质合金厂的菱形和正方形CVD（化学涂层）涂层刀片。

       轴承档是转子的关键部位，长度达400mm，退拔小于0.01mm，表面粗糙度要求Ra=0.4μm。因此要求刀具切削锋利。

        我们使用美国肯纳公司的φ20圆刀片（RCMT2006MO  KC850）。

2.2 转子纵树形叶根槽的加工

      STC制造的135MW、300MW、600MW高中压和低压转子广泛使用从美国西屋公司引进的P型、J型纵树形叶根，这类叶根公差要求紧，工作面轮廓公差仅为±0.0025mm，节距公差为－0.015mm，叶根形式有直槽、斜槽和圆弧槽。

特型P6、P7、P8、P10半精铣刀

叶根槽铣刀改进的目的和思路.

目的:解决生产瓶颈,提高效率.

思路:改进铣刀的材料,涂层,切削刃状态.

1、粉末冶金高速钢（CPM）.

2、物xx相沉积法(PVD)涂层.

3、切削刃铲磨成波刃.

4、切削前角改进.

5、切削螺旋角改进.

如日本OSG、嘉兴恒锋特型P6，P7半精铣刀

P6、P7  V型刀

进给：16--17毫米/分

P6、P7  半精刀

进给：17--18毫米/分

特型P6、P7半精刀

（V型刀+半精刀二刀合一）

进给：30-35毫米/分

加工效率是旧刀的3-4倍.

3、汽轮机叶片的加工

         叶片是汽轮机最重要的零件之一，它包括静叶片和动叶片。由于叶片外形复杂，工艺要求高，叶片机械加工工作量一般要占整台汽轮机冷加工工时的25～35%。     

3.1  叶片纵树形叶根的加工

3.2  叶片叶顶围带及中间体的加工

        自带围带叶片的叶顶及中间体需加工围带装配内背弧面（要求与叶根平面不平行度≤0.02mm）、中心孔、顶部斜面、中间体斜面、定位销孔和根部装配内弧平面及斜面等，按传统工艺需四五道工序和大量专用夹具才能完成。

        目前，STP采用日本三菱M—H150E加工中心，将精磨叶根后的叶片装在专用夹具上，在一次装夹情况下就完成全部加工内容，提高工效近10倍。该机床配备有装40把刀具的刀库，同时配备双工位工作台，自动换工位时间（APC）为16秒。当一个工作台在切削时，另一工作台可装拆叶片，使准备时间缩短至最短状态。

大前角立铣刀（ISCAR）切削参数
 N=800RPM       F=250MM/MIN

3.3  叶片扭曲型面的加工

        为提高机组效率，大部分叶片型面设计成截面沿叶高变化的扭曲型面。按传统工艺，扭曲型面的加工较为复杂，一般需12道工序，需配备大量夹具、成型铣刀、内背弧型线样板等工装，技术准备工作周期长，加工效率低。

        现在，STP使用瑞士STARRAG-RIGID公司的NX-155和NX-154和LECHTI公司的五联动数控型面铣，经一次装夹使用标准刀具去除内背弧和进出汽边余量，精铣内背弧型面和顶、根部连接处，一道工序可取代传统工艺的12道工序，效率提高10倍以上，同时可省去大量夹具、成型铣刀和型线样板，缩短了技术准备周期。

      型面粗加工采用ISCAR八角形刀片（OEMT 060405AER-76 IC928），主偏角为45度，可转位八个刃切削。它抗冲击力强，刀盘的容屑槽空间大，出屑方便，适用于粗加工，尤其对高、中压叶片中很难加工的2Cr12NiMoWV-5（C422）马氏体耐热不锈钢材料，效率明显提高，是一般刀片的4-5倍。

型面精加工使用
RPHT10T3MOE-421 X500
（ STELLRAM公司）
RXCR 10* IC528
（ISCAR公司）
切削速度：220M/MIN
                  2000RPM
走刀量：1100MM/MIN

φ8圆形国产化铣刀片
衡阳硬质合金刀具厂
切削速度：110M/MIN
                  1000RPM
走刀量：600MM/MIN

R 连接处精加工使用
整体硬质合金
锥度球头刀
（R3、R4、R6、R8） 美国 SGS公司
上海锐恒公司
常州力锋
切削速度：150M/MIN
                    3000RPM
走刀量：800MM/MIN

      φ10圆刀片和整体硬质合金锥度球头刀由于转速高，我们采用红套方法夹固。
        红套装置是利用金属热胀冷缩的原理将刀柄固定刀排中，由于其夹固力大、动平衡性能好，在高速铣削中被广泛采用。

        近年来，上汽引进的技术由美国西屋技术逐步向西门子技术转变，在叶片制造上带来的变化更为明显。西屋技术叶片型线的漏光允许0.20-0.30mm，可用五联动、4-6主轴型面铣加工；而西门子技术（百万超超临界、燃机压气机、联合循环汽机）叶片型线的漏光只允许小于0.10mm，因此只能采用五联动、单轴型面铣加工。

        为适应这一重要的技术转变，上汽近几年投运了多台五联动、单轴型面铣。今年，还将采购多台此类机床。 

4、电站设备制造行业
       对国产刀具的四大需求

4.1  新产品开发的需求

l汽轮机：

    亚临界：    600MW

                 16.7MPa      537℃     537℃

    超临界：    600MW

                 24.2MPa      566℃     566℃

    超超临界：1000MW

                 26.25MPa    600℃     600℃

核电汽轮机  1000MW

                       6.0MPa       274℃

                大量材料采用不锈钢堆焊

F级燃机          268MW

                进气温度  1230℃

                排气温度    582℃

4.2  新材料大量使用的需求

蒸汽压力、温度的提高，造成材料强度、硬度的不断提高，例如叶片材料：

亚临界 300MW          2Cr12NiMo1W1V

   马氏体型耐热不锈钢   HB 277-331

超临界 600MW          2Cr11NiMoNbVN

   马氏体型耐热不锈钢   HB 277-331

超超临界 1000MW     NiCr20TiAl

   Ni≥65%                     HB 305-405

4.3  提高加工效率的需求

从2003年起，由于全国的缺电形势，造成我公司汽轮机的定单成倍的增加。

要完成这些任务，我们采取了四项主要措施:

1、加大投入，增添设备，近几年每年投资达几个亿；

2、自行设计、制造专用设备：多台转子轮槽双头铣床、多台叶根强力磨床；

3、增加外协，寻找国际、国内的合格供应商；

4、推广高效刀具，在有效的工作时间内，提高切削效率，起到立竿见影、事半功倍的效果。

4.4  精度的要求
   863计划的重型燃机透平转子轮槽

1.六个工作面节距的制造公差只有0.008mm
2.三个不同径向位置的尺寸公差要同时确保在0.06mm以内。
3.测量面到底部的公差只有0.04mm
       由于国内刀具公司生产的轮槽铣刀精度不能满足六个工作面节距±0.004mm的制造公差要求，我们只能从美国ALDEN刀具公司进口半精铣刀、精铣刀。
    随着国内各汽轮机厂燃机制造国产化步伐进一步加快，压气机、透平轮盘拉刀国产化的需求也将越来越大。

5、国产化刀具发展的四大趋势
 以OSG开发的新型转子轮槽半精铣刀为例

5.1  刀具材料的改进

刀具材料是决定刀具切削性能的根本因素，对于加工效率、加工质量、加工成本以及刀具耐用度影响很大。

碳工具钢

高  速  钢 ：6542——W2Mo9Cr4VCo3(M42)——粉末冶金——高细晶粒粉末冶金

硬质合金

陶瓷刀具、立方氮化硼（CBN）超硬材料

5.2  刀具切削刃口的改进

玉米齿或波刃

  主要适用于铣槽类的粗切削或半精加工，效率高，使用寿命长。通过在切削刃口上开出玉米或波刃形刃口，出屑为细粒状，使刀具在切削过程中较为轻快，切削力明显降低，不易断刃，因此可提高切削速度和走刀量。

高速钢和硬质合金都可采用玉米齿或波刃，如伊斯卡开发的¡°烽火轮¡±圆形铣刀片，SECO开发的月牙形铣刀片。

5.3  刀具切削几何角度的改进

通过刀具切削几何角度的变化，例如前角、后角、主偏角、螺旋角等的合理组合，降低刀具的切削力，提高切削效率。

原转子轮槽半精铣刀的螺旋角、前角均为0度，OSG开发的新型转子轮槽半精铣刀螺旋角为5度，使刀刃改变同时切削的弊端；前角为10度，使刀刃更为锋利。这2处几何角度的改进，使切削变得更为轻快，可加大走刀量。

5.4  涂层的改进

      涂层是用化学气相沉积(CVD)和物xx相沉积(PVD)的方法，将TiC、TiN、Al₂O₃等高耐磨、难熔化的金属化合物涂覆到韧性较好的刀具基体上。

      由于涂覆材料的摩擦系数小，并有隔热和润滑作用，因此，涂层刀具具有更高的硬度、耐磨性和耐热性，能有效地提高切削刀具的寿命和切削速度，一般寿命可提高1-3倍，切削速度可提高50%-200%。

      OSG轮槽刀采用TiAlN涂层，SANYO采用G6涂层。       

        虽然，上汽在应用先进的汽轮机制造技术和推广高效刀具的工作中取得了一定的成绩，但还有很多的难题等待我们去攻克。我们希望通过第三届中国刀协先进切削技术论坛，搭建一个用户企业和刀具供应商相互交流的平台。作为用户，我们要多了解国内外高效刀具的信息，加快应用步伐；作为刀具供应商，要多了解用户的需求，制造出价格性能比更高的刀具，达到双方共赢的局面。