（机械制造及其自动化专业论文）超超临界汽轮机高温超强材料的切削试验研究.pdf

摘要 摘要 现代经济的发展需要更多的电力资源，只有发展大容量和高参数的超超临 界汽轮机才能满足生产生活的需要。要发展超超临界，必须使汽轮机的材料满 足高温、高强度的要求，这类高温合金材料往往很难切削，所以需要对其切削 过程进行研究。本文就是针对汽轮机高温合金材料进行了切削试验研究，主要 包括试验方法，高温材料属性，刀具选择及切削试验四个方面。 试验方法采用了正交设计方法，是处理多参数、多变量的科学的试验方法。 在切削试验中需要对不同的切削参数进行对比，很多参数需要进行组合试验， 使用正交设计试验将大大简化试验过程，并能获得有效的试验数据和结论。 汽轮机制造的材料属于高温合金材料，主要是马氏体耐热型不锈钢和高温 镍基合金，这些材料的强度很高，在高温时具有很高的抗蠕变强度，所以在切 削时需要对材料的物理化学属性进行研究，以便选择合理的刀具参数和切削参 数。 切削试验是论文的关键部分，这部分包括试验方法的选用、试验步骤的安 排、实际试验的操作、试验现象的观察、试验数据的整理以及试验结果的总结 等。所有的试验都围绕刀具的切削性能及磨损状况展开，以刀具寿命为评价指 标，并由试验得出切削超超临界汽轮机高温材料的最优选刀具和切削参数。 此外，论文中所采用的刀具全是i s o 牌号的刀具，在加工高温材料时采用 涂层刀片，干切削的切削方法，符合现代切削的特点和发展趋势。 关键词：高温合金，切削实验，刀具参数，切削参数 a b s t r a c t _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - 一 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ee l e c t r i c a lp o w e ri sn e e d e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m e c o n o m y , a n do n l yi fu l t r a - s u p e r c r i t i c a ls t e a m t u r b i n eo fh i g hp o w e ra n dp a r a m e t e ri s c r e a t e d ，t h e nc a ni t m e e tt h en e e do ft h ei n d u s t r ya n dl i f e t od e v e l o p u l t r a s u p e r c r i t i c a ls t e a mt u r b i n e ，t h em a t e r i a lm u s tr e s i s th i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r e ，s oi ti sd i f f i c u l tt oc u ta n d n e e dr e s e a r c h i n g t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e r n sa b o u t t h em e t a l c u t t i n ge x p e r i m e n t so fh i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a li nu s c ，m a i n l yi n c l u d i n g f o u ra s p e c t so ft e s t i n gm e t h o d ，p r o p e r t yo fh i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a l ，t o o lc h o i c ea n d c u t t i n gt e s t s a n dm e a n w h i l e r e s u l t sa b ea n a l y s e db yc u t t i n gt h e o r y , a n di s ot o o l sa b e a l s ob r i e f l yi n t r o d u c e d t h i st e s t i n gm e t h o da d o p t st h em e t h o do fc r o s s - d e s i g n ，w h i c hh a n d l e sw i t h m u l t i p a r a m e t e ra n dm u l t i v a r i e t ye x p e r i m e n t s i tc a n b eu s e di nc u t t i n gt e s tt oo b t a i n t h ee f f e c t i v e d a t aa n dr e s u l t s ，l a r g i n gs i m p l y i n gt h ep r e c e s so fc o m p a r i n ga n d c o m b i n i n gd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r si nt e s t s t h e s ek i n d so fm a t e r i a lh a v et h ea t t r i b u t e so fh i g ht e m p e r a t u r ea n ds t r e n g t h ， m a i n l ym a r t e n s i t eh i g h t e m p e r a t u r es t a i n l e s ss t e e la n dn i - b a s e da l l o y , w h i c ha b eh a r d a n dh a v eh i g hc r e e pr e s i s t a n c ei nh i g ht e m p e r a t u r e s oi t i sn e e d e dt os t u d yt h e p h y s i c a la n dc h e m i c a la t t r i b u t e so ft h e s em a t e r i a l ，t o c h o o s et h er e a s o n a b l et o o l p a r a m e t e r sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r s c u t t i n gt e s t i st h ec o r eo ft h ed i s s e r t a t i o n ，m a i n l ya b o u tc h o o s i n gt e s t i n g m e t h o d s ，a c c o m o d a t i n gt e s t i n gs t e p s ，o p e r a t i n g ，o b s e r v i n g ，c o m p i l i n g d a t a sa n d c o m m e n t i n gt h er e s u l t s le x p e r i m e n t sa b ec a r r i e do na r o u n dt o o lp e r f o r m a n c ea n d t o o lw e a r , j u d g i n gb yt o o ll i f e ，f r o mw h i c ht h eb e s tt o o l sa n dc u t t i n gp a r a m e t e r so f h i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a l i nu s c s t e a mt u r b i n ea r eg o t t e n o t h e r w i s e ，t h et e s t i n gt o o l sa r ea l li s ot o o l sa n dc o a t e di n s e r t sa n dd r yc u t t i n g m e t h o da p p l i e dw h i c hs u i t st h ed e v e l o p i n gt r e n do fm o d e mm a c h i n i n g k e yw o r d s ：h i g h t e m p e r a t u r ea l l o y , m e t a lc u t t i n ge x p e r i m e n t s ，c u t t i n gt o o l p a r a m e t e r s ， m e t a lc u t t i n gp a r a m e t e r s h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：许耀彳 彻彩年；月j 争 e i 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在三年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：训1 惑有， 学位论文作者签名：许耀孑 劢形年3 月矿e l砌占年；月t a 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：许耀厅， 泖多年；月，扩日 第1 章绪论 1 1 超超临界汽轮机简介 第1 章绪论 根据我国能源资源特点，在相当长的时间内煤仍作为发电工业主要能源。 按国家发展计划，2 0 0 0 年我国( 不包括台湾) 装机容量已达2 9 亿千瓦，其中火电 约占7 5 ，原煤产量1 4 亿吨，火电耗用5 7 亿吨，占原煤产量4 0 7 。到2 0 1 0 年，装机容量约5 亿千瓦，火电仍占较大比例，原煤产量估计达1 7 7 亿吨，火 电将耗用9 6 亿吨，占5 4 2 ，所增加的原煤产量将全部用于电力工业。由于已 探明煤储量有限，可开采及开采能力的增长受到一定限制，不可能按等同比例 速度增长，因此，必将制约电力工业的发展速度。我国沿海经济相对发达用电 地区与煤炭开采地相距甚远，长距离运输不仅加大交通运输压力，而且增加燃 料价格费用。 提高燃煤电厂发电效率可通过各种途径和方法，整体煤气化联合循环 0 g c o 、增压流化床联合循环( p f b c ) 及超超临界技术的开发和应用等都是我国 要进行科研和发展的方向。但从技术难度和相距可以实施的距离来看。应该加 快开发超超临界技术的前期超临界机组。目前超临界机组技术已十分成熟，国 内、外都有良好的使用经验，国外已有一套完整而成熟的设计、制造技术，并 已经生产而且还在生产大量的超临界机组。有些国外公司在掌握超临界技术基 础上已经开发超超临界机组。而且已经得到成功地应用，运行实践证明超超临 界不仅可行而且是先进的，目前正向开发更高压力和更高温度的超超临界技术 的道路上迈进。 1 超临界汽轮机组的现状和开发前景 我国电力工业已成功地大量使用和安装亚临界3 0 0 m w 和6 0 0 m w 机组。这 些机组已在发电事业中起主导作用。从亚临界参数提高到超临界参数，技术要求 也相应提高，金属耗量也有所增加，机组投资也要增多些。随着超临界机组功 率容量的增大，单位千瓦相对造价将逐渐下降。1 0 0 0 m w 机组为6 0 0 m w 机组相 对造价的9 0 。从亚临界参数提高到超临界，相对热效率将提高1 8 。对于 6 0 0 m w 发电机组，每年可节省2 5 力吨标准煤，若采用较高蒸汽温度年节省燃 煤达3 5 万吨标准煤。这无论从节省燃料费用、天然资源开采、交通运输，还是 从自然环境保护等各方面看都具有重大意义。 第1 章绪论 美国是发展超临界机组最早的国家。1 9 5 9 年在埃迪斯通( e d d y s t o n e ) 电厂又 投运一台蒸汽参数更高，压力为3 4 4 m p a ，温度为6 4 9 5 6 6 5 6 6 3 2 5 m w 的 机组。电站热效率比以前机组有很大提高，显示出超临界参数在提高机组热效 率方面的优越性。美国拥有约1 6 9 台超临界机组，其中5 0 0 - - 一8 0 0 m w 机组占6 0 7 0 。而且燃煤机组占7 0 以上。绝大部分超临界机组都是在6 0 和7 0 年代投运， 其中最大机组容量为1 3 0 0 m w 。由于美国发电事业中燃气蒸汽联合循环机组比 例不断增加，新建机组容量偏小。日本在超临界成熟技术的基础上，结合美国 电力研究所( e p r i ) 的研究结果，又进行更高参数超超临界机组的开发。十年前， 成功地制造出参数为3 1 m p a 5 6 6 5 6 6 5 6 6 ，功率为7 0 0 m w 的机组，安装于 川越电厂，其运行性能非常良好，机组的相对热效率比一般超临界机组提高5 左右，提高主蒸汽压力和温度以及采用二次中间再热是提高热效率的主要因素， 通流部分的改进也起到一定的作用。日本各制造公司正在开发参数为2 4 2 m p a 、 6 0 0 ，功率为1 0 0 0 m w 的机组，并着手对压力为3 4 5 m p a 温度为6 2 0 和6 5 0 有关各方面进行研究，使其相对热效率将比常规超临界机组提高1 0 左右。 日本电力公司认为燃煤超超临界机组在与煤气化蒸汽燃气联合循环机组竞争中 将处于有利地位。 主蒸汽温度国际上一般常用5 3 8 ，这也是亚临界机组进汽温度。超临界机 组仅将亚临界的新汽压力由1 6 7 m p a 提高到2 4 2 m p a ，这两个参数的高压缸所用 的材料基本上可不改变，仍可使用亚临界机组材料，仅将汽轮机高压部件如阀 壳、喷嘴室、汽缸等壁厚增加2 0 。若将主蒸汽温度提高到5 6 6 ，则可提高机 组热效率0 8 ，但对锅炉的过热器和管子要部分采用奥氏体钢及铬钼钒钢，汽 轮机高压缸必须采用铬钼钒钢，这增加制造难度及费用。故目前还是采用5 3 8 。中间再热温度一般有5 3 8 c 和5 6 6 二种。再热温度的提高将使机组热耗降 低0 7 。再热温度对材料影响与主蒸汽温度相同。由于再热压力不高，故比较 容易解决。在国外，特别是日本普遍采用5 6 6 。c 。根据以上情况，超临界参数可 选用新蒸汽压力2 4 2 m p a ，新汽温度5 3 8 及再热蒸汽温度5 6 6 。 世界各国一般在较大容量机组中正式采用超临界压力，但超临界的容量起 点有所不同，一般技术较先进国家对5 0 0 m w , 6 0 0 m w 机组开始比较多的采用 超临界参数，是亚临界和超临界共同使用的容量点，也是超临界参数的起始容 量。今后，在6 0 0 m w 容量基础上，可以着眼发展单轴1 0 0 0 m w 等级超临界机组， 并为其进行技术准备工作。 超临界参数蒸汽压力为亚临界参数压力1 4 5 倍。关于强度及启停时热应力 等方面，如何j 下确选用阀壳、汽缸的材料和厚度及铸造工艺是需要研究的课题。 2 第1 章绪论 受压部件结构和高温强度螺栓的材料也需试验研究。中间再热温度5 6 6 ，高于 以前常用蒸汽温度，也已超过使用的铬钼钒钢转子能承受的温度，对转子的冷 却技术需要进一步掌握。中压转子采用1 2 c r 耐高温高强度材料是提高蒸汽温度 最有效的方法。1 2 c r 材料的研究，大型转子锻件的开发，以及为防止铬碳化合 物的硬化对轴承损害而在轴颈处加轴套或堆焊低铬材料等方法，其制造工艺均 是试验研究的项目。 上海汽轮机厂在1 9 9 5 年与美国西屋公司谈判建立中美合资上海汽轮机有限 公司，进一步引进先进技术、先进管理。贯彻机械工业部及电力工业部通过合 资，全面提高建造大型电站设备能力的精神，合资合同中具体详尽地规定了美 国西屋电气公司的技术转让规模、目标。合资公司具备5 0 h z 和6 0 h z 亚临界、 超临界火电2 5 0 1 0 0 0 m w 等级及3 0 0 一- 1 3 0 0 m w 全速、半速核电汽轮机，以及 5 0 - - 一2 2 0 m w 燃气轮机和相应联合循环电站的设计制造能力。 2 我国超超临界汽轮机的发展方向幢1 大容量、高参数是提高火电机组经济性最为有效的措施，超临界技术的发 展，至今已有4 0 多年的历史。从5 0 - - 一7 0 年代起，以美国g e 和西屋公司为核心， 当时的起点就是超超临界参数，1 9 5 9 年3 2 5 m w 超超临界机组的进汽压力为 3 4 5 m p a ，进汽温度达到6 4 9 。该机组目前仍以3 3 m p a ，6 0 7 5 6 6 5 6 6 参数在运行，是目前世界上运行时间最长的超超临界机组。超超临界参数的 范围也有多种不同的定义。根据产品的应用状况，可将超超临界参数定义为蒸 汽温度超过5 8 0 和或进汽压力等于或超过2 8 m p a 。 高温材料是该阶段超超临界机组发展的关键。新高温铁素体马氏体9 1 2 c r 材料已成功用于3 1 m p a ，6 0 0 6 1 0 参数，经过汽轮机各高温高压部 件近十多年的应用，该材料系列已相当成熟，并形成标准的市场采购规范。目 前国际上正在开发更高温度6 5 0 、7 0 0 及7 6 0 的新奥氏体钢种系列。近期 汽轮机长叶片的发展也很快，新开发的1 1 4 6 m m 叶片、极小动应力整圈自锁阻 尼型( i l b ) 1 2 1 8 m m 叶片、钛合金1 3 2 0 m m 叶片已能满足1 0 0 0 m w 等级机组的要 求。近期新投运的最大双轴为三菱公司2 0 0 1 年6 0 h z 的1 0 5 0 m w 机组，最大单 轴为西门子2 0 0 2 年5 0 h z 的1 0 2 5 m w 机组及东芝6 0 h z 的1 0 0 0 m w 机组。 在目前6 0 0 参数产品系列推向市场取得成功以及在环保“京都协议 的推 动下，世界上有多个电力公司，如日本电力开发公司( e p d c ) ，美国电力科学院 ( e p r i ) 及丹麦西部电力公司e l s a m ( 代表欧盟) 在政府和各大公司的支持下正在进 行更高参数超超临界技术的研发工作。e p i x 2 在r 本通商产业省支持下开展了系 统的超超临界机组的研发工作，目标为3 1 4 m p a 5 9 3 5 9 3 5 9 3 ， 3 第1 章绪论 3 4 3 m p a 6 4 9 5 9 3 5 9 3 及3 1 m p a 6 3 0 6 3 0 。日本三大汽轮机制 造公司对转子、汽缸、法兰、螺栓等主要部件进行了相应参数下的实物中间试 验，5 0 m w 功率的中间实验机组已经投运。主持欧盟项目的丹麦e l s a m 公司认 为：发展更高压力及温度、二次再热的超超临界机组是目前提高效率，减少排 放的最佳技术选择。该项目的参数以3 4 5 m p a 7 0 0 7 2 0 7 2 0 为目标， 并计划2 0 0 7 - - 一2 0 1 3 年在欧洲建成首座示范电厂。美国e p r i 则制定了比上述二 个计划更高参数4 0 m p a 7 6 0 的开发目标。上述项目均以耐热合金奥氏体钢的 工艺性及转子冷却技术的研究作为重点发展方向。 超超临界参数的经济效益可简单归纳为进汽压力在2 7 m p a 范围内，1 m p a 约影响热耗0 2 5 0 2 ，在更高压力及单流程容积流量较小时，1 m p a 影响热 耗0 1 左右。与进汽压力不同，在一定功率的条件下，主蒸汽温度对容积流量和 通流部分设计效率影响不大，进汽温度的提高使热力循环效率提高可简单归纳 为每1 0 过热蒸汽温度影响热耗o 2 5 ，1 0 再热蒸汽温度影响0 2 0 左右。理 论上，压力并不直接影响材料的选择，而主要影响材料的消耗。一方面压力增 加后，强度要求按比例增加壁厚，增加材料消耗；另一方面流量( 汽耗) 减少及比 容减小，在同样流速下可减小管道尺寸，减少材料消耗。对汽轮机高压汽缸部 套，设备价格( 不包括工程开发费用及进口件差价) 将随进汽压力增加而略有增 加。温度方面，当采用价格增加一倍的6 0 0 材料时，机组总价将增加1 0 左右。 上海汽轮机厂为我国超超临界汽轮机产品的市场化设置了三个开发阶段。 第一阶段：高压缸进汽压力为2 5 m p a ，高中压缸的进汽温度最高分别为6 0 0 6 1 0 ：第二阶段：进汽压力2 5 m p a ，最大3 0 m p a ，高中压缸的进汽温度最高 仍为6 0 0 6 1 0 ；第三阶段：采用更高的压力3 4 3 m p a - 、, 4 0 m p a ，更高的温 度6 5 0 、7 0 0 或7 6 0 。近十多年国际上6 0 0 高温材料及参数应用已经相当 成熟，超超临界机组经济性比亚临界提高4 5 ，比常规超临界提高2 5 。目前 日本、欧盟、美国等国正在进行更高压力、更高温度的研究和发展工作。 3 超超临界汽轮机的技术特点怕1 常规亚临界机组的参数为1 6 7 m p a 5 3 8 5 3 8 ，热效率在3 8 ，超临界机 组的典型参数为：2 4 1 m p a ，5 3 8 5 6 6 ，一般热效率在4 1 ，而超超临界机组 的参数一般认为压力在3 0 - - 3 5 m p a ，蒸汽温度在5 9 5 - - 6 5 0 ，热效率可达4 5 。 超超临界汽轮机在应用中需要提高它的抗氧化腐蚀，从锅炉过热器带来的氧 化铁颗粒能对汽轮机喷嘴和叶片造成严重的侵蚀。固体颗粒侵蚀在持续效率损 失中具有很大的影响，需要更久和更频繁的停机维修。国外公司对汽轮机流道 中固体颗粒侵蚀机理和研制抗蚀涂层进行了深人研究，使汽轮机的抗蚀技术得 4 第1 章绪论 到实质性进展。 由于超超临界汽轮机内的蒸汽温度和压强都升高，对以前亚临界和超临界 汽轮机的材料提出了更高的要求。以往在不超过5 6 6 的蒸汽温度下，汽轮机主 要使用c r m o v 低合金钢但对于采用5 9 3 以上蒸汽温度的超超临界汽轮机，则 需要使用高温强度更好的材料。转子和叶片运行时在高温情况下承受持续的离 心力，汽缸等静止部分作为高温高压蒸汽的容器承受持续的高内压应力。因此， 超超临界汽轮机材料首先要求在高温下具有很高的蠕变断裂强度超超临界汽轮 机如果要求具有调峰能力，则要适应频繁的启停为防止汽轮机部件在启停时由 于蒸汽温度变化而产生过大的热应力，要求所用材料线胀系数小，在高温下具 有高屈服点及高低周疲劳强度。除此以外，从胀差、焊接性、脆性破坏强度等 角度，还要求超超临界汽轮机材料在确保强度的同时，确保最低限度的延展性 和韧性。关于超超临界汽轮机使用的材料，国外已经开发了9 1 2 c r 系列材料 以及连接螺栓用镍基合金，并已成功地用于超超临界火电机组。国内研究机构 对这些新材料性能及冶炼技术也进行了深入研究。 1 2 金属切削刀具国内外发展现状 大型电站设备零部件材料多为难加工材料，而且大多工件表面状态恶劣， 加工余量不均，加工难度很大，存在严重的断续切削，刀具破损问题严重，此 外由于频繁更换刀具，辅助时间增加，零部件加工周期延长，生产效率下降。 所以为保证加工高精度、高质量要求，必须采用先进的加工技术和刀具h 1 。 我国工具行业从“六五开始结合技术引进进行技术改造，后又经“七五， “八五引进和改造取得了显著的技术进步，开发出一批具有八、九十年代技 术水平的新产品。全磨制刀具己覆盖麻花钻、立铣刀、丝锥等通用产品，并引 进了p v d 涂层工艺。在精密复杂刀具类有格罩逊刀盘、渐开线花键拉刀、圆磨 滚刀、径向剃齿刀、叶根成形铣刀等产品。我国生产的高性能铝高速钢立铣刀 已出口国外，用于美国的航空工业。在硬质合金刀具方面引进了具有八十年代 水平的硬质合金材料牌号、可转位刀具和整体硬质合金刀具制造技术；初步建 立了数控刀具及工具系统生产点，并开发具有我国专利权的t m g 2 8 工具模块连 接机构。 我国工具工业的发展和切削技术的进步，提高了我国切削加工的水平，在 经济建设中发挥了重要作用。但是与国外先进水平相比，我国的会属切削技术 和刀具水平还很低存在着很大的差距，从下面的主要事实可以看出与国外工业 第1 章绪论 发达国家的重大差别： 1 高速钢刀具与硬质合金刀具的比例国外硬质合金占主导，日本1 9 9 3 年硬质合金刀具产值是高速钢的一倍；而且钴高速钢、粉末高速钢应用增多。 我国仍以普通高速钢为主：硬质合金工具的产值仅占刀具产值的3 0 左右。 2 硬质合金刀片中涂层刀片的比例国外涂层刀片的比例己超过未涂层 刀片，日本1 9 9 2 年涂层到便已占6 2 。我国涂层刀片约占5 1 0 ，焊接刀片 的产量仍占硬质合金刀片产量的7 0 左右。 3 刀具产值中低档产品所占的比例以高速钢麻花钻为例，日本高速钢麻 花钻占刀具总产值的比例近几年保持在8 1 0 之间，刀具产品以中高档为主。 我国高速钢麻花钻占刀具总产值达7 0 ，我国的刀具产品以低档为主。 4 刀具性能的对比在欧洲1 9 9 3 年的一把滚刀比2 0 年前的一把滚刀使用 寿命提高8 倍，切削速度提高1 5 2 倍，欧洲的滚刀年消耗量在下降，己不足一 万把。关于硬质合金刀具，国外推荐它的刀片加工中碳钢切削速度为 2 0 5 3 1 5 m m i n 日本钢产量与硬质合金产量、硬质合金刀片产量之比分别为每万 吨钢o 3 吨和0 0 2 吨。日本的高速钢产量在1 万5 千吨至2 万吨之间。总之， 国外由于切削技术的进步和刀具性能的提高，进入九十年代以后刀具的消耗比 例有减少的趋势。我国高速钢滚刀年产量4 万把。硬质合金加工4 5 号钢的切削 速度为1 2 0 - 1 6 0 m m i n ，只相当于国外的1 2 。我国每万吨钢与硬质合金产量、硬 质合金刀片产量之比分别是o 7 吨和0 2 3 吨，为日本的2 倍和1 0 倍。我国高速 钢产量在3 万吨左右，几乎是日本的一倍。总之，我国刀具的性能差，寿命短， 消耗大。 5 刀具制造工艺装备的对比国外工具厂大量采用c n c 机床、加工中心， 并有f m s 线和机器人，自动化程度高，制造手段现代化。i s c a r 公司的刀体分 厂有同本产的c n c 机床2 8 台；刀片分厂的自动化程度达9 0 ，刀片在工序间 由无人小车搬运，6 0 台d o r s t 刀片压机，生产刀片6 0 0 0 7 0 0 0 种，生产管理计 算机化。d i j e t 公司的可转位刀片磨削加工c n c 机床组成的自动线，可实行长时 间无人运转。总之，国外的刀具生产己是技术密集型产业。我国工具行业的数 控机床比例不足1 ，尚无f m s 设备。从总体上看我国的工具工业还是劳动密 集型、粗放型经营的产业。 1 3 本课题研究的目的和意义 本课题是“超超临界汽轮机高温超强材料的切削试验研究，目的是通过合 6 第1 章绪论 理地选择刀具和优化切削参数，以降低切削高温难加工材料时刀具的磨损，同 时保证工件的质量。因为刀具成本约占整个成本的3 ，所以如何提高刀具的使 用寿命是生产中必须考虑的。刀具选择不当往往很快磨损，这将会给生产带来 很大的损害，不仅影响的工件的表面质量，降低工件的加工精度，而且由于经 常换刀会延长了机械加工的时间。如果切削参数选择不好，一方面不能充分发 挥刀具的性能，加速刀具的磨损，同时切削速度该提高却没提高，就会降低切 削的效率。总之，刀具的选择和切削参数的选择，已经成为影响生产加工的关 键因素，将直接影响到生产的成本，企业的生产规模，质量效益，以及核心竞 争力。随着对外开放的深入，多国竞争的局面将会产生，从单一的国内竞争走 向多元的国际竞争，从单一的产品开发，深入到多方位的市场投入。只有站住 脚跟，放眼世界，才会融入国际的舞台，展示自己的风采。 1 4 课题来源 课题来源于上海汽轮机有限公司。 1 5 本文主要研究内容 本论文主要针对汽轮机重要的零部件如中压内缸、高温螺栓、高温转子进 行切削试验。由于这些零部件的材料为高温超强的难加工材料，包括含铬为9 1 2 的马氏体耐热型不锈铸钢、锻件以及高温镍基合金，所以不同于一般的切削 试验，对刀具的选择比较严格，对切削参数的选择范围存在局限。因此需要通 过实际切削试验来比较检验不同刀具的切削性能，通过正交试验来确定合理的 切削参数，以刀具的寿命和工件的质量为评价指标，最终确定切削此类高温材 料的最佳刀具和最优切削参数。 7 第2 章正交设计试验方法 第2 章正交设计试验方法 在工农业生产和科学研究工作中常常会见到多因素对比试验的问题，正交 设计就是解决这种多因素对比试验问题的一个数学方法畸1 。试验需要考察的结果 称为指标；那些对试验结果( 即指标) 可能有影响的，而且在试验中提出了明 确的条件加以对比的因素称为因子；每个因子在试验中要对比的各个具体条件， 称为它的各个水平。为了书写方便，因子通常用大写字母a 、b 、c 、d 等表示， 因子的不同水平则在大写字母右下角加足标l 、2 来表示，如a 。、a 。、b 。、b ：等。 举切削试验为例，刀具的磨损为切削试验评价的指标，通常用v b 来表示；切削 过程的三要素：切削速度、进给量和切削深度是评价指标的因子；每个切削要 素取不同的条件来试验，就产生了这个因子下的水平。具体如下图说明：、 试验考察的冈素( 因子)试验比较的条件( 水平) a 切削速度( m r a i n ) a l = 6 0a 2 = 8 0 b 进给量( r a m r ) b 1 = 0 1b 2 = 0 2 c 切削深度( r a m ) c 1 = 1q = 2 2 1 正交设计的原理均衡搭配 先观察一个五个因子，每个因子都是二水平的试验，简称为二水平五因子 试验，简记为缓型试验。如果按照数学的排列组合原理，需要进行2 x 2 2 2 x 2 = 2 弓= 3 2 个试验。但这样做是不必要的，特别是在因子数目较多、水平取得 较多的情况下，要想这样做也是办不到的。不全面地做试验，必然是从全部可 能的条件中选出一部分来做，这就有一个选的好不好的问题。如果选得比较好， 次数不多便能反映全面情况，多快好省地达到预期目的；反之，如果选得不好， 即使花费了人力物力，耗费了时间，还是有可能得不到明显的效果。下面我们 说明，利用正交表一般地可以挑选出比较好的试验方案来。 表2 1 是一张正交表，记为l 。( 2 彳) 。l 表示它是一张正交表；l 右下方的 数字8 表示这个表有8 个横行，也就是说用它安排的方案要做八次试验；括号 内的数字2 表示表里只出现“l 和“2 两种数字，也就是说这张表能用于安 排都是二水平的多因素对比试验；数字2 的右上角的数字7 表示这张表有7 个 竖列，也就是说用它来排试验最多可安排7 个二水平因子的试验。除了l 。( 2 7 ) 8 第2 章正交设计试验方法 之外，还有许多其它的正交表，如l 9 ( 疆) 、l 。( 2 f f i ) 、l ：，( 3 嗨) 、，等， 其中各符号与数字的含义与1 4 ( 2 彳) 类似。 表2 1k ( 2 7 ) 正交试验表 淤 l234567 试验八 l111l1 l l 21112222 3l221l22 4122221l 5212l2l2 62122l21 722l1221 8 2212 112 如果一个试验需要5 个因子a 、b 、c 、d 、e 做比较，每个因子有2 个水平， 那么可以把五个因子a 、b 、c 、d 、e 分别填在k ( 缉) 表头的第l 、2 、4 、5 、6 五个列上就行了。这样得到的试验方案是表2 2 表2 2旗试验应用l s ( 2 1 ) 正交试验表 列号 abcde 试验争 l234 56 7 1l1ll111 2 1 1 122，2 2 31221122 412222 l 1 5212l212 62122l2l 7221122l 82212112 表2 2 决定的试验方案是比较好的。因为由它挑选出来的8 个试验在安排 上有下面两个特点： ( 1 ) 每个因子的各个不同的水平在8 次试验中都出现了相同的次数( 4 次) 。 例如因子a 的1 水平出现在第l 、2 、3 、4 号四个试验里，2 水平出现在第5 、6 、 7 、8 号四个试验里，又如因子c 的l 水平出现在第l 、3 、5 、7 号四个试验罩， 2 水平出现在第2 、4 、6 、8 号四个试验罩。其余几个因子也类似。 ( 2 ) 每两个因子的各种不同的搭配在8 次试验中都出现了相同的次数( 2 次) 。例如a 与b 两个因子的四种搭配a 。b 。、a ，b ：、a 。b 。、a 。& 分别出现在第l 、2 9 第2 章正交设计试验方法 号，第3 、4 号第5 、6 号，第7 、8 号试验里，又如b 与e 两个因子的四种搭 配b 。e 。、b 。e ：、b 。e ，、b 。e 。分别出现在第1 、5 号，第2 、6 号，第4 、8 号，第3 、 7 号试验里。其余任何两个的不同搭配也类似。 具有这两个特点的试验方案称为是均衡搭配，或者说，在这样的方案中因 子间具有正交性。这样一来，虽然只做了占全部试验条件1 4 的8 个试验，还 是能够了解到全面情况，在这个意义上可以说这8 个试验就代表了全部3 2 个试 验。如果不是采用正交表来挑选试验，一般就会破坏均衡搭配原则，使这些试 验不再具有上述的代表性。 根据试验的目的、要求，确定指标、因子及其水平后，选择合适的正交表， 并往正交表表头的列号上填因子以制定试验方案，这个过程称为表头设计，是 整个试验的第一阶段。 2 i2 正交设计的主要步骤 第一，确定试验的因子与水平 首先要明确试验目的。然后组织有关人员研究为了达到这个目的，应当考 虑哪些因素。一般来说，肯定没有影响的因素一律不要考虑，但是那些影响尚 不清楚的因素则应尽可能在试验中加以考虑。同时，对每个因素决定需要对比 的具体条件，即确定因子与水平。 第二，作好表头设计 根据因子和水平的数量，选择合适的正交表，往正交表表头各列上填因子 做好表头设计，制定试验方案。 第三，按照制定的方案进行试验，取得数据 由于影响指标的因素总是为数众多的，除了被我们选作因子控制起来的一 部分外，其余因素在试验中仍然有所变化，会对指标产生影响，特别在试验周 期长，试验次数多的情况下，它们的变化还可能比较大，为了排除它们对指标 产生系统的影响，作试验时不应按照正交表中规定的试验顺序进行，而是采用 抽签、抓阄等方法来决定哪号试验先作，哪号试验后作，这叫做试验顺序的随 机化。 第四，对数据进行统计分析，作出合理的结论 基于正交设计具有均衡搭配性质的综合比较方法是分析数据的主要思想。 第五，通过试验检验是否达到预定要求 通过进一步的试验或试生产检验最好条件下指标是否达到预定要求。如果 1 0 第2 章正交设计试验方法 尚未达到要求，或者又提出了新的要求，则在这批试验的基础上制定新的试验 方案。 一个完整的科学的试验过程，应当由上述的几个环节组成。 2 3 应用拟水平法处理切削试验 为了更细致地了解因子与指标之间的关系，在可能的条件下，总是把因子 的水平取得多一些，这就产生了多水平试验问题。 切削试验就是一个多水平的试验问题，对于超超临界汽轮机的切削试验， 要求切削参数在不同的条件下进行对比试验，要求切削速度选择三种，进给量 选择三种，切削深度选择两种，现举例表示如下： 试验考察的因素( 因子) a 切削速度( m m i n ) b 进给量( m m r ) c 切削深度( n u n ) 试验比较的条件( 水平) a 1 = 6 0 a 2 = 8 0a 3 = 1 0 0 b i = 0 1b 2 = o 2b 3 = 0 3 c 1 = 1c 2 = 2 显然从上面可以看出切削试验属于三水平试验，如果按照数学的排列组合 需做3 x 3 x 2 = 1 8 次试验，这必然增加了很多工作量，而且也是不必要的。所 以就需要对试验进行正交设计，使试验变的有效而简捷。因此试验选用了三水 平的正交试验表l 9 ( 薛) 来安排试验方案，b ( 醴) 具体表示如下： 表2 31 9 ( 礴) 正交试验表 列号 试验号 l234 l11l l 21222 3l333 4 2123 52231 623 12 73l32 832l3 9 3 32l 在对试验分析时发现，切削速度和迸给量都是三水平，而切削深度是二水 平，所以需要进行拟水平法设计试验。拟水平法是对水平数较少的因子虚拟一 些水平，使之能排在正交表的多水平列上的一种方法。例如二水平因子可用拟 第2 章正交设计试验方法 水平法来安排在正交表的三水平列上， 来安排在正交表的四水平列上，等等。 验的一条途径。 表头设计 三水平因子或二水平因子可用拟水平法 因此，它是解决水平数不同的多因子试 此切削试验是一个两x 2 试验，本来是不能用l 9 ( 3 亏) 来安排的。但是， 如果我们给二水平因子切削深度再“虚拟 一个水平2 m m ，那么它就变成一个 三水平因子了。如下所示： 试验考察的因素( 因子)试验比较的条件( 水平) b 切削速度( m m i n )a l = 6 0 a 2 = 8 0a 3 = 1 0 0 b 进给量( m m r ) b l = o 1b 2 = 0 2b 3 = 0 3 c 切削深度( m m )c 1 = 1c 2 = 2c 3 = 2 这样c 切削深度( 咖) c 7 1 = l m mc 2 = 2 m mc 3 = 2 m m 就可以把a 、b 、 c ，三个因子安排在l 9 ( 礁) 的随便三列，如第l 、2 、3 列上，得到以下的试验 方案： 表2 4 姥x 2 试验的拟水平正交表 泌 abc 7 试验号 l234 1111l 212 2 2 3 1333 j 42123 5223 l 623l2 7313 2 83213 93321 现在将a 、b 、c7 分别换上实际的参数符号v ，f ，并将数据填入表2 4 ， 就可得到实际试验表格如下所示： 表2 5 切削试验的正交设计表 参数 切削速度进给量切削深度刀具磨损 试验号v ( m m i n )f ( m m r )a p ( m m ) v b ( m m ) l 6 00 1l 26 0o 22 3 6 0o 32 1 2 第2 章正交设计试验方法 4 8 00 12 58 00 22 6 8 0o 3l 71 0 00 1 2 8 1 0 00 2l 91 0 0 0 32 以表2 5 切削试验的正交设计表进行试验，对刀具磨损按工件切削长度进 行分段测量，每个试验测量的数据用折线图表示，根据折线的趋势变化来确定 最优的切削参数。 第3 章超超临界汽轮机高温金属材料及切削刀具 第3 章超超临界汽轮机高温金属材料及切削刀具 3 1 超超临界机组汽轮机材料发展状况 从发展历史来看，超超临界和超临界机组的研制开发是同时提出的。但在 设计和制造方面存在许多问题，如：主蒸汽温度升高，材料力学性能和许用应 力下降，超超临界汽轮机承压部件和转动部件强度降低；盐分和氧化物固体颗 粒进人汽轮机对高压部件造成固体侵蚀，对低压部分造成应力腐蚀和腐蚀疲劳； 工作应力下产生蠕变变形以及快速负荷变化过程中的疲劳损伤；压力提高，汽 缸、喷嘴室、阀壳、导汽管等承压部件应力上升、寿命问题加剧。这些问题可 以归结为材料方面的问题m 1 。 a b b 对新开发的锻件和铸件的要求是：6 0 0o c 温度1 0 万小时的蠕变强度达 到i o o m p a ；良好的蠕变延性，无缺口脆性；良好的铸造和焊接性能；断 裂韧性、抗持久脆性和抗低周疲劳性能至少与5 6 5 下使用的传统钢种一样。经 过2 0 多年的研究开发目前已形成了在5 6 5 - - 6 2 0 范围满足以上要求的制造各 部件材料的标准系列，即：5 6 5 采用c r m o v 钢，5 9 5 采用9 1 2 c r 钢，6 0 0 以上采用奥氏体不锈钢。 由于蠕变强度的限制，在无冷却的条件下，传统c r m o v 转子钢的使用温度 局限于5 6 5 蒸汽温度，而高c r 马氏体钢，强度、延性、韧性良好。丹麦的 s k a e r b a e k 电厂高、中压转子选用含c r 量1 0 的i o c r m o v n b n 材料。日本三菱重 工研制的m i s u m i 电厂1 号机采用1 2 c r 钢( t m k 2 ) 作为转子材料。a b b 公司采用 改进型1 0 c r 转子钢( x 1 2 c r m 0 1 | v n b n l 0 1 ) 以提高蠕变强度h 引。x 1 2 c r m o w v n b n 在 6 0 0 、1 0 万小时条件下，蠕变强度达到1 0 0 - - 1 2 0 m p a ，含w 量1 的高温铸件 g x 1 2 c r m o w v n b n 在6 0 0 、1 0 万小时条件下，蠕变强度达到i o o m p a 。 改进型转子钢的共同特点是：采用先进的冶炼技术减少s i 、s 含量和杂 质元素含量，并减少铸件内部的偏析。在化