（机械制造及其自动化专业论文）汽轮机转子枞树型轮槽铣削过程参数对精度的影响.pdf

硕士学f ) = 论文 摘要 复杂成形面的加工涉及难加工材料、高成形精度和高表面完整性等要求，是切削领 域重要课题。汽轮机作为透平机械典型代表，其转子是最为关键的零件之一。转子轮槽 连接转子与叶片叶根，其精度以及表面质量直接影响汽轮机在服役过程中的工作效率和 使用性能，应用成形铣刀对轮槽进行成加工是目前采用的加工方法。枞树型轮槽由于其 承载能力大、精度要求高，常用于大型动力设备中。然而，枞树型轮槽铣刀切削刃各点 切削状态不同，且转子轮槽按加工刀具路径又有直线槽、斜线槽、圆弧槽之分，所以不 同轨迹下如何保证轮槽加工精度是轮槽加工中的技术难题。所以研究转子轮槽铣削中铣 刀不同刃点的切削状态及其过程量对轮槽表面质量的影响是非常必要的。 文章根据核电汽轮机低压转子末级p 型轮槽的特点( 轮槽齿数采用三齿，轮槽圆弧 半径和轴向深度较大，其中纵向深度最大为1 2 4 m m ) ，对枞树型转子轮槽加工过程中产 生的切削力、切削热、变形等对轮槽精度的影响进行了分析。在刀具特定几何参数条件 下，从刀具切刃入手，选择轮槽铣刀上不同的离散点，对各点的切削参数进行等效处理。 通过微元法建立不同刀具轨迹下的切削力模型，然后以过程中的切削力、热为内容分析 讨论其对轮槽精度的影响。 由于工艺是轮槽加工的关键因素，本文根据轮槽特点和切削受力情况，就不同路径 下各工艺参数对切削力模型的影响进行了分析，并通过试验分析了圆弧型轮槽在切削过 程中温度场的分布情况，同时利用有限元软件a b a q u s 对轮槽铣削过程进行了应力、 应变分析，将其模拟结果与理论和试验所得结果进行对比，说明研究成果的合理性与正 确性，为改善工艺参数提高复杂曲面加工精度提供理论依据。 关键词：枞树型轮槽；切削力；刀具路径；切削温度；有限元分析 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 a b s t r a c t c o m p l e xf o r m i n gs u r f a c ep r o c e s s i n gi n v o l v e sh a r dp r o c e s s i n gm a t e r i a l ，h i g h l y s t r i c t f o r m i n gp r e c i s i o na n dh i g h l ys u r f a c ei n t e g r i t yr e q u i r e m e n t se t c w h i c hi sa ni m p o r t a n ti s s u e o fc u t t i n ga r e a a sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft h et u r b om a c h i n e r y , s t e a mt u r b i n er o t o ri st h e m o s ti m p o r t a n tp a r to fi t r o t o rw h e e lg r o o v ea st h ei m p o r t a n tp o s i t i o nc o n n e c tw i t ht h er o t o r a n dt h eb l a d er o o t ，i t sp r e c i s i o na n ds u r f a c eq u a l i t yh a sad i r e c te f f e c to nt h ew o r ke f f i c i e n c y a n dt h eu s eo fp e r f o r m a n c eo fs t e a mt u r b i n ed u r i n gs e r v i c e ，s o ，a p p l y i n gf o r m e dm i l l i n g c u t t e rf o ra r cw h e e lg r o o v em a c h i n i n gh a sb e e nap o p u l a rm e t h o dc u r r e n t l y b e c a u s eo ft h e b i gc a r r y i n gc a p a c i t y , h i g ha c c u r a c y , f i r - s l o ti so f t e nu s e di nl a r g ep o w e re q u i p m e n t h o w e v e r , t h ec u t t i n gs t a t eo fm i l l i n gc u t t e ro ff i r m s l o ta te v e r yp o i n to fc u t t i n ge d g ee x i s tb i gd i f f e r e n c e s ， a n dt h er o t o rw h e e lg r o o v ei sc l a s s i f i e di n t os t r a i g h ts l o t , o b l i q u es l o ta n da r cs l o tb yt h et o o l p a t ho fp r o c e s s i n g s oh o w t oa s s u r ew h e e lg r o o v ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no fd i f f e r e n tt r a c ko f s l o th a sb e e nat e c h n i c a lp r o b l e mi np r o c e s s i n g a c c o r d i n gt ot h el o w - p r e s s u r es t a g er o t o rf i n a l - s t a g ew h e e lg r o o v ew i t hpf e a t u r e so f n u c l e a rp o w e rs t e a mt u r b i n e ( t e e t hn u m b e ro fw h e e lg r o o v ei st h r e e ；g r o o v ew h e e lr a d i u sa n d a x i a ld e p t hi sl a r g e ra n dt h em a x i m u ml o n g i t u d i n a ld e p t hi s12 4 m m ) ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h e e f f e c to fm a c h i n i n gp r o c e s sp a r a m e t e r ss u c ha sc u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gh e a t ，d e f o r m a t i o ne t c o na r cf w - s l o tp r e c i s i o n u n d e rt h es p e c i f i cc o n d i t i o n so fc u t t i n gt o o l ，d oe q u i v a l e n ta n d d i s c r e t et r e a t m e n tt ot h ep a r a m e t e r so ne a c hp o i n to ft h et o o lb l a d e e s t a b l i s ht h ec u t t i n g f o r c em o d e lo fd i f f e r e n tt o o lp a t ht h r o u g ht h ei n f i n i t e s i m a lm e t h o d ，a n dt h e nt a k et h ec u r i n g f o r c e ，h e a ta sc o n t e n t st oa n a l y z ea n ds t u d yt h ei n t e g r i t yo f t h ew h e e lg r o o v es u r f a c eq u a l i t y f o rp r o c e s si st h ek e yf a c t o ro f w h e e lg r o o v ep r o c e s s i n g ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o fw h e e lg r o o v ea n dc u t t i n gf o r c es t a t u s ，t h i sp a p e ra n a l y z et h ei m p a c to fp r o c e s sp a r a m e t e r s t o 廿1 ee f f e c to fc u t t i n gf o r c em o d e li nd i f f e r e n tt o o lp a t h , a n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f 剐cs l o ti nc u t t i n gp r o c e s sb ye x p e r i m e n t a tt h es a m et i m eu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a b a q u sa n a l y s i st h e s t r e s sa n ds t r a i no ff i r - s l o t i nm i l l i n gp r o c e s s ，a n dc o n t r a s tt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s t a t i n gt h er a t i o n a l i t ya n d v a l i d i t yo fr e s e a r c hr e s u l t s a l lh e l pt op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i s o nh o wt oi m p r o v et h e p r o c e s sp a r a m e t e r sa n di m p r o v et h ec o m p l e xc u r v e ds u r f a c ep r o c e s s i n gp r e c i s i o n k e yw o r d s ：f i r - s l o t ；c u t t i n gf o r c e ；t o o lp a t h ；c u t t i n gt e m p e r a t u r e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s l l 硕十学位论文 插图索引 图1 1 核电汽轮机组1 图1 2 汽轮机转子剖视图2 图1 3 课题研究技术路线6 图2 1 汽轮机装配及低压级转子轮槽8 图2 2 叶根与轮槽配合公差图9 图2 3 轮槽公差图1 0 图2 4 切削余量情况及工艺分配1 4 图2 5 轮槽加工工艺安排1 4 图2 6 轮槽加工成型刀具1 7 图3 1 轮槽铣刀形状示意图一1 9 图3 2 轮槽铣刀1 9 图3 3 等效切削速度离散点图2 0 图3 4 轮槽加工中不同位置的切削厚度变化2 0 图3 5 接触角计算关系2 0 图3 6 切削力铣削微元模型2 2 图3 7 转子轮槽类型2 3 图3 8 直线轨迹下的接触角2 3 图3 9 斜槽铣削切入切出过程2 4 图3 1 0 斜线轨迹刀具切入2 4 图3 1 1 接触角变化示意图2 5 图3 1 2 圆弧轮槽铣削接触角特点2 6 图3 1 3 等效进给速度与机床进给速度的几何关系2 6 图4 1 圆弧轮槽测试点2 8 图4 2 各切削速度下轮槽同位置的加工相对误差31 图4 3 误差分布图3 2 图4 4 圆弧轮槽曲面及二维投影3 2 图4 5 轮槽铣刀齿微元化3 3 图4 6 轮槽铣切削力作用位置3 3 图4 7 轮槽加工让刀示意图3 4 图4 8 切削区域产生变形3 4 图5 1 切削热的传导与产生3 7 图5 2 热传导示意图3 7 图5 3 轮槽型线受热变形4 2 图5 4 轮槽不同部位热变形4 3 图5 5 轮槽切削温度测量试验4 4 图5 6 温度空间分布曲线4 4 图5 7 轮槽型线热变形挠度误差4 4 图6 1a b a q u s 有限元分析程序基本流程4 6 图6 2a b a q u s 有限元模型4 7 图6 3 圆弧轮槽建模4 9 图6 4 轮槽及其有限元等效模型5 0 图6 5 轮槽网格划分模型5 0 图6 6 轮槽网格划分参数设置5 1 i i i 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 图6 7 模型边界条件设置5 1 图6 8 直线轮槽型线变形一5 2 图6 9 斜线轮槽型线变形一5 2 图6 10 圆弧轮槽型线变形5 3 图6 1 l 直线轮槽应力分布云图一5 3 图6 1 2 斜线轮槽应力分布云图5 4 图6 13 圆弧轮槽应力分布云图5 4 图6 1 4 直线轮槽温度场分布5 5 图6 1 5 温度场引起的轮槽热应变5 5 图6 1 6 斜线轮槽温度场分布5 6 图6 1 7 温度场引起的斜轮槽热应变5 6 图6 1 8 斜线轮槽温度场分布一5 6 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 汽轮机转子参数9 表2 2 材料3 0 c r 2 n 1 4 m o v 的化学组成成分w ( ) 1 1 表2 33 0 c r 2 n 1 4 m o v 低压转子钢材的材料力学性能表1 1 表2 4 切削内容分配1 4 表2 5 轮槽铣刀主要技术参数1 6 表2 6 轮槽铣削刀具物理性能1 8 表4 1 切削速度采用标准刀具进行加工的试验数据3 0 表4 2 优化后加工的试验数据3 0 表4 3 轮槽尺寸加工相对误差3 1 表5 1 切削热中各部分热量比例3 6 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着科学技术的发展，二战后，高科技背景下的新工业革命席卷全球，使得 全世界的经济更加快速地发展，而且加大了工业生产对各种能源的需求，其中电 力工业对经济的繁荣发展有着重要的地位。5 0 年代以来，随着战后经济复苏，工 业领域的动力能源需求变得突飞猛进。汽轮机作为动力设备，在社会的各个领域 中都有广泛的应用，如航空、航天、船舶、动力发电等行业。 依据我国能源政策的调整，其核电建设已成发展的重点，根据2 0 0 7 年国务院 批准的核电中长期发展规划，2 0 2 0 年核电运行装机容量争取达到4 0 1 0 7 k w ，使 其占总装机容量的4 t 。据统计2 0 0 6 年我国共有6 个核电厂1 1 台机组约9 0 0 万 千瓦投运，按照这个速度计算，那么从现在起至2 0 2 0 年的8 年间需要制造百万千 瓦级的汽轮机约3 0 余台【2 】。下图1 1 为核电汽轮机总装三维图： 图1 1 核电汽轮机组 同时，随着我国制造业的国际化，国内汽轮机组正在向着大型化、高参数化、 大容量化蓬勃发展，尤其是对核电站、原子能电站来说，它们对机组的安全可靠 性提出更高要求。然而，百万千瓦大型核电汽轮机的生产制造又涉及到一系列技 术问题，如转子结构形式、轮槽加工精度、内缸支撑方式、透平叶片长度、匹配 工作转速等都给汽轮机的生产带来困难，所以就切削加工方面不得不考虑各个方 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 面的影响因素。特别是汽轮机转子轮槽，作为透平机械汽轮机的核心部位，其在 高温高压蒸汽介质环境下工作，尤其是1 0 0 0 m w 超超临界汽轮机，室内工作温度 超过6 0 0 0 c ，所以转子的工作状态直接关系到汽轮机的效率问题【3 j 。 结合图1 2 转子剖视图，可以知道转子不仅要承受静应力( 如离心力、弯矩和 扭矩的影响) ，还要承受动应力( 如热应力、热疲劳和交变应力等) 的影响，工作 条件非常恶劣。所以，汽轮机转子不但要具有良好的高温力学性能，而且要求有 较好的精度保持性能，即较高的加工精度和装配精度1 3 。 例如型号n 1 0 0 0 2 5 6 0 0 6 0 0 ( t c 4 f 4 3 ) 的1 0 0 0 m w 超超临界汽轮机组，高中 压转子材料采用改良型1 2 c r 锻钢，低压转子材料采用高纯度c 卜n i m o v 锻钢，均 为大型锻件，属于难加工材料，所以加工中势必得严格控制加工工艺过程对材料 力学性能的影响。随之需要解决一系列问题，比如工艺方案如何制定、切削余量 怎样分配、表面质量和加工精度如何控制等才能保证汽轮机重要部位( 如转子轮 槽) 加工的质量和精度而且不影响生产成本。 图1 2 汽轮机转子剖视图 本课题主要就汽轮机转子枞树型轮槽加工工艺过程中，过程参数对轮槽型线 的精度影响。研究从轮槽铣削工艺过程参数出发，针对不同轮槽加工路径分析讨 论不同切削过程参数对轮槽加工精度及其力学性能的影响，提出c 卜n i m o v 锻钢 材料加工表面质量的优化加工方法。 轮槽的加工过程复杂且精度影响因素多，依据轮槽和加工刀具结构特点势必 分析不同位置点处的工艺参数对轮槽精度的影响。所以文章总结不同参数下工艺 对轮槽精度的影响，最终以能够选择合理工艺参数，使铣削过程参数在不同点保 持一致性为目的，为提高复杂曲面类零件加工精度及优化工艺过程参数提供理论 借鉴，同时对难加工合金材料的切削加工有理论和实际的指导意义。 1 2 轮槽加工国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 汽轮机发展现状 汽轮机制造技术已有近百余年的发展历程，而汽轮机的发展在近几十年变的 极为迅速。世界工业发达国家的汽轮机生产在6 0 年代已达到5 0 0 6 0 0 m w 机组等级 水平；1 9 7 2 年瑞士b b c 公司制造的1 3 0 0 m w 双轴全速汽轮机，参数为：2 4 m p a 5 3 8 2 硕七学何论文 5 3 8 ，n = 3 6 0 0 r m i n 在美国投入运行；1 9 7 6 年西德k w u 公司制造的单轴半速，( 其 中n = 1 5 0 0 r m i n ) 1 3 0 0 m w 饱和蒸汽参数汽轮机投入运行；1 9 8 2 年世界最大1 2 0 0 m w 单轴全速汽轮机，参数为：2 4 m p a 5 4 0 5 4 0 。c 在前苏联投入运行。而我国也是在 建国后相继建成哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂和东方汽轮机厂，它们主要生产 大功率的电站汽轮机，并于19 5 5 年由上海汽轮机厂制造了国产第一台中压6 0 0 0 k w 冲动式汽轮机。之后，我国的汽轮机制造工业犹如雨后春笋般崛起迅速发展，陆 续生产了中压1 2 m w 、2 5 m w ，高压5 0 m w 、1 0 0 m w ，超高压中间再热1 2 5 m w 、 2 0 0 m w ，以及亚临界参数3 0 0 m w 、6 0 0 m w 的汽轮机。而且还建立了北京重型电 机厂、武汉汽轮机厂和青岛汽轮机厂，以及生产工业汽轮机和燃气轮机为主的杭 州汽轮机厂和南京汽轮发电机厂。使得我国的汽轮机制造业形成了一套独具特色 的完整的汽轮机制造工业生产体系，填补了中国汽轮机制造业生产体系的空白。 1 2 2 枞树形轮槽简介 汽轮机常作为火力发电和核电站发电机组的重要动力机械设备，在社会经济 发展中有着不可磨灭的作用。轮槽部分是汽轮机的重要组成部分之一，其将叶片 准确的、可靠的固定在工作位置，即装配在转子轮槽上，其轮槽连接转子和叶片 并传动动力，将蒸汽的热能转换成机械功，它用来保证汽轮机叶片工作的顺利完 成。而装配后工作的效率性能最主要是由叶根和转子轮槽来保证的，工作中轮槽 部位承受交变力载荷和热载荷的影响，其表面质量尤其是残余应力状态对轮槽的 抗疲劳强度是最为重要的【3 j 。因此转子设计中轮槽加工的精度要求最高。 汽轮机转子轮槽都有一定的型式，其目的是为了装配动叶片来满足不同的工 作要求，常见的型式有： t 型轮槽，其加工装配方便，多用于中长叶片； 菌型轮槽，其强度高，在大型机上得到广泛应用； 叉型轮槽，其加工简单，装配方便，强度高，适应性好； 枞树型轮槽，其叶根承载能力大，强度适应性好，拆装方便，但加工复杂， 精度要求高，主要用于载荷较大的叶片。 通常轮槽分布形式有两大类：径向装配和轴向装配。而枞树型轮槽就属于轴 向装配，该类型轮槽是沿轮缘均匀分布的，不存在叶片径向面过盈【4 1 ，且该轮槽常 作为1 0 0 0 m w 超超临界汽轮机的轮槽型式。枞树型轮槽按照设计时的等强度要求， 依照轮槽中心线和转子中心线的相互位置分为直线型轮槽、斜线型轮槽、圆弧型 轮槽，直线型轮槽在亚临界3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮机上用的较多，斜线型轮槽大都 是超超临界汽轮机的形式，而核电汽轮机上一般选择圆弧型轮槽形式，其中，圆 弧槽轮槽的加工过程最为复杂。 1 2 3 轮槽加工国内外研究现状 在国外，美国西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司应用i n g e r s o l l 机床厂制造的专用叶根 槽铣床，采用成型铣刀加工出转子直、斜和圆弧枞树型叶根轮槽。为了保证加工 3 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 精度，加工前必须将汽轮机转子轴线与机床导轨平行度调整在0 0 7 6 m m 误差之内， 而且提高工件分度准确性，连轴节孔必须和分度机构销子精密配合。捷克的斯柯 达公司在由s k o d aw 2 0 0 h b 卧式数控镗铣床和1 0 v 1 2 5 s 机械操作器组成的加工中 心完成1 0 0 0 m w 汽轮机低压转子圆弧枞树型叶根轮槽系的加工，加工时采用罐形铣 刀在加工时间上节省了近8 0 ，大大缩短了加工时间。英国p a r s o n s 公司下属希顿 工厂采用h e l l e r 机床厂生产的专用转子轮槽铣床加工枞树型转子轮槽，该轮槽铣床 装有光学分度系统，能够对直、斜、圆弧枞树型轮槽精铣，且使得轮槽表面质量 提高。前苏联哈尔科夫汽轮机厂采用由科伦缅斯基重型机床厂制造的专用k y - 3 2 4 机床，用刻度值为5 的光学分度头来控制转子转动槽的弦长，进而加工出有高精度 圆弧的枞树型轮槽。通过对比该半自动循环系统使生产率有较大提高 5 - 6 1 。 在国内，也有众多企业和高校联合进行研究，上海汽轮机厂作为最早的汽轮 机生产厂商1 9 8 1 年从西屋引进制造技术，同时引进i n g e r s o l l 机床厂制造的专用叶根 槽数控铣床，用于加工3 0 0 m w 汽轮机的高中压转子的轮槽，提高了工作效率，且 周月香、陈富新、冯燕坪【7 】等人根据轮槽型线特殊结构，以斜铲方式弥补了轮槽非 工作面的径向角度偏差引起的表面质量问题，并对刀具修磨后轮廓型线精度的影 响情况进行了论证。杭州汽轮机厂陈金花、林炯【8 】等人从给水泵汽轮机考虑，结合 转子轮槽的特征研究了加工难点，就加工中刀具的选择、夹具体、加工过程等对 轮槽表面质量的影响进行了总结。哈尔滨汽轮机厂苏菲、金学光、孙海现【9 j 等人利 用对置的方法使转子轮槽加工型线及尺寸范围不再受限制，采用位置全闭合数字 控制，使其加工精度提高。上海交通大学的陈明、邹斌、葛新春1 3 j 等人从轮槽加工 表面质量出发对1 0 0 0 m w 汽轮机低压转子轮槽进行研究，从刀具性能、加工方案、 轮槽表面完整性上切入，讨论了刀具参数、力、温度对轮槽工作性能的影响。且 采用有限元仿真的方法对相关参数进行预测。 1 3 课题研究目的、研究内容 1 3 1 研究目的 课题以汽轮机转子枞树型轮槽为研究对象，在分析铣削工艺过程，研究枞树 型轮槽精加工阶段不同工艺参数在不同刀具路径下产生的过程参量( 切削力、切 削热) 对轮槽加工精度影响的基础上，找出不同加工余量下枞树型轮槽工艺过程 参数的制定方法，从而提高枞树型以及其他连接形式的轮槽型线加工精度，同时 为实际生产加工中工艺参数调整对刀具结构改善提供借鉴，实现数字化制造。 1 3 2 研究内容 就加工工艺来分析，影响轮槽精度要求的过程参量主要以切削力和切削热为 重点。切削力可以使轮槽型线、表面形状发生变形，从而影响切削加工下一步的 4 硕十学位论文 切削加工量；切削热使得轮槽型线发生微小的挠度变化，影响到轮槽的形状精度， 从而使加工精度较低。但是对于不同切削路径的枞树型轮槽来说，轮槽刀具切入 工件时的切削力大小不尽相同，因此必须分类讨论不同刀具轨迹下的切削力、切 削热影响因素。因此主要有以下内容： 1 在分析传统轮槽加工工艺对加工精度存在问题的基础上，研究轮槽加工中 不同工艺参数及加工余量分配对切削力、切削热的影响； 2 结合轮槽结构特点对铣削工艺参数进行等效处理，建立基于等效工艺参数 的不同加工路径下的切削力模型； 3 不同加工路径过程参数( 切削力、切削热) 的变化对轮槽型线精度的影响； 4 应用有限元分析轮槽铣削过程参数在轮槽不同部位产生的应力、应变分布， 探讨其对加工精度的影响。 1 3 3 研究存在问题 由于转子中心线与轮槽中心线相互位置的不同，圆弧型轮槽较直线型和斜线 型更加复杂，加工过程更为繁琐，所以产生的切削力、热应力变化复杂难以控制。 由于刀具的复杂结构，转子轮槽加工过程中刀具不同位置切削用量、切削力和切 削热、组织塑性变化、n i 硬化程度各不相同，所以轮槽铣削时必定导致刀具参 数变化、轮槽型线变形，进而影响转子轮槽尺寸精度和表面质量。这就要求课题 研究过程中必须考虑加工中产生的力和热对轮槽加工精度的影响。但就目前大多 学者研究内容来看，主要是从工艺上研究刀具几何参数对轮槽表面质量的影响， 而对于更微观的动态变化力、温度应力、轮槽刀具及轮槽本体变形对轮槽加工精 度的影响研究甚少。所以就目前关于汽轮机转子轮槽的研究还存在以下问题： 1 影响轮槽精度的参数较多，没有一个完整的精度分析模型来研究各参数对 轮槽精度的影响； 2 轮槽刀具不同位置工艺参数等效处理完成后，由于各处理方法之间误差来 源不同，最终导致轮槽加工精度存在差距。 3 没有铣削过程参数( 切削力、切削温度、残余应力) 耦合模型来描述三者 共同的影响机理对轮槽加工精度的影响。 1 4 研究方法和技术路线 针对本课题的研究内容，工作中铣刀加工轮槽时过程参数的研究必须建立在 工艺参数的基础上，所以研究方法采用理论分析和试验分析，并以有限元软件进 行模拟分析讨论理论分析方法和试验分析的合理性与正确性，具体如下： 1 在轮槽传统加工工艺过程的基础上，采用理论分析的方法建立轮槽铣刀等 效工艺参数下的切削力模型及不同加工路径下的模型影响参数； 5 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 2 不同工艺参数下，铣削过程中的切削热产生的温度场以试验分析的方法来 研究，讨论研究轮槽不同位置处的温度分布趋势，进而分析其对轮槽精度 的影响； 3 使用有限元软件a b a q u s 模拟铣削过程参数对轮槽应力、应变的分布趋势， 分析工艺参数如何对轮槽精度产生影响，并与理论分析及试验所得结果进 行对比，验证研究结果的正确性。 课题研究的技术路线如图1 3 ： 1 5 论文章节安排 图1 3 课题研究技术路线 第一章阐述汽轮机转子轮槽的研究课题背景以及提出该课题的意义，综述了 国内外轮槽加工研究现状，针对本课题研究，给出了研究目的及内容，对研究现 存内容进行了简单阐述，指出了研究过程中采取的手段和相应的技术路线。 第二章分析转子材料的机械加工性能，结合转子轮槽的结构特点和具体的技 术要求，分析现存轮槽的铣削工艺方案，制定铣削加工工艺过程。 第三章就过程参数对轮槽加工精度的影响，结合轮槽成形铣刀的结构特点建 立轮槽型面切削力模型，并对刀具上不同刃点的铣削速度、进给量进行等效处理， 获得不同轮槽刀具路径下切削力的修正模型，在此基础上讨论分析切削力对轮槽 表面精度的影响。 6 硕+ 学位论文 第四章选择圆弧型轮槽为研究对象，对轮槽铣削过程中切削速度进行等效处 理，分析了轮槽各检测点的相对误差。 第五章研究切削热对轮槽加工的影响，在温度场和热传导微分方程的基础上， 搭建试验平台，分析轮槽型线表面的温度变化规律。 第六章通过有限元软件a b a q u s 对枞树型轮槽进行有限元模拟，并对其结果 进行分析且将其与理论分析和试验分析所得结果进行对比，说明研究结果的正确 性。 1 6 本章小结 本章首先对目前汽轮机在国民经济中的地位进行阐述，简要说明了本课题的 研究意义，同时对国内外发展现状进行综述，分析了核电汽轮机转子轮槽加工中 存在的问题，并就课题研究内容、目的及方法进行了概括；其次简述了轮槽铣削 加工涉及的问题，并对轮槽加工过程中现存难点进行了分析，给出了本课题的章 节安排。 7 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 第2 章枞树型轮槽精度要求及工艺过程 对于承载更大载荷、要求更高等强度设计的枞树型轮槽来说，其通常以剿 断续均匀分布在汽轮机转子上，这种不同于径向分布的轮槽，传统的车削加丁 法已经是无能为力了。由于枞树型轮槽形状复杂且精度要求高，故主要以成垩 完成加工，方法有成形拉削和成形铣削两种。以直线分布的轮槽加工采用拉肖i 式效率较高，所以在专业拉床设备上以拉削的加工方法即可完成。可是对于爹 整体大锻件汽轮机转子，尤其是枞树型轮槽来说，轮槽采用圆弧分布形式，拄 加工已经开始淘汰。所以针对枞树型圆弧轮槽必须采用成形铣削的加工方法酥 特定的轮槽刀具来完成。 2 1 转子轮槽加工精度要求与切削加工性能分析 2 1 1 转子轮槽结构特点 枞树型转子轮槽是汽轮机连接方式中的一种，它将有枞树型叶根的叶片柿 插入转子的轮槽中形成配合。当叶根齿嵌入汽轮机转子轮槽中同时转动时，叫 叶根受转动离心力作用与转子轮槽承力面相互挤压。该链接方式适用于中等长 叶片的配合，轮齿受力均匀，连接强度较高，可以避免运转过程中应力集中与 轮槽或叶根发生断裂。 汽轮机组转子依据承受的不同蒸汽压力，分为高、中、低压转子及发电耖 子，图2 1 为实际工作中叶根与转子轮槽连接在一起的汽轮机低压转子，转子书 为合金钢3 0 c r 2 n i 4 m o v ，具体的性能参数见表2 2 、表2 3 。 图2 1 汽轮机装配及低压级转子轮梧 2 1 2 转子轮槽加工技术要求 汽轮机轮槽连接转子和叶片并传动动力，将蒸汽热能转化成机械功动能， 子在工作过程中，轮槽部位不但要承受巨大的交变应力载荷而且还承受高温虚 r 硕十学何论文 载荷，所以轮槽表面的应力状态对轮槽的抗疲劳强度至关重要。第一，汽轮机转 子枞树型轮槽在形状上要比其它t 型、菌型、叉型轮槽复杂，加工精度更高，那么 在切削加工中产生的切削力和切削热都会使轮槽刀具磨损，进一步使得轮槽表面 加工精度和质量降低。第二，核电汽轮机的工作环境、效率要比中小汽轮机更加 复杂、对轮槽表面质量的要求更高。所以对于轮槽来说，在加工难度和质量控制 上都有特殊要求。 表2 1 汽轮机转子参数 名称参最值 材料c r n i m o v 大锻件超纯净钢 转子总质量 9 4 5 t ( 含叶片、联轴器) 外形尺寸 1 7 9 3 5 6l l l m 9 6 0 0m m 支点问转子长度 4 9 5 0m m 前轴承受力 7 6 1 8 6 6 3 5n 后轴承受力 1 1 6 8 2 2 7 1 6n 前轴颈直径 3 0 0m m 后轴颈直径 3 2 5m m 转子转动惯量6 7 5 1 6 k g m 2 支承刚度 2 9 4 1 9 5 gn m 汽轮机转子轮槽与叶片叶根承力面的加工要求有很高的尺寸精度，如下图2 2 所示是叶根与轮槽配合公差图，通常轮槽齿距公差为0 0 2 m m ，轮槽左右齿对称度 为0 0 2 m m 。 图2 2 叶根与轮槽配合公差图 为了保证转子轮槽与叶片叶根部位配合过程中能够均匀地承受交变载荷，防 止应力集中产生的负面效应，轮槽加工时必须对轮槽型线严格控制，且已加工面 不能发生弯曲或翘曲，同时也应该保证轮槽对称中心线偏移量控制在允许范围内。 9 汽轮机转子枞树型圆弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 对于角度公差的控制，如圆弧与工作面、非工作面的圆滑连接也有较高要求。 从图2 2 、2 3 中可以看出转子轮槽技术要求如下： 1 ) 轮槽齿形关于中心线对称，且径向线与中心线偏差为士0 2 5 m m m ； 2 ) 轮槽主、次工作面的间距误差为0 0 1 3 m m ，主要工作面公差为士0 0 0 2 5 m m ； 3 ) 基准面和端面跳动公差0 0 3 m m ； 4 ) 未注表面的总径向跳动不大于0 1 m m ； 5 ) 轮槽各工作面及相邻圆弧表面粗糙度r a 为1 6 9 i n ，其余非工作面粗糙度为 6 3 “m ； 轮槽中心线 k - k ( 全部齿缘) 一、， 9 5 ( 最小) ( 鼍小) 图2 3 轮捂公差图 2 1 3 转子c r n i m o v 钢材料的加工性能 大型汽轮机转子和发电机组转子是电站设备中提供动力的重要部件。根据工 作压力的不同，汽轮机的转子可分为低压转子、中压转子和高压转子三大类型【1 0 1 。 而转子要在1 5 0 0 3 0 0 0 f f m i n 的高速旋转下工作服役，不仅要承载离心力的巨大作用， 还要承受自重产生的弯曲应力，所以对于轴类大型锻件，应该重点讨论钢体材料 的力学性能和淬透能力。故障停机产生的转矩应力以及冲击载荷，都由汽轮机转 子轮槽的结合面来承受，由于应力集中压力很大，所以对汽轮机转子材料的强度、 塑性、韧性、淬透性、断口形貌及脆性都有极高的要求。 考虑到转子的大型化、高参数化、大容量化发展趋势，以及它们对于转子屈 服强度、淬透性、淬火韧性的更高要求。国内几家大型的汽轮机生产厂商比如东 汽、上汽以及哈汽，它们对于3 0 0 m w 以上的汽轮机低压转子钢均采用了 c r - n i m o v 材质钢，其中3 0 c r 2 n i 4 m o v 材料是东方汽轮机厂一直采用的低压转子 钢，这种材料是美国引进的p d s l0 3 2 5 u d 型号国产化材料，它与国外百分比3 5 的c 卜n i m o v 钢相当【1 1 1 。该转子钢材料具有很好的综合力学性能，其淬透性高、 1 0 硕+ 学位论文 热加工性能好，很适合汽轮机低压转子高强度、塑性、韧性，力学性能均匀，残余 应力小等的特殊性能要求【l2 1 ，表2 3 是3 0 c r 2 n i 4 m o v 钢材料和3 0 c r 2 m o v 、4 5 # 钢的 化学组成成分，从表中可以看出，3 0 c r 2 n i 4 m o v 转子钢的合金元素含量大大提高， 这样有利于改善材料的综合力学性能和可靠性。 3 0 c r 2 n i 4 m o v 材料作为东方汽轮机厂采用的低压转子钢： 该钢中的c r 元素由于提高了材料的二次硬化作用，使得钢的淬透性增加且 耐磨性增强。同时也大大改善了钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用。 m o 元素在所形成的化合物中使得形成的铁素体获得细小晶粒，由于它的结 晶核心作用，所以相同作用力条件下具有高的塑性和韧性，以及明显的淬透性和 热强性，特别是低温条件下的韧性，可以防止回火脆性，提高了材料剩磁和娇顽 力。 v 元素通常和m o 等元素形成复杂化合物，起到细化钢的晶粒组织，提高钢 的强度，韧性和耐磨性等作用，保证获得细小晶粒。它在高温熔入奥氏体时，可 增加钢的淬透性；在碳化物形态存在时，就会降低它的淬透性。 n i 元素能提高钢的强度和韧性，提高淬透性。含量高时，可显著改变钢和 合金的一些物理性能，提高钢的抗腐蚀能力，大大的改善了钢体合金材料的综合 力学性能。 相比之下，从前苏联引进并国产化的3 0 c r 2 m o v 转子钢，广泛用作2 0 0 m w 以 下汽轮机等大型机组的高中压转子，但是c r - m ov 转子钢在长期时效及长期运行 中发生的材质劣化损伤，表现为硬度、强度的降低，且容易发生回火脆化现象。 表2 3 为其力学性能表 3 0 c r 2 n i 4 m o v 属中合金结构钢，其化学成分如表2 2 所示： 表2 2 材料3 0 c r 2 n i 4 m o v 的化学组成成分 w ( ) 综上，这些合金元素能起到机械阻碍作用，使己形成的细小晶粒不易长大， 从而使得3 0 c r 2 n i 4 m o v 钢材拥有较高性能的综合力学性能如强度、韧度等【1 0 】。 表2 33 0 c r 2 n i 4 m o v 低压转子钢材的材料力学性能表 汽轮机转子枞树犁恻弧轮槽铣削过程参数对精度的影响 2 1 4 转子轮槽加工难点 c 卜n i m o v 钢材料作为汽轮机转子常用材料，也属于难加工材料，难点主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 材料的塑性变形较大，合金中存在的奥氏体组织使得轮槽材料塑性变形比 较明显，这将导致金属材料在切削过程中变形系数增大难于断屑，很容易产生积 屑瘤阻碍加工； ( 2 ) 切削温度高，该钢材热导率较低，从而导致在相同条件下切削过程产生的 温度积聚； ( 3 ) 过程切削力大，该参数直接影响刀具物理性能和已加工表面质量，产生的 机械变形对加工精度影响很大； ( 4 ) 加工硬化现象复杂，基于刀具和轮槽结构的复杂性，镍基高温合金加工时 其加工表面硬化程度一般是基体材料的3 倍左右； ( 5 ) 刀具易磨损，该材料具有镍基合金材料的性质，所以加工时刀具的磨损普 遍存在。 2 2 轮槽加工工艺规划 2 2 1 轮槽加工方法的选择 传统径向装配的且沿圆周连续分布的轮槽，车削加工的方法就能够完成，所 以与叶根相互配合的轮槽可以在精车转子的同时精加工出来。但是该加工方法只 适合于径向装配的轮槽，而且加工方法单一。 而对于轴向装配且沿轮缘顺轴向断续分布的轮槽，车削显然是望尘莫及。轴 向装配的轮槽包括有多种形式：直槽、斜槽、圆弧槽( t 型、枞树型) ，可以采用 拉削、铣削的加工方法，就直线分布的轮槽来说由于拉削的方式在拉削过程中拉 刀有足够的切入和安全退出距离以及直线进刀的轨迹，一般情况下用