高压喷嘴室导流板斜锥孔系加工工艺分析

马培花 喻杨铭 汤贵金 徐有元

(中国航天中国长江动力集团有限公司，湖北 武汉430074)

1 高压喷嘴室导流板的用途、结构特点及加工难点

1.1 高压喷嘴室及导流板的用途

高压喷嘴室是汽轮机高温高压新蒸汽进入汽轮机的第一个汽流通道，蒸汽压力温度都很高，高压蒸汽的转向膨胀加速在高压喷嘴导流板的斜锥孔系中完成，将蒸汽的势能转换为动能，首先推动喷嘴室后的第一级转子旋转，开始实现汽轮机做为源动机的能量形式转换。

1.2 高压喷嘴室导流板的装配位置及整个装配体的结构及材料特性

高压喷嘴室主要由高压喷嘴室本体、高压喷嘴室导流板和弯管3 部分组成，本体及弯管材料为K12F54B，类似于国内标准材料15CrMoV，导流板材料为A387GR22 -2SR，类似于国内标准为12CrMoV，都属于耐高温高压蒸汽的难加工合金材料。高压喷嘴室图见图1，导流板在出汽侧位置，决定高温高压蒸汽的喷射方向及速度。

1.3 高压喷嘴室导流板的加工难点

主要的技术难点是:高压喷嘴室导流板(简称导流板，结构简图见图2)锥孔系是空间孔系，相互位置要求很高，如果定位及孔系相对位置出现问题，到高压喷嘴室整体组装阶段将出现导流板孔及高压喷嘴室本体上喷嘴孔对不上，导致产品报废;再则出汽侧孔轴线与出汽侧轴向平面夹角达15°、且是锥孔、表面粗糙度Ra0.8 μm，加工难度非常大。

加工过程中必须解决以下问题:(1)导流板锥孔系的加工方案论证选定;(2)加工过程定位参数的确定;(3)保证加工效果的工装、刀具、夹具等的设计、制作。

2 高压喷嘴室导流板加工工艺分析

通过分析产品图纸，可以发现导流板孔喷嘴孔系在圆周方向是规律分布的，由此可以初步选定基本加工方式为绕导流板中心径向分度旋转加工。

由基本加工方法进一步推敲，具体到加工工艺方法，可以有两种方案选择:(1)导流板平放在数控卧式铣镗床的回转工作台上(见图3)，镗床主轴上装万能角铣头，加工方向由水平方向通过调整万能角头的方向转换到垂直于主轴方向的竖直面内，再在万能角头的主轴上装专用刀柄和加工刀具，完成加工;(2)设计制造专用工装，将导流板装在专用工装上(见图4)，工件在竖直状态，通过分度机构分度，可以在数控镗床上或者普通镗床上完成加工(见图5)。

两种方案各有优缺点。方案一的优点在于:利用机床所配标准附件及标准刀具，可以尽量缩短专用工装的准备、加工周期，在节点保证和加工效率上有相对优势;缺点是:经过角头、加工刀柄和加长钻头、铰刀的几道转接后，工艺系统的刚性较差，对工件质量保证有一定风险。方案二的优点在于:设计制造专用工装后，可以实现非常牢靠的工件装夹工艺系统，对工件质量有较好的保证，其次可以通过工装设计分度装置，突破方案一加工分度时对数控设备的依赖，在普通镗床上完成加工，降低加工成本;缺点在于:要设计制造专用工装，制造周期及工装加工成本投入相较方案一要大。

在公司的质量保证体系中，对于重大且风险大的关键项目，必须做工艺试验进行验证。随后我们按公司程序文件的相关流程要求进行了相关的工艺试验，工艺试验效果显示:方案一的刀具系统在经过两道甚至是三道转接后，刚性大大降低，加工效果达不到图纸要求，被否定。方案二虽说有工装设计、加工成本，但可以很好地满足图纸要求，达到QC 质量控制的控制根本。

方案二的关键在于工装设计制造和工艺方法。因为孔系是有相对空间位置要求的，工装设计时要考虑用最简单的方法加工制造出来，操作者加工时能用最便捷的操作完成工件加工，保证工件质量，提高加工效率，降低加工成本。经过与经验丰富的老工程师讨论，并反复推敲、多次修改设计方案，确定了用导流板内孔在工装上定位、定位销子分度的工装设计加工理念，并设计标准对刀块，综合图纸及工装设计的结构因素，确定孔系孔加工时所需的定位参数。后期加工过程中对孔系加工方式进行进一步优化调整，在用工艺压块做辅助压紧同时可将孔的加工面转换到垂直刀轴的平面内，并在转换后的加工面上先用中心钻打定位中心孔，可有效防止孔预钻阶段钻头飘移，避免了因钻头飘移导致的钻头折断或孔钻歪斜等不良后果。

3 高压喷嘴室导流板加工工艺优化固化及定位解决

经过对加工过程跟踪记录，对工艺优化调整后，分别对导流板进出汽边孔加工工艺进行固化。

与出汽边平面夹角15°的φ17.35 mm/φ17.75 mm锥度为1/65. 05 的大斜度锥孔镗关键加工工艺固化为:

(1)点钻定位孔:用中心钻点钻中心孔。

(2)麻花钻预钻锥孔:用短钻头预钻。用加长钻头预钻。

(3)键槽铣刀预铣锥孔:两把加长键槽铣刀粗铣成阶梯孔。

(4)铰锥孔:用开断屑槽的粗铰刀粗铰锥孔;用精铰刀精铰孔至图纸尺寸，所用刀具参见图6。

将导流板上与出汽边大斜度锥孔有空间位置的进汽侧φ43 mm 斜孔加工的镗关键加工工艺固化为:(1)用键槽铣刀铣平下刀平面。(2)预钻孔:锥柄麻花钻预钻孔至φ36 mm。(3)粗铣孔:用φ40R2.4 铣槽铣刀预铣孔至φ40 mm，底部留0.3 mm 余量。(4)整体硬质合金铣刀高速精铣孔。

进汽侧加工所用刀具参见图7。该侧斜孔与进汽边面夹角为75°，仅从单个孔的加工难度综合比较，加工难度稍低于出汽边，其关键在于该孔与出汽边斜锥孔的相对位置保证。在工装设计阶段，应用CAD/CAM 软件经过三维造型和模拟加工，并用装在工装特定位置的与工件位置有特定关系的工艺标准对刀块来确定孔在工件上的位置，在加工时根据特定位置关系对刀设定参数，确定孔系位置，使孔系相互位置关系这一难题得以解决。

4 加工过程的刀具问题

在加工过程中，出现多把特制铰刀扁尾处断裂的情况，给产品质量造成很大影响。分析主要原因是铰削过程中，因为铰刀是锥度铰刀，吃刀面积很大，造成刀具承受扭矩很大，刀具整体结构上强度最薄弱处是刀具扁尾及刀具与刀柄连接处(参考图8)，所以当刀具所承受扭矩太大超过刀具整体所能承受的最小安全系数时，断裂就会发生在这两处。经与刀具工程师沟通，优化修改刀具结构细节，在铰刀前端磨削一倒棱，减小刀具前端受力，刀具切削刃螺旋角增大减小铰削时每转的切削扭矩。经以上措施优化后，刀具切削效果有良好改善，在刀具方面的可靠性得到保证。

5 效果检验、结束语

我们按公司质量管理相关程序文件的流程要求，通过一系列的攻关、工艺试验，对方案进行论证、排除、优化，加上操作人员的细心操作，我们完成了某项目给水泵汽轮机组中高压喷嘴的加工，经检验人员检查，形位公差及表面质量都达到图纸设计要求。按此工艺方法，目前已完成公司所承接某项目4 台给水泵汽轮机上配套高压喷嘴室的加工装配，并做为QC 质量控制的技术控制环节，对工艺文件优化整理后入库存档，完善同类工件加工的资料储备工作。

做为一名工艺人员，笔者认为要加工出优质的零件，首先要了解零件的结构、装配要求，之后确定正确、合理的加工工艺方案，并细化为可指导车间生产的可操作性工艺文件。在完成高压喷嘴室导流板加工的过程中，面对重重的困难，经过不断摸索实践，我深深体会到只有理论联系实际，善于总结，集思广益，博采众长，不断探索，才能实现克难攻坚，同时在工作中使自己的技术水平得以提升。

［1］李洪.机械加工工艺手册［M］.北京:北京出版社，1998.

［2］徐宏海.数控加工工艺［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［3］杨叔子.机械加工工艺师手册［M］. 北京:机械工业出版社，2001.