二次再热超超临界汽轮机新型耐热钢加工技术研究

□王 标

上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂上海200240

二次再热超超临界汽轮机新型耐热钢加工技术研究

□王 标

上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂上海200240

以汽轮机汽缸铸件ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB材料为研究对象，进行了铣削性能试验，对切削过程中切削力及加工表面质量进行分析，比较了干切削、微量润滑及大流量润滑三种条件下的切削力、加工质量和刀具磨损情况，得出了铣削优化参数组合，为后续汽轮机转子铸件材料切削性能的研究提供依据。

超超临界汽轮发电技术应用于空冷汽轮发电机组，可大幅提高空冷机组的发电效率,是弥补空冷汽轮发电机组高热耗的有效措施[1]。与超临界机组相比，二次再热超超临界机组的蒸汽温度和压力要求更高，因此汽轮机材料必须具有更高的性能，如热强性能、抗高温腐蚀性能、抗氧化性能和加工塑性等。汽轮机在工作过程中，工作温度有时达700℃以上，并且承受一定的机械载荷，在高机械载荷和温度急剧变化的工况下，汽轮机材料必须具有很高的抗氧化性能和耐热性能，同时还必须具有良好的抗热疲劳性能以抵抗温度剧烈变化所引起的热疲劳，以及具有较高的组织稳定性以保证在高温条件下结构尺寸的稳定。汽轮机材料所面临的高性能要求也相应地提高了汽轮机加工工艺编制的难度。

目前，二次再热超超临界汽轮机组汽缸采用ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐热钢铸件材料，该材料多依赖进口，国内目前对该材料的加工性能缺乏充分完整的研究，而影响该新型耐热钢材料表面加工质量的因素又有很多，涉及到加工过程中的切削参数、刀具的性能和参数，以及润滑条件等。为了获得较优的新型耐热材料加工表面质量，对该材料进行了铣削加工工艺研究，了解其加工特性，优化加工参数和刀具参数，从而提高加工件的加工表面质量。

1 铣削加工系统设计

1.1 铣床系统

试验采用齐二机床集团有限公司生产的X5032A型立式升降台铣床，如图1所示。铣床主轴转速范围30～1 500 r/min，工作台纵向进给量范围23.5～1 180mm/min，工作台横向进给量范围15～786 mm/min。

图1 立式升降台铣床

该机床结构具有足够的刚性，能承受重负荷的切削工作，同时具有足够的功率和较宽的变速范围，能充分发挥刀具的效能，并能使用硬质合金刀具进行高速切削。

1.2 空气压缩系统

试验用的空气压缩系统为南京捷豹机电有限公司生产的NJW-315-100L型静声式无油空气压缩机，如图2所示。该无油空气压缩机能提供稳定的无油气源，既能避免人体接触油污，又能避免终端机器的非耐油管因触油而引发故障。

图2 静声式无油空气压缩机

1.3 微量润滑供给系统

试验中微量润滑供给系统采用日本富士技研Bluebe外置式单通道供液系统，如图3所示。这种外置式供液系统结构简单，润滑油和压缩空气在机床外部通过混合装置混合后，在高压下通过一个多头喷嘴将雾化为毫微米级直径的气雾不断喷射到刀具表面，对刀具进行冷却和润滑。在微量润滑技术加工中，油剂使用量小，通常为2～30 mL/h。常采用生物降解性高的合成酯和油脂作为微量润滑切削加工用切削液，笔者采用LB-1型Bluebe微量润滑专用植物油基，该切削液是一种可降解的由天然酯组成的合成物，对人体和环境无危害[2-4]。

图3 微量润滑供给系统

1.4 加工件设计

试验材料采用与汽轮机铸件材料相同的ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB耐热钢材料。试件材料加工成长方体，在4个角的位置钻孔，用于安装夹具。试件形状如图4所示，长度为80 mm，宽度为90 mm，高度为45 mm。

图4 试件形状

1.5 试验所用刀具

试验采用山特维克机夹式高速钢涂层铣刀及配套刀杆，型号为R390-180620M，采用氮化铝钛涂层，如图5所示。研究结果表明，氮化铝钛涂层刀具在提高工件切削性能方面效果显著,同时可以大幅提高刀具的耐用度[5]。

1.6 试验设计

对试件材料进行铣削试验，采用以下两种方式润滑：微量润滑和无切削液。分别对铣削加工过程中的铣削加工表面形貌、表面硬度及表面粗糙度进行测试和分析，具体工艺参数见表1。

图5 试验用刀具

表1 微量润滑加工条件下试件铣削加工工艺参数

2 汽轮机铸件材料铣削试验结果及分析

2.1 铣削加工表面形貌分析

2.1.1 微量润滑加工

图6显示了铣削速度为4 m/s、进给速度为20 mm/min及在微量润滑加工条件下试件加工表面形貌随铣削深度变化的关系。从图中可以看出，当铣削深度为0.1 mm时，获得的加工表面形貌最大高度为21.6 μm。当铣削深度为0.25 mm时，获得的试件加工表面形貌最大高度为46.1 μm。当铣削深度为0.5mm时，获得的试件加工表面形貌最大高度为46.6 μm。由此可见，随着铣削深度的加深，试件铣削加工表面形貌最大高度也增大。

图6 微量润滑加工条件下试件铣削加工表面形貌随铣削深度变化的关系

图7 显示了铣削深度为0.1 mm、进给速度为20 mm/min及在微量润滑加工条件下获得的试件加工表面形貌随铣削速度变化的关系。从图中可以看出，当铣削速度为5.1 m/s时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为16.62 μm。当铣削速度为8 m/s时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为10 μm。当铣削速度为12.75 m/s时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为7.47 μm。当铣削速度为16.1 m/s时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为7.31 μm。由此可见，随着铣削速度的提高，铣削加工表面形貌最大高度减小，这是由于铣削速度提高后，铣削力下降，铣削力产生的加工表面不平度降低，进而使铣削加工表面形貌最大高度减小[6]。因此，提高铣削速度是提高加工表面质量的一个途径。

图7 微量润滑加工条件下试件铣削加工表面形貌随铣削速度变化的关系

图8 显示了铣削速度为16.1 m/s、铣削深度为0.1 mm及在微量润滑加工条件下获得的试件加工表面形貌随进给速度变化的关系。从图中可以看出，当进给速度为12 mm/min时，获得的试件铣削加工表面形貌最大高度为2.37 μm。当进给速度为16 mm/min时，获得的铣削加工表面轮廓最大高度为5.7 μm。当进给速度为20 mm/min时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为7.31 μm。由此可见，随着进给速度的提高，铣削加工表面形貌最大高度也随之增大，这是由于随着进给速度的提高，单位时间内切削的金属面积增大，由此产生的切削力增大，从而使由切削力振动所引起的加工表面振幅也随之增大[7]。因此，在条件允许的情况下，可通过降低进给速度来提高铣削加工表面质量。

2.1.2 干铣削加工

图9显示了铣削深度为0.1 mm、进给速度为20 mm/min及在干铣削加工条件下获得的试件加工表面形貌随铣削速度变化的关系。从图中可以看出，当铣削速度为12.75 m/s时，获得的试件铣削加工表面形貌最大高度为57.4 μm。当铣削速度为8 m/s时，获得的试件铣削加工表面形貌最大高度为95.7 μm。当铣削速度为5.1 m/s时，获得的铣削加工表面形貌最大高度为104.2 μm。由此可见，在干铣削加工条件下，试件铣削加工表面形貌最大高度随铣削速度的降低而提高[8]，这一趋势与微量润滑条件下的趋势相同。由此可以推断，铣削加工表面形貌最大高度与铣削参数之间的关系不受润滑条件的影响。因此，在加工过程中可选择较高的铣削速度来提高铣削加工表面质量。

以下比较在微量润滑和干铣削加工条件下获得的试件铣削加工表面形貌高度。图10显示了铣削深度为0.1 mm、进给速度为20 mm/min及在微量润滑和干铣削两种加工条件下获得的铣削加工表面形貌最大高度，从图中可以看出，三种铣削速度下微量润滑获得的铣削加工表面形貌最大高度都远远小于干铣削加工表面轮廓最大高度，由此可见，微量润滑可大大提高铣削加工表面质量。

2.2 铣削加工表面硬度分析

2.2.1 微量润滑铣削加工

表2显示了微量润滑加工条件下获得的试件铣削加工表面硬度。图11显示了铣削深度为0.1 mm、进给速度为20 mm/min及在微量润滑铣削加工条件下获得的铣削加工表面硬度随铣削速度变化的关系。从图中可以看出，随着铣削速度的提高，试件铣削加工表面硬度也随之提高。从理论上分析，铣削速度提高，铣削力减小，加工硬度降低，加工表面硬度下降，实际测量结果与之相反，这可能与该铸件材料的特性有关[9]。

图12显示了铣削速度为16.1 m/s、进给速度为20 mm/min及在微量润滑铣削加工条件下获得的铣削加工表面硬度随铣削深度变化的关系。从图中可以看出，硬度随着铣削深度的增大而提高，这是由于铣削深度增大后，单位时间内切削的金属面积增大，铣削力提高，塑性变形区域增大，材料硬化程度提高，使铣削加工表面硬度上升[10]。由此可见，在条件允许的情况下，应尽量减小铣削深度，从而降低铣削加工表面的硬化现象。

图9 干铣削加工条件下试件铣削加工表面形貌随铣削速度变化的关系

2.2.2 干铣削加工

图13显示了干铣削加工条件下，试件铣削加工表面硬度随铣削速度变化的关系，从图中可以看出，随着铣削速度的提高，试件铣削加工表面硬度也随之提高。理论上分析，随着铣削速度的提高，铣削力减小，塑性变化区域减小，加工硬化程度降低，加工表面硬度下降[11]，但实际测量结果与理论分析相反，这可能与试件材料的特殊性有关。在微量润滑条件下铣削加工与干铣削加工两种情况下表面硬度随铣削速度变化的趋势相同，由此推断，试件铣削加工表面硬度随铣削参数变化的关系不受润滑条件的影响。

图10 试件铣削加工表面最大形貌高度随润滑条件变化的关系

表2 微量润滑加工条件下试件铣削加工表面硬度测量结果

图11 微量润滑条件下试件铣削加工表面硬度随铣削速度变化的关系

2.3 铣削加工表面粗糙度分析

2.3.1 微量润滑铣削加工

图12 微量润滑条件下试件铣削加工表面硬度随铣削深度变化的关系

图13 干铣削条件下试件铣削加工表面硬度随铣削速度变化的关系

表3显示了微量润滑加工条件下获得的试件铣削加工表面粗糙度测量结果。图14显示了铣削深度为0.1 mm、进给速度为20 mm/min及在微量润滑条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削速度变化的关系。从图中可以看出，铣削加工表面横向和径向粗糙度随铣削速度变化的关系不一致，当其它铣削参数一致的情况下，径向表面粗糙度随铣削速度的提高先下降后上升，横向表面粗糙度随铣削速度的提高先上升后下降。

表3 微量润滑加工条件下试件铣削加工表面粗糙度测量结果

图15显示了铣削速度为16.1 m/s、进给速度为20 mm/min及在微量润滑条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削深度变化的关系。从图中可以看出，随着铣削深度的增大，铣削加工表面横向和径向粗糙度呈先增大后减小的趋势。结合横向和径向表面粗糙度，在微量润滑条件下获得的优化铣削工艺参数组合为：铣削速度16.1 m/s，铣削深度0.1 mm，进给速度20 mm/min，获得的试件铣削加工横向表面粗糙度为4.38μm，径向表面粗糙度为10.32μm。

图14 微量润滑条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削速度变化的关系

图15 微量润滑条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削深度变化的关系

2.3.2 干铣削加工

图16显示了干铣削加工条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削速度变化的关系，从图中可以看出，随着铣削速度的提高，铣削加工横向和径向表面粗糙度值都呈下降趋势，这是由于铣削速度提高、铣削力减小、铣削力引起的铣削加工表面振幅下降[12]，使铣削加工表面粗糙度减小。

3 总结

通过对与汽轮机转子铸件材料相同试件进行铣削加工试验，分析了铣削加工过程中的表面形貌、表面硬度及粗糙度，获得了优化的铣削工艺参数组合，得出的主要结论如下。

图16 干铣削条件下试件铣削加工表面粗糙度随铣削速度变化的关系

（1）提高主轴转速，减小进给量，适当使用切削液，可使工件获得较小的加工表面粗糙度值。

（2）在本试验条件下，主轴转速对加工表面硬度无明显影响。工件表面硬度随进给量的增大而增大，利用切削液可适当减少加工表面硬化现象。

（3）在本试验条件下，微量润滑加工的表面形貌优于干切削加工表面形貌。提高主轴转速，减小进给量可获得较好的加工表面形貌。

（4）在本试验条件下，提高主轴转速可改善加工表面微观组织，增加切削液对加工表面微观组织无明显影响。

[1]黄庆华，吴仕芳，仪剑.超超临界660 MW空冷汽轮机的自主研发[J].装备机械，2013（3）：35-39.

[2]图仕捷，王苗，徐技伟.20MnCr5在干切削和微量润滑条件下的研究[J].组合机床与自动化加工技术，2010（7）：22-25.

[3]苏宇，何宁，李亮.高速车削中低温最小量润滑方式的冷却润滑性能[J].润滑与密封，2010，35（9）：52-55.

[4]周春宏，赵汀，姚振强.最少量润滑切削技术(MQL)——经济有效的绿色制造方法[J].机械设计与研究，2005,21 (5)：81-83.

[5]魏莎莎，钟启茂.TiAIN涂层与TiCN涂层硬质合金刀具性能对比[J].机械制造，2006，44（12）：48-49.

[6]康征.微量润滑车削加工过程与表面完整性实验研究[D].上海：上海交通大学,2011.

[7]卞荣.基于低温微量润滑的PH13-8Mo高速铣削试验研究[D].南京：南京航空航天大学,2009.

[8]卞荣，李亮，何宁，等.低温微量润滑高速铣削PH13-8Mo刀具磨损试验研究[J].工具技术，2009,43(7)：14-17.

[9]吴凯.高速切削A3钢件表面质量检测与分析研究[D].杭州：中国计量学院,2012.

[10]刘岗.精密车削表面粗糙度预测及切削参数优化研究[D].秦皇岛：燕山大学,2010.

[11]刘丽娟.核电机组铸钢铣削表面完整性试验研究[D].上海：上海交通大学,2012.

[12]季霞.微量润滑切削表面残余应力预测建模[D].上海：上海交通大学,2014.

Took turbine chamber castings made of ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB material as the subject for study and completed the tests for its milling performances.By analyzing cutting force and surface quality during cutting process,collecting,comparing and analyzing the cutting force,processing quality and tool wear under three conditions i.e.dry cutting,minimal quantity lubrication and high flow of lubricant,it is available to obtain optimized parametric combination for milling that may provide the basis for follow-up research on cutting character for turbine rotor castings.

超超临界机组；耐热钢；切削；加工

Ultra SupercriticalUnit；Heat-Resistant Steel；Cutting；Processing

TH161+.1

A

1672-0555（2016）03-008-08

2016年5月

王标（1984—），男，学士，工程师，主要从事汽轮机大型部套工艺及制造工作