汽轮机叶片不锈钢材料切削试验研究

■ 无锡透平叶片有限公司、国家能源大型涡轮叶片研发中心 （江苏 214174） 庄绪华 张家军 褚春祥

不锈钢具有较高的抗腐蚀性能，通常含铬在10%以上，并含有大量的镍，在较高温度下仍能保持一定强度，因此，不锈钢材料在汽轮机叶片制造中被大范围使用。

公司内部汽轮机叶片在锻造后都会进行热处理以调整材料硬度至客户规范要求范围内，目前公司内部热处理是淬火加回火，热处理后的材料硬度值一般在客户要求范围内偏上差，后续叶片的机加工过程中发现，硬度值在最大值附近的叶片锻件加工过程中刀具磨损较为严重，导致叶片加工效率较低、成本较高。因此，在客户硬度值要求范围内探索适合的热处理硬度值，以降低汽轮机叶片锻件机加工难度尤为重要。

1. 试验准备

（1）试验设备及刀具。试验设备为DMU 80 monoBLOCK五轴立式加工中心（见图1），行程X、Y、Z、A、B分别为：670m m、630m m、610m m、360°和±90°。

所用刀具为D40R6仿形铣刀，装4粒刀片，刀片4转位，如图2所示。

图1 试验机床

（2）试验材料。选用汽轮机叶片常用材料X12CrNiMoV12-2方料，尺寸300m m×200m m×110mm，采用两种不同热处理方法获得不同的硬度。热处理分别为淬火+回火以及淬火+回火+回火，最终，所得材料硬度值分别为319HV、290HV。

加工方式1：压板压紧，加工A面，每层总切削长度约2 000mm，如图3所示。

加工方式2：台虎钳夹紧，加工B面，每层总切削长度约1 540mm，如图4所示。

（3）试验参数。为考察两种热处理后不同硬度值的材料切削性能，进行两种不同的切削试验。

采用加工方式1考察在刀具极限寿命下，单个刀片刃口切削两种不同硬度值的材料时所能切削的长度，切削参数如表1所示。

采用加工方式2考察在相同切削长度的条件下，切削两种硬度值不同材料的刀片磨损状态，主要是通过测量后刀面的磨损长度来评价刀片的磨损程度，切削参数如表2所示。

由于受客观条件的限制，无法每次切削完成后观察刀片的磨损状态，因此，采用多组刀片分别切削相应的长度后，最后一起用显微镜观察测量。具体如下：两组刀片采用参数1分别切削硬度值为319HV的材料B面，两层切削长度约（1 540×2）mm，三层切削长度约（1 540×3）mm；两组刀片采用参数1分别切削硬度值为290HV的材料B面，两层切削长度约（1 540×2）mm，三层切削长度约（1 540×3）mm；两组刀片采用参数2分别切削硬度值为319HV的材料B面，三层切削长度约（1 540×3）mm、四层切削长度约（1 540×4）mm；两组刀片采用参数2分别切削硬度值为290HV的材料B面，三层切削长度约（1 540×3）mm、四层切削长度约（1 540×4）mm。

2. 试验结果

（1）加工方式1：刀片极限寿命下的切削长度。

选择参数1，通过图5发现，切削6 000mm后，切削材料硬度值为319HV的刀片前、后刀面都发生较为严重的磨损（属正常磨损），刀片已经不能继续使用；切削材料硬度值为290HV的刀片前、后刀面的磨损都相对较轻，刀片仍可继续加工使用，最终，刀片总切削长度约8 000mm，此时刀片的磨损状态同切削材料硬度值为319HV的刀片的前、后刀面的磨损程度大致相同。

图2 刀柄及刀片

图3 加工方式1

图4 加工方式2

表1 切削参数1

表2 切削参数2

图5 切削6 000mm后刀片磨损状态

选择参数2，进行切削试验。试验过程中发现，切削长度约为4 000mm时，切削两种不同硬度材料的刀片前刀面磨损基本相当，后刀面的磨损程度比切削硬度值为319HV材料的刀片较为严重一些。由图6能够发现，当切削长度为8 000mm时，切削材料硬度值为319HV的刀片磨损程度相比切削材料硬度值为290HV的刀片磨损程度较严重，由于其刀片磨损状态较为严重，选择不继续往下加工。通过进一步的切削试验发现，当切削长度达到10 000mm时，切削材料硬度值为290HV的刀片磨损状态同切削硬度值为319HV的刀片切削8 000mm长度时的磨损状态大致相同。

选择参数3，进行切削试验。切削长度为6 000mm时，切削两种硬度值不同的材料的刀片磨损状态相差不大；随着加工的进行，当切削长度为10 000mm时，切削材料硬度值为319HV的刀片磨损程度进一步加重，切削材料硬度值为290HV的刀片磨损程度略微增加，其磨损程度小于前者；当切削长度为12 000mm时，由图7能够发现，切削材料硬度值为319HV的刀片前、后刀面磨损已经非常严重，已不能继续使用，但切削材料硬度值为290HV的刀片磨损程度较之前有所加重，但仍可以继续使用。最终，通过进一步的切削试验发现，当切削长度达到16 000mm时，切削材料硬度值为290HV的刀片磨损状态较切削硬度值为319HV的刀片切削12 000mm长度时的磨损状态略重，但是肉眼观察两者相差不大。

（2）加工方式2：切削相同长度下的刀片磨损状态。

如图8所示，采用参数1分别切削材料硬度值为319HV以及290HV试样B面两层后，在显微镜下测量得到，其刀片后刀面的磨损长度分别为0.418mm、0.504mm、0.641mm、0.542mm以及0.2 7 m m、0.3 4 3 m m、0.245mm、0.296mm。两者中后刀面磨损长度过大或过小的可能是由于刀片安装时长短有偏差或者刀具周向跳动所导致。切削硬度值为319HV材料的后刀面的平均后刀面磨损长度为0.526mm，比切削硬度值为290HV材料的平均后刀面磨损长度0.288mm长0.238mm，这说明在参数1下，切削相同的长度时，切削硬度值较低的X12CrNiMoV12-2材料时，刀具的磨损相对较轻、刀具寿命更长。

如图9所示，采用参数1分别切削材料硬度值为319HV以及290HV试样B面三层后，在显微镜下测量得到，刀片后刀面的磨损长度分别为0.515mm、0.5mm、0.471mm、0.566mm以及0.447mm、0.449mm、0.434mm、0.372mm。切削硬度值为319HV材料的后刀面平均后刀面磨损长度为0.513mm，比切削硬度值为290HV材料的平均后刀面磨损长度0.425mm长0.088mm，虽然差距较小，但是也能够这说明在参数1下，切削相同的长度时，切削硬度值较低的X12CrNiMoV12-2材料时，刀具的磨损相对较轻，刀具寿命更长。

图6 切削8 000mm后刀片磨损状态

图7 切削12 000mm后刀片磨损状态

图8 切削B面两层后刀片的磨损状态

图9 切削B面三层后刀片的磨损状态

此外，通过计算发现，切削硬度值为319HV的材料B面三层较切削B面两层的后刀面磨损长略短，这主要是因为切削过程中，刀具磨损状态受诸多方面的影响，比如振动、工件刚性、机床本身性能以及材料组织均匀性的影响，这些因素都可能会导致每次试验结果有偏差。

如图10所示，采用参数2切削B面三层后刀片的磨损状态。分别切削材料硬度值为319HV以及290HV试样B面三层后，在显微镜下测量得到，刀片后刀面的磨损长度分别为0.343mm、0.367mm、0.469mm、0.274mm，以及0.3 1 m m、0.2 5 4 m m、0.232mm、0.327mm。切削硬度值为319HV材料后刀面的平均后刀面磨损长度为0.363mm，比切削硬度值为290HV材料的平均后刀面磨损长度0.28mm长0.082mm，相对参数1，采用参数2进行加工时，切削完成两种硬度值不同的材料三层时，后刀面的磨损长度都较小，这是因为参数2的线速度较低，切削速度对刀具磨损影响最大。

如图11所示，切削B面四层后刀片的磨损状态。采用参数2分别切削材料硬度值为319HV以及290HV试样B面四层后，在显微镜下测量得到刀片后刀面的磨损长度分别为0.513mm、0.558mm、0.517mm、0.571mm，以及0.316m m、0.329m m、0.389mm、0.23mm。切削硬度值为319HV材料的后刀面平均磨损长度为0.54mm，比切削硬度值为290HV材料的平均后刀面磨损长度0.316mm长0.224mm，而切削三层时两者之差为0.083mm，随着切削的进行，切削硬度值为319HV及290HV材料的刀片的平均后刀面磨损长度之差逐渐增大。说明在参数2下，随着加工时间增加，切削硬度较高材料的刀片磨损速度更快，要求在实际的加工过程中要合理选择热处理方式，获得硬度值合理的工件毛坯，为后续机加工降低难度。

图10 切削B面三层后刀片的磨损状态

图11 切削B面四层后刀片的磨损状态

3. 结语

本文结合目前公司内部的实际生产情况，对两种不同硬度值的汽轮机叶片所用材料X12CrNiMoV12-2开展了切削试验，主要通过两种不同的加工方式进行。一是考察极限刀具寿命下，两种不同硬度值的材料的切削长度；二是考察相同切削长度下，切削两种硬度值不同材料刀片的磨损状态。主要结论如下：

（1）在参数1条件下，刀片加工两种硬度值不同的材料，切削材料硬度值为319HV的刀片最终切削长度为6 000mm，切削材料硬度值为290HV的刀片最终切削长度为8 000mm，此时两刀片的磨损状态基本一致；在参数2条件下，切削材料硬度值为319HV的刀片切削长度为8 000mm，而切削材料硬度值为290HV的刀片切削长度为10 000mm，此时两刀片的磨损状态基本一致；在参数3条件下，切削材料硬度值为319HV的刀片最终切削长度为12 000mm，而切削材料硬度值为290HV的刀片切削长度为16 000mm，此时刀具的磨损状态较加工硬度值为290HV的材料刀片（加工完12 000mm时）的磨损状态略重，但是肉眼观察无太大差距。

（2）在参数1条件下，切削材料两层及三层时，切削材料硬度值为3 1 9 H V以及290HV的平均后刀面磨损长度分别为 0.526mm、0.513mm以及0.288mm、0.425mm。在参数2条件下，切削材料三层及四层时，切削材料硬度值为319HV以及290HV的平均后刀面磨损长度分别为 0.363mm、0.54mm以及0.28mm、0.316mm。

（3）试验证实，采用相同刀具及参数加工硬度值不同的两种材料，材料硬度值较低的，刀具磨损情况较轻，切削长度更长。

（4）试验结果为叶片锻件热处理及机加工提供了参考，在客户硬度值要求范围内，热处理可以将材料硬度值略微降低，以便后续机加工过程的进行。

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[1] 熊传富, 高江雄, 邓发利. 数控叶片刀片在不锈钢加工中的选用[J].金属加工（冷加工）,2017(11)：52-54.