加工水轮机叶片高效刀具的研究及应用

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表:2007-06-28 人气:2

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关键词：水轮机叶片加工高效刀具

1．引言

大型水轮机转轮叶片采用不锈钢材料，形状为复杂三维曲面，材料难加工且其制造精度要求高。水轮机叶片制造长期采用砂型铸造，经手工铲磨成型的工艺方法；近年来发展了叶片模压成型后铲磨；模压成型后加工和铸造成型后数控加工的技术。数控加工叶片对机组的效率等水力性能有直接的影响，国外也仅有法国阿尔斯通、德国沃依滋公司等对此项制造工艺成熟。我公司为叶片的数控加工，先后引进了五轴数控镗铣床和五轴数控龙门铣床及编程软件，并专项对叶片测量、工艺装夹、自动找正、编程、刀具系统等进行了深入的研究，已完成了混流式及轴流式水轮机叶片的数控加工。作为当今国际混流式水轮机单机容量最大的三峡水轮发电机组，单机容量70万千瓦，三峡水轮机转轮直径9.8m，重450吨，转轮上有15个叶片，每个叶片毛重约23吨。叶片采用X型曲面，轮廓尺寸长约5m，宽4m，叶片单面加工区域约23.2m，三峡叶片整台加工需5个多月。因此面临着的一个关键问题就是选择高效的先进刀具和加工技术，减少生产周期，降低工时和刀具费用，提高叶片加工效率。

2.叶片加工刀具状况

不锈钢叶片加工刀具主要是面铣刀、螺旋立铣刀和球头铣刀。国内近年来先进刀具和刀具系统的国产化发展很快。叶片加工刀具关键是刀片的性能，在硬质合金刀片的发展方面，株洲、自贡等厂家在80年代末开始进行了技术引进，上硬、陕硬、牡硬等厂家刀片制造技术都有了提高。但目前在不锈钢铣削上还存在刀片切削效率低、刀片寿命短的问题，与国外有很大的差距，取代国外刀片尚任重道远。国外在不锈钢加工刀片方面进行专项研究和发展，通过添加稀有金属改变成份，如添加少量碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）、碳化硌（Cr3C）等可提高合金的硬度而不降低其韧性；国外60年代末发展超细晶粒合金，近年向纳米级发展，晶粒尺寸可达0.2～1μm，使其保持合金硬度又达到相当高速钢的韧性；采用先进烧结和压制技术；在PVD、CVD气相沉积涂层技术方面，采用多层、多材质的复合涂层，90年代初如Hertel、Ingersoll公司又发展了中温涂层技术，在合金基体上涂覆碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN）、三氧化铝（Al2O3）等耐磨性高的难熔金属材料；根据断屑、排屑、切削力变化对刀片槽型进行的研制，都极大地改善了切削性能，使得刀片耐用度大幅度提高，是国产刀片寿命的几倍、十几倍。山特维克公司2025系列牌号和M-Line槽型系列，以色列ISCAR波形刃槽型刀片，瑞典SECO公司的八角形刀片及日立CY250等都很有特色。

3.水轮机叶片不锈钢材料加工特性分析

叶片材料为ZG0Cr13Ni5Mo，属马氏体不锈钢。该材质经淬火、回火具有较高硬度、强度、耐磨性和抗氧化性能。在退火状态下，具有一定的塑性和韧性。由于含有4～6%Ni的13CrMo钢不仅具有良好的综合机械性能、低温韧性、断裂力学性能和水下疲劳性能，还具有良好的可焊性和抗磨蚀性能，因此广泛地用于水轮机部件，并作为三峡机组叶片的选材。该材料应用在水轮机转轮上，采用不含σ铁素体的低碳板条状马氏体不锈钢，通常采用二次回火热处理，工艺硬度约280HB。为提高抗泥砂磨损性能，希望更高的硬度，焊后硬度更高达330HB左右，而马氏体不锈钢材料硬度愈高愈难加工。经二次硬化回火后该材料机械性能见表1。

表1：

σs（MPa）－σb（MPa）－δs（%）－φ（%）－AK-2v（J）－HB

955～987－1080～1100－13.5～15－50～52－40～42－310

金属材料的切削难易程度用可切削性能指标来衡量，主要是刀具的耐用度、切削力和切削温度、加工表面质量、切屑的控制和断屑。以45钢的切削加工性作为1，不锈钢的可切削性在0.3～0.55之间。不锈钢材料加工特性如下：

(1)切削变形大：不锈钢塑性大,有的延伸率达σ≥40%，且摩擦系数小。导致切削时刀具磨损加剧，不易断屑。

• 基于车削加工特征的刀具选择

• 快速成形/零件制造技术

• 利用CAXA制造工程师制作扳手组件模型