罗霞，李旭，方宝玉，杨达伟，谢龙飞，彭刚

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

随着市场对汽轮机机组性能要求越来越高，设计人员对产品的加工面质量、精度也提出了更高要求。而目前大部分汽轮机部件均依靠传统的加工设备进行生产，很难达到超高精度的表面质量；一些产品结构尺寸大，只能上大立车进行车削加工，大立车转速低，线速度低，要达到较高表面质量的要求更是难上加难。本文围绕汽轮机静子大件的几种产品展开，从图纸技术要求、工艺方案分析、设备选型、滚压刀具选型、产品应用效果等逐一介绍，总结了超精密滚压技术的应用经验。

1 中压排汽缸垂直接配面滚压技术研究

1.1 技术要求

图1所示的汽轮机中压排汽缸为上下半结构，外形尺寸6 860 mm（长）×6 750 mm（宽）×7 315 mm（高），回转直径接近φ8 500，上下半总重122 t，材料：CrMo铸钢。

图1 中压排汽缸示意图

垂直接配面为重要的密封面，最终与高压缸前部接配成一整体，其为直径φ4 444～4 896 mm的环型平面，外圆处为毛坯面，设计要求粗糙度达Ra1．6，平面度0．05 mm，如图2所示。中压排汽缸内部有隔板定位槽、汽封定位槽，垂直接配面与隔板、汽封定位面有0．1 mm平行度要求，与中分面有0．1 mm的垂直度要求。

图2 垂直接配面设计要求

1.2 工艺方案分析

垂直接配面为重要的密封面及定位面，加工面质量直接影响两缸接配质量及内部通流件装配质量，保证垂直接配面与定位面、中分面的形位公差要求，粗糙度要求是工艺方案选择重点考虑的因素，为避免错位，上下半组合后加工是方案选择的首要条件。

1．2．1 方案1：组合后上龙门铣进行铣削加工

优点：能很好地保证垂直接配面的粗糙度。

缺点：①龙门铣走大直径面圆弧插补容易造成加工面平面度超差、接刀痕无法消除；②龙门铣加工垂直面会导致二次装夹，与汽缸内腔定位面形位公差不易保证；③大型龙门铣资源紧张，该方案影响其他产品生产安排。

1．2．2 方案2：组合后上Φ12．5米立车加工。

优点：①能很好地保证垂直接配面与定位面、中分面的形位公差；②车削加工的表面质量密封效果更好。

缺点：因大立车转速低，线速度低，无法直接通过车削达到Ra1．6粗糙度要求。

综合分析，方案2为最优方案，但需要解决表面粗糙度问题。

1.3 滚压方案

方案2车削后可让钳工用细砂纸砂磨提高表面粗糙度，但耗时耗力，生产周期长。通过分析垂直接配面尺寸及加工范围，用弯头滚压刀对精车面进行滚压提高表面粗糙度，该滚压刀可直接安装在主轴刀排上，滚压头上的单滚柱对精车表面施加一定的挤压力，使高低不平的车削表面更平整，以提高表面质量。

1.4 车削与滚压方案对比试验

1．4．1 车削试验

①刀片型号：CNMG120408N-SU；刀片材质：AC520U。

②切削参数：转速S=7 r/min；进给F=0．8 mm/min；切深0．2 mm。

③试验过程：从汽缸内圆往外圆走刀加工，切削范围100 mm，整个切削过程平稳无颤动，排屑较好。

④试验结果：粗糙度Ra2．8～Ra3．2，刀片完好无损，平面度：0．02～0．03 mm。

⑤车削试验结论：此次试验按精车切深加工，切削长度100 mm，线速度为91～96 mm/min，由于汽缸太重，属于不规则形状，转速过高离心力大危险性也大，无法再次提高立车转速，故仅用车削加工无法达到图纸粗糙度要求。

1．4．2 车削+滚压试验方案

①刀片型号：CNMG120408N-FL；刀片材质：AC520U

②弯头滚压刀型号：SR5AR-S25

③车削参数：转速S=7 r/min；进给F=1．5 mm/min；切深0．2 mm。

④滚压参数：转速S=6 r/min；进给F=1．5 mm/min；滚压深度0．18～0．26 mm。

⑤试验过程：从汽缸内圆往外圆走刀加工，整个车削过程平稳无颤动，滚压时按底点对刀下0．18 mm，由于车削后平面度为0．05～0．08 mm，故滚压深度为：0．18～0．26 mm，滚压过程平稳无颤动无异响，定时进行油冷。

⑥试验结果：车削后粗糙度Ra5．1～Ra6．3，平面度：0．05～0．08 mm。

滚 压 后 粗 糙 度Ra0．19～Ra0．32， 平 面 度：0．05～0．07 mm。

⑦车削+滚压试验结论：滚压后效果非常好，粗糙度远高于设计要求，对平面度也有一定的修正作用，整个垂直接配面环型带平面度能满足图纸要求，在水平中分面附近由于为断屑加工平面度超差0．02 mm，但接配面的密封主要靠环型带完成，滚压后的平面度完全能达到各项设计要求。

1.5 滚压试验总结

对于类似中压排汽缸垂直接配面的加工，粗糙度及平面度要求都比较高，采用车削加工达不到粗糙度要求，可采用此次试验中滚压的方式提高表面粗糙度，但需注意以下几点：

①滚压前的车削面粗糙度应该在Ra6．3以下。

②滚压前车削面平面度最好控制在0．05 mm以内。

③滚压前应将车削面彻底清理干净，防止滚压过程中遇到杂质损坏滚压头及滚压面。

④滚压深度应控制在0．10～0．30 mm。

⑤滚压过程中定时进行油冷或切削液冷却。

2 蒸汽室管口外圆司太立合金堆焊层滚压技术研究

2.1 技术要求

蒸汽室为上下半结构，上半示意图见图4，外形尺寸420 mm（长）×1 500 mm（宽）×1 165 mm（高），上下半总重2．21 t，材料：CrMo铸钢件。

图4 上半蒸汽室示意图

蒸汽室上下半背部各对称分布2处进汽管，因机组运行时进汽插管受高温汽流的冲刷及振动作用容易对进汽管附件造成损坏，故在进汽管外圆要求堆焊司太立合金，堆焊后精加工面表面粗糙度要求达到Ra0．4，直径公差0．013 mm，两进汽管口中心尺寸位置公差0．1 mm。图5为管口堆焊前后加工图。

图5 管口堆焊司太立合金前后加工图

2.2 工艺方案分析

蒸汽室进汽管为左右对称布置，管口中心与蒸汽室中心不重合，故无法采用车削方式进行加工，只能采用镗铣床进行加工。镗铣床加工方式有2种：第1种主轴装槽铣刀进行铣削加工，该种将方式因需要接刀走圆弧插补完成，无法满足0．013尺寸公差要求；第2种滑枕装平旋盘进行镗削加工，选择适合高硬度司太立合金切削的刀片，通过控制切深、走刀、转速等满足尺寸公差要求，但Ra0．4的粗糙度仅采用镗削加工满足，无法达到，故需要考虑其他方式满足该要求。

2.3 滚压方案

司太立合金堆焊层硬度可达HRC50以上，普通的滚压刀滚珠硬度与其接近，无法达到滚压效果，需采用更高硬度的滚压刀具，其滚珠采用金刚石材质，其硬度为最高洛氏硬度，适用于滚压司太立合金堆焊层。

2.4 镗削与滚压方案试验

2．4．1 粗镗试验

①粗刀片型号：CNMG 120408,MT TT8020。

②切削参数：转速S=35 r/min；进给F=4 mm/min（工作台）；切深0．3 mm。

③试验过程：从管口端面沿轴向方向粗镗，走刀至100 mm左右时，刀片崩刃，换刀片后，轴向尺寸加工至240 mm；再换刀片后进行第2次粗镗，直到堆焊层表面去掉。

④试验结果：粗糙度Ra3．2～Ra6．3。

⑤粗镗试验结论：切深不大，镗削过程平旋盘刚性良好；但由于司太立合金堆焊层硬度高，堆焊层表面凹凸不平，镗削过程中存在断屑切削且有较大的冲击，刀片容易崩刃。

2．4．2 精镗试验

①精刀片型号：CNMG 120408,MPTT5030。

②切削参数：转速S=60 r/min；进给F=8 mm/min（工作台）；切深0．05 mm。

③试验过程：从管口端面沿轴向方向精镗，精镗过程平旋盘平稳无颤动，刀片完好。

④试验结果：椭圆度直径方向0．01 mm，沿轴向方向挠度0．01 mm，粗糙度Ra0．8左右。

⑤精镗试验结论：由于粗镗已经去除堆焊层表面，精镗为连续切削，过程平稳，刀片寿命较好。小切深、大进给能有效保证精镗的表面质量。

2．4．3 滚压试验

①滚压刀型号：CEO-4D1L-S25。

②切削参数：转速S=60 r/min；进给F=3 mm/min（工作台）；切深0．2 mm；压刀0．05 mm。

③试验过程：从管口端面沿轴向方向滚压，滚压过程中机油润滑，平稳无颤动。

④试验结果：椭圆度直径方向0．01 mm，沿轴向方向挠度0．01 mm，粗糙度Ra0．2～Ra0．3。

2.5 滚压试验总结

对于类似司太立合金堆焊层的加工，材料硬度高，粗糙度及尺寸公差要求高，采用镗削粗糙度达不到要求，可采用金刚石滚压刀通过滚压的方式提高表面粗糙度，但滚压过程需要注意滚压前粗糙度控制，表面清理，滚压中油冷。另外，由于尺寸公差要求高，为防止滑枕进给造成挠度加大影响最终尺寸，加工过程中采用旋转工作台V轴进给，对尺寸及形位公差保证更有利。

3 高压内缸开档定位面滚压技术研究

3.1 技术要求

图6所示汽轮机高压内缸为上下半结构，外形尺寸3 300 mm（长）×2 110 mm（宽）×2 068 mm（高），回转直径接近φ2 200，上下半总重26．5 t，材料CrMo铸钢件。图中开档面（出汽侧）为定位面，机组运行时需要级间密封，表面粗糙度较高Ra1．6。

图6 高压内缸示意图

3.2 工艺方案分析

高压内缸开档面可采用单半龙门铣铣削加工方式完成，但因汽缸内腔开档定位面较多，单半加工不易控制各档定位面轴向及径向错位，错位的存在直接影响机组性能，故在产品结构尺寸满足上下半组合车削的情况下，一般不采取单半铣削方式。该类汽缸长度超过3 m，组合加工需上加高大立车完成内腔开档面加工，因汽缸过高，装夹后稳定性差，车削时大立车转速无法提高，最多能达到16 r/min，内腔开档圆尺寸约φ1 200，线速度仅能达到60 m/min，无法确保定位面Ra1．6粗糙度要求，需要采用其他便捷方式提高粗糙度。

3.3 滚压方案

通过对汽缸材料硬度及开档定位面结构尺寸分析，选用直柄滚压刀进行滚压提高开档定位面表面粗糙度要求，该滚压刀柄部4个对称面削平可用于立车主轴刀排直接把紧，滚压头为整体滚柱，可同时用于内孔、外圆及端面的滚压。

3.4 滚压方案试验

3．4．1 滚压前状态

各开档加工面尺寸到位，粗糙度约Ra3．2。

3．4．2 滚压试验

①滚压刀型号：SR26C100。

②切削参数：转速S=16 r/min；进给f=1．6 mm/min；切深0．2 mm。

③试验过程：从汽缸内侧向外侧横向走刀滚压，滚压过程中机油润滑，平稳无颤动。

④试验结果：粗糙度Ra0．2～Ra0．3。

3.5 滚压试验总结

对于常规火电机组高压内缸、低压内缸及隔板套，开档定位面粗糙度要求都比较高，采用大立车车削加工达不到粗糙度要求，可采用此次试验中滚压的方式提高表面粗糙度，但需注意滚压前粗糙度控制，表面清理，滚压中油冷，滚压深度控制在0．10～0．30 mm，另外，此种结构的滚压头，存在如图7所示1 mm左右的加工盲区，对于根部倒角≥R1的工件适合。

图7 直柄滚压头加工范围

4 结束语

目前提高表面质量的方式除本文所述的机械滚压，还有超声波高频振动方式，超声波振动方式需要单独采购设备，相对来说机械滚压方式的便捷性、成本等更占优势。市场上机械滚压刀选择多样，用于车、铣、镗等加工设备，覆盖孔、平面、外圆、曲面、锥面等各种零件，本文列举3种典型产品的滚压加工应用，表面质量提升效果明显，滚压刀因不产生切削，在施加一定的挤压力情况下仅对表面起到平整作用，不会改变加工面的尺寸。

在滚压刀的选择上需特别注意，滚珠与产品材料硬度的匹配，滚珠硬度需高于产品材料硬度，相似硬度不仅无法提高表面质量反而会破坏已加工的表面粗糙度。滚压刀使用前表面尺寸一致性（如平面度）及表面粗糙度是决定滚压后效果的关键因素，一般来说，良好的加工表面滚压后可降低10倍的粗糙度；较差的表面滚压后可降低4倍的粗糙度。文中提到的油冷方式主要为提高滚珠的使用寿命，在条件受限的情况下也可进行无润滑滚压。

本文介绍了几种典型零件的滚压应用，为类似结构产品提供了实例参考，总结了一套超精密滚压技术的应用经验。