660 MW超超临界汽轮机低压外缸加工技术研究

谢龙飞

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

660 MW超超临界汽轮机低压外缸结构与以往类似汽轮机同部位缸有质的不同，其特点为独立低压排汽缸结构，重量和尺寸约为华龙一号低压外缸的1/3和67%，结构形式完全相同，是公司研制大型核电汽轮机华龙一号低压外缸的 “先行缸”，它的加工精度除直接影响后继华龙一号低压外缸的研制外，还直接影响本机效率、机组安装、安全运行等方面。本文对低压外缸的加工特性作了深刻的研究，设计出了较先进的加工方案，提出了保证加工精度、减小各种变形的具体措施，在实际应用中效果很好。

1 低压外缸介绍

1.1 结构简介

如图1所示，整缸外型尺寸长×宽×高=7 612 mm×9 314 mm×7 137 mm， 总重 81 t， 上下半结构，材料Q235-B，六半缸均为焊接毛坯。上半缸分成前后对称两部分，一半的外形尺寸长×宽×高=3 806 mm×9 060 mm×3 737 mm， 重 19.5 t。 下半由前后端部和左右中部四缸围合而成，端部外形尺寸长×宽×高=1 950 mm×9 314 mm×3 400 mm， 重14.8 t，中部外形尺寸长×宽×高=3 712 mm×1 910 mm×3 400 mm，重6.2 t。六缸组合时，水平中分面、垂直接配面由销子定位，螺栓连接。工作时，低压外缸主要起保持排汽真空和背压稳定作用，有严格的气密性要求。

图1 低压外缸结构示意图

1.2 总装状态

低压外缸厂内总装方式与电厂接近一致，在厂内完成总装后再拆缸发往电厂，电厂再按厂内方式复装。缸的汽封档内端面装导流器、外端面装密封装置，下半排汽口接冷凝器，上半背部接进汽管。

1.3 主要技术要求

单缸精度：上下半垂直接配面对水平中分面垂直度0.30 mm，下半中部两垂直接配面平行度0.125 mm；上下半各缸水平中分面、垂直接配面平面度0.012 5 mm/305 mm、0.125 mm/整面，粗糙度Ra1.6 μm；汽封档端面对汽缸中心线垂直度0.025 mm，汽封档端面平面度0.025 mm，粗糙度Ra3.2 μm。

合缸精度：汽封档上下半轴向错位＜0.025 mm、径向错位＜0.05 mm，两汽封档内孔同柱度Φ0.08 mm。自由状态下，上半垂直接配面上张口0～1.05 mm、下半下张口0～0.38 mm，水平中分面自由状态间隙＜0.25 mm；水平中分面和垂直接配面把合1/3螺栓间隙＜0.05 mm。

2 加工方案设计

2.1 图纸研究

从低压外缸结构、总装状态、技术要求可以看出，由于下半水平中分面是电厂安装和厂内加工、总装最重要的基准，故要求下半四缸接配后拼接成的水平中分面应尽可能平。上半垂直接配面对水平中分面垂直度是上半加工的难点之一。汽封档形位公差要求较高，镗床加工时又是高位作业，镗孔前应加工出合理适用的测量和找正基准。各缸水平中分面、垂直接配面Ra1.6 μm的粗糙度高于同类缸，因工件刚性差，加工中也有难度。本缸加工后两个最重要的技术指标，一是合缸精度，二是水平中分面、垂直接配面把合后的封气效果。

2.2 工艺方案

低压外缸尺寸大、结构复杂、刚性差、精度高，结合设备条件，为保证加工精度，进行了如下工艺方案的设计。

2.2.1 粗精加工分开

该缸单面加工余量12 mm，由于毛坯误差，最大达到18 mm，为减小加工应力、加工热变形带来的加工误差，严格将粗精加工分开。

2.2.2 装夹方式的选择

加工中，做到工件的装卡、支承方式与电厂安装和厂内总装一致或接近。

2.2.3 基准统一

加工中，尽可能做到设计、加工、总装、测量基准统一，以减小基准不重合误差。汽轮机中心线、汽缸中心线是设计基准。实际制造过程中，水平中分面和垂直接配面是最重要的工艺基准—加工、总装、测量基准，制定工艺方案时将设计基准过渡到水平中分面和垂直接配面，下半部分工序以底面作为工艺基准。

2.2.4 上半水平中分面垂直接配面加工方式的确定

总装时，水平中分面间隙是在上半前后部处于组合状态下检测的。为保证间隙合格，从理论上讲，组合加工水平中分面最为合理，但组合加工会遇到：

（1）加工流程复杂，工作量大，加工成本高；

（2）组合加工必须水平中分面向上，主支点、辅助支承无理想位置，找正压紧困难；

（3）汽缸不同部位刚性差异较大，挠度不便消除，加工状态与总装时刚好相反，变形误差大；

（4）组合后自身刚性变得差异更大，装夹时上重下轻，加工振动无法克服；

（5）因支承力、夹紧力不均和自重影响，两垂直接配面贴紧后会处于互相带力状态，而总装接配时两垂直接配面又处于自由状态，其结果是垂直接配面产生较大间隙和连接孔错位。上半分开加工水平中分面具有加工过程简单，装夹方便，采取一定工艺手段又能保证加工精度，故两个上半采用分散加工水平中分面的工艺方案。

2.2.5 下半水平中分面加工方式的确定

（1）下半水平中分面分散加工方案

分析加工图可看出，下半端部、中部各自分开加工，工艺过程相对简单，单缸加工精度均能做到图纸要求，四缸连接后会因各缸垂直接配面与水平中分面垂直度累积误差，出现下半整缸状态的水平中分面是折面，扣合上半后水平中分面间隙将达不到图纸要求。

（2）下半水平中分面集中加工方案

下半各缸先各自加工准垂直接配面和该面上的螺栓孔、定位销孔，水平中分面留5 mm精铣余量，四缸接配后再上龙门铣按工作状态装卡，整缸加工水平中分面，这种加工方式可确保水平中分面平面度和间隙完全符合图纸要求，见图2。为保证左右中部等宽，将两个中部同时装卡于镗床回转工作台，工作台旋转3次，仅一次装卡便完成两垂直接配面的精铣和该面上的螺栓孔、定位销孔的加工以及两水平中分面的半精铣，同时还很好地保证了形位及尺寸公差要求，见图3。

图2 龙门铣加工下半水平中分面

图3 镗床加工中部接配面、水平中分面

比较两个加工方案，选取整缸加工下半水平中分面的工艺方案。

2.2.6 上下半汽封档加工方案

分拆汽封档技术要求、缸的总装状态、设备加工能力，确定按总装和电厂安装方式加工汽封档。相关加工过程为：下半整缸合铣水平中分面→用上半号划下半水平中分面各连接孔→上下半合并→钻铰水平中分面销孔→装定位销→六缸把合上镗床→按相关要求合镗汽封档，见图1。

3 精度保证措施及加工结果

3.1 上下半水平中分面的精确划线

划线前，松开焊接序保留的工艺拉筋，让工件在自由状态下划线，为保证水平中分面无扭曲变形，划线工序有负荷分配工步，其主要过程及相关要求如下。

要求划线平台水平精度0.05 mm/1 000 mm×1 000 mm， 0.20 mm×0.15 mm/13 000 mm×7 500 mm，划线高度尺精度0.05 mm，测力计精度0.1 kN。在划线台上，工件水平中分面向下，四角左右对称位置支测力计，分配好中分面加工余量后，记录各测力计的值，根据测力计的值和支点位置计算出工件重量和重心位置，再将重力反算到四角，由于工件对称，一般情况下：PA1≈PA2①PB1≈PB2②PA1＋PB2≈PA2＋PB1③。

当工件不对称时，四角支力差值较大，取其计算值，见图4。

图4 整缸中分面轮廓示意图

3.2 上下半挠度变形的控制方法

由于上下半各缸结构复杂，特别是下半四缸接配后缸的结构变得更为特殊，加之毛坯制造存在误差，在加工中一般用三点支撑法来减小挠度变形。

以缸的宽度方向为例，介绍三点支撑法。汽缸两支点间挠度变形的力学模型如图5所示，支两端挠度曲线为a，向下最大挠度变形Ya一般在中点处。在B1、B2两点间的中点用千斤顶缓慢上顶， 直至 PB1和 PB2＞0～＜0.3 kN， 或不用测力计将其换成监百分表并指针对零，百分表表值＞0～＜0.02 mm即停止上顶，此时得到另一条挠度曲线b，向上最大挠度变形Yb一般在中点处。同时上顶前在中点部位监上百分表，上顶后表的变化量即为总的挠度变形Ya+Yb，按材料力学相关公式计算Ya∶Yb=5∶8，故消除中点部位挠度，理论上顶值为 （Ya+Yb）5/8。针对不同情况，中点部位上顶量的取值范围在＞（Ya+Yb）/2～＜（Ya+Yb）5/8之间选取。这种方法简单、方便、实用。

图5 汽缸挠度变形示意图

3.3 水平中分面垂直接配面加工刀具及切削参数选择

3.3.1 刀具的选用

工件材料为Q235-B，考虑到工件刚性差，加工面大，平面度、粗糙度要求高的特点，同时为了减少机床的占用时间，在选择刀具时做到：（1）效率高；（2）切削力小， 尤其是轴向力；（3）有良好的抗振特性；（4）高硬度、高耐磨性、高强度、韧性好、耐用度高；（5）切削时磨擦系数小，有利于提高表面粗糙度；（6）有良好的抗粘结性能，粘结磨损小；（7）化学稳定性好，扩散磨损小；（8）高温特性优良；（9）性价比合理。

日本三菱公司SE445-315C14R铣刀盘本体、SECN1203AFTN1/NX2525粗铣刀片、WEC42AFTR5C/NX2525精铣刀片特性分析如下：

（1）刀盘加工直径Φ315 mm，14个切削齿非等距分布，切削时不会产生周期性振动；

（2）使用时，刀盘可分别装粗精铣刀片，即粗精加工合用一个刀盘。精铣切深控制在0.03～0.05 mm，一般不超过0.10 mm；

（3）精铣刀片前角13°、后角7°，切削力小，尤其是轴向力，切削时工件变形小、不易产生振动；

（4）精铣刀片修光刃刃形为圆弧，半径R500 mm，修光刃长，加工表面粗糙度高，平面度好，参见图6；

图6 刀盘及精铣刀片切削刃示意图

（5）粗精刀片均为陶瓷材料，具有高硬度、高耐磨性、摩擦系数小、抗粘结性能好的优点，不易产生积屑瘤，切削轻快，高温性能、化学稳定性能好，可长时间工作，最高切削速度可达750 m/min，加工效率极高。随着切削温度的增加，刀片的强度、韧性不但不会下降，反而略有提高，在高温下已接近硬质合金水平；

（6）抗振效果优良。

通过分析，决定选用该刀盘。

3.3.2 切削参数的选择

先留一定余量，用试切法来选择切削参数，由于工件刚性差，为减小切削力带来的加工振动，将粗精铣分开。

3.4 上半垂直接配面与水平中分面垂直度的保证方法

图7是镗床加工垂直接配面的工位情况，加工水平中分面的工位为垂直接配面向下，水平中分面向镗床主轴。

图7 镗床加工上半垂直接配面

加工垂直接配面时，采用8杯水连通水平测量工具来调整中分面水平。

3.4.1 水连通水平测量工具测量原理介绍

加工八件材质为钢件等高允差为0.005 mm的水杯，各自用透明胶管与一个稍大的灌水杯相连，将水杯置于被测平面上，水面稳定后，用深度千分尺测量水面到杯口的深度，比较各杯的差值，即为被测部位的水平精度，超差时调整被测部位高低。

3.4.2 上半水平中分面找平方法

考虑到水平中分面变形和机床工作台实际水平精度较差等情况，先按图7粗找中分面水平。精找时，将八个水杯置于水平中分面四角和汽封档四拐角支点旁的工作台上，用内径千分尺测量水杯杯口到水面和杯口到水平中分面的尺寸，相加即为支点处中分面的水平精度。调完支点后，要求八个支点的等高允差＜0.05 mm，由于上半合缸时要求有上张口，故0.05 mm的误差趋势靠垂直接配面低，汽缸端头高来调。

3.5 汽封档加工精度保证方法

下半四缸组合状态，按图2在龙门铣精铣下半水平中分面时，顺便在汽封档内孔和中分面法兰四角给合镗汽封档工序加工出找正基准和测量基准。上下半六缸组合后置于镗床回转工作台，按水平中分面和基准找正加工即可，见图1。

3.6 加工结果

各加工尺寸、形位公差、表面粗糙度等均符合设计要求。特别是合缸后，上半垂直接配面上张口值＜0.15 mm，下张口＜0.08 mm，自由状态中分面间隙小于0.10 mm。

4 结论

本文介绍的低压外缸加工技术，不仅能保证单半汽缸的加工精度，而且更能保证合缸精度。在工序安排上，灵活地将整缸与分缸加工相结合，并将总装过程全部分散到加工工序中，缩短了生产周期，降低了生产成本，其技术、经济效果良好，具有很好的推广价值。同时，本文所介绍的加工技术也为结构复杂、精度高、刚性差的大型装焊件、铸锻件的加工提供了先进的工艺方法，目前在制的华龙一号低压外缸正按本文介绍的加工方法顺利加工。