1 前言
D600B由東方汽輪機(jī)廠引進(jìn)國(guó)外某公司600MW大型火力發(fā)電機(jī)組，它是實(shí)現(xiàn)600MW大型發(fā)電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的一個(gè)重要步驟，而噴嘴室的國(guó)產(chǎn)化是該機(jī)組實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的重要內(nèi)容之一。噴嘴室是高溫高壓蒸汽進(jìn)入熱力循環(huán)的重要通道，在制造過(guò)程中保證設(shè)計(jì)的要求是保證機(jī)組熱循環(huán)效率的一個(gè)重要條件。
東汽廠首先采用了此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的300MW機(jī)組中借鑒了國(guó)外某公司亞臨界600MW機(jī)組噴嘴室的結(jié)構(gòu)，它主要由噴嘴室、噴嘴加強(qiáng)環(huán)、噴嘴葉柵三部分組成。但是D600B機(jī)組噴嘴室的結(jié)構(gòu)與東汽300MW機(jī)組噴嘴室相比較，在噴嘴加強(qiáng)環(huán)的結(jié)構(gòu)上有了很大的改變，它采用的是國(guó)外某公司超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組噴嘴加強(qiáng)環(huán)的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的改變大大地增加了加工的難度。
2 D600B噴嘴室及噴嘴加強(qiáng)環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
D600B噴嘴室的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由三部分組成：噴嘴室、噴嘴加強(qiáng)環(huán)及噴嘴葉柵，三部分通過(guò)焊接方式連接為一個(gè)整體。
噴嘴加強(qiáng)環(huán)是連接噴嘴室和噴嘴葉柵的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，圖2是根據(jù)設(shè)計(jì)要求通過(guò)PRO/E三維造型建模生成的噴嘴加強(qiáng)環(huán)三維立體圖。由于噴嘴加強(qiáng)環(huán)是高溫高壓蒸汽進(jìn)入熱循環(huán)的重要通道，耐高溫高壓和可靠的連接強(qiáng)度就成為設(shè)計(jì)的必要條件，因此采用了高溫合金鋼材2Crl2NiMolW1V作為加強(qiáng)環(huán)本體的材料，毛坯為鍛造毛坯。在噴嘴加強(qiáng)環(huán)180度半環(huán)上設(shè)計(jì)了81個(gè)窄汽道和兩端各&個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的型腔。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以最大限度地減少汽流在流動(dòng)過(guò)程中的能量損失，另一方面也大大地增加了加工的難度。
3 噴嘴加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)工藝性分析
該結(jié)構(gòu)在具備良好的設(shè)計(jì)性能的同時(shí)，犧牲了其良好的機(jī)械加工工藝性，給機(jī)械加工工藝方案的設(shè)計(jì)和如何實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)高效加工留下了一個(gè)很大的難題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）零件材料選用2Crl2NiMolW1V，高溫合金鋼，鍛件毛坯。這種材料具有很高的機(jī)械強(qiáng)度，加工性能較差，加工時(shí)斷屑為帶狀，并容易出現(xiàn)燒刀、粘刀現(xiàn)象，給車削加工和銑削加工的刀具材料和切削參數(shù)選擇帶來(lái)很大困難。
（2）零件汽道型腔的尺寸小，加工深度大，銑削加工刀具的加工長(zhǎng)度直徑之比較大，刀具的切削狀態(tài)很不理想，給銑削加工的切削參數(shù)選擇造成較大困難。
（3）汽道型腔形狀很不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其數(shù)控加工利用手工編程的方法無(wú)法完成加工程序的設(shè)計(jì)，必須借助于具有三維立體造型和加工程序自動(dòng)生成及程序后值處理功能的程序設(shè)計(jì)軟件才能完成其數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)。
4 噴嘴加強(qiáng)環(huán)機(jī)械加工工藝方案設(shè)計(jì)
4.1工藝方案的選擇
通過(guò)對(duì)噴嘴加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及機(jī)加工工藝性分析，并結(jié)合東汽在$00+-機(jī)組噴嘴室加工取得的成功經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)12003噴嘴室機(jī)械加工的難點(diǎn)主要集中在噴嘴加強(qiáng)環(huán)的加工，而噴嘴加強(qiáng)環(huán)的加工難度主要集中在噴嘴汽道型腔的加工上。由于其前所未有的加工難度，在其總體加工方案的制定上必須采取科學(xué)的態(tài)度，為此東汽廠進(jìn)行了大量的前期方案論證工作。可供選擇的主要方案有：
（1）全部采用機(jī)械加工的方式；
（2）汽道型腔采用電火花加工，其余部位采用機(jī)械加工；
（3）加強(qiáng)環(huán)整體外購(gòu)。
4.2總體加工方案的制定
在對(duì)噴嘴加強(qiáng)環(huán)多種制造方案的比較，并進(jìn)行嚴(yán)格論證的基礎(chǔ)上，制定了如下的總體加工方案：以數(shù)控加工為主，輔以其它普通加工方式進(jìn)行噴嘴加強(qiáng)環(huán)工藝設(shè)計(jì)。加強(qiáng)環(huán)出汽側(cè)的焊接坡口及進(jìn)汽側(cè)焊接坡口除環(huán)狀型線外的其它結(jié)構(gòu)尺寸用C516立車加工，進(jìn)汽側(cè)環(huán)狀焊接坡口的型線和通流部位的型腔全部在數(shù)控滑枕床身數(shù)控銑床（XK7710A）上進(jìn)行。
5噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工刀具設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工藝試驗(yàn)的實(shí)施
5.1數(shù)控加工刀具的設(shè)計(jì)
數(shù)控加工刀具的選擇和設(shè)計(jì)是噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，全周81個(gè)狹窄汽道的結(jié)構(gòu)尺寸較小，加工深度深，加工時(shí)刀具切削接觸面積大，刀具的切削加工條件較為惡劣。
經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目工藝試驗(yàn)第一階段成果的總結(jié)，對(duì)噴嘴加強(qiáng)環(huán)的設(shè)計(jì)提出了改進(jìn)意見，并對(duì)數(shù)控加工刀具進(jìn)行了設(shè)計(jì)。對(duì)刀具材料選用了韌性及抗粘刀效果較好的鋁高速鋼，考慮到粗加工和精加工分開進(jìn)行；在刀具結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)了刀尖帶R1的立銑刀和球頭銑刀兩種結(jié)構(gòu)，粗加工采用帶R1的立銑刀，精加工采用球頭銑刀，圖3所示是立銑刀和球頭銑刀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
5.2噴嘴加強(qiáng)環(huán)汽道加工工藝試驗(yàn)的實(shí)施
通過(guò)對(duì)噴嘴加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)工藝性的分析及在數(shù)控加工刀具的選擇和設(shè)計(jì)上所遇到的巨大困難，發(fā)現(xiàn)噴嘴加強(qiáng)環(huán)汽道型腔的數(shù)控加工方案是否可行，如何在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以及如何實(shí)現(xiàn)噴嘴加強(qiáng)環(huán)的高效、經(jīng)濟(jì)加工是本項(xiàng)目能否取得成功的關(guān)鍵，所有這些都需要通過(guò)嚴(yán)格的科學(xué)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，東汽廠通過(guò)實(shí)施以下的工藝試驗(yàn)對(duì)工藝方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。
5.2.1試驗(yàn)?zāi)康?br />
(1)驗(yàn)證噴嘴加強(qiáng)環(huán)噴嘴數(shù)控加工工藝的可行性；
(2)驗(yàn)證噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)學(xué)模型建立、加工程序自動(dòng)生成、程序后值處理與設(shè)計(jì)要求的一致性；
(3)選擇合理的切削參數(shù)，提高加工效率，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)噴嘴加強(qiáng)環(huán)的高效經(jīng)濟(jì)加工；
(4)確定刀具的結(jié)構(gòu)尺寸。
5.2.2試驗(yàn)結(jié)果
兩個(gè)階段的試驗(yàn)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的工藝性改進(jìn)，加工程序的精確設(shè)計(jì)，加工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，驗(yàn)證了600MW噴嘴加強(qiáng)環(huán)汽道數(shù)控加工工藝方案設(shè)計(jì)、數(shù)控加工程序的設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的，并且通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出了實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)、高效加工的刀具材料和合理的切削參數(shù)，達(dá)到了試驗(yàn)的目的，解決了600MW噴嘴加強(qiáng)環(huán)汽道加工的難題。
6 D600B噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)
D600B噴嘴加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，汽道部分是由多張曲面組成，手工編制該零件的數(shù)控加工程序根本無(wú)法進(jìn)行，只有采用自動(dòng)編程系統(tǒng)編制程序。使用自動(dòng)編程系統(tǒng)編制數(shù)控加工程序，首先必須準(zhǔn)確地建立被加工零件的三維實(shí)體圖，有了三維實(shí)體圖才能進(jìn)行模擬加工、干涉檢查以及數(shù)控加工程序的生成。
6.1模型的建立
由于D600B噴嘴加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型的建立困難，特別是加強(qiáng)環(huán)兩端的汽道更復(fù)雜，設(shè)計(jì)圖紙只給出了三個(gè)截面的型線，見圖4。
圖紙給出的信息不足，按照?qǐng)D紙給定的信息，在01234軟件中無(wú)法建立零件的模型，如何利用01234軟件中基本功能建立出光滑過(guò)渡的汽道，又能滿足設(shè)計(jì)的要求是噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工的又一個(gè)難點(diǎn)。
針對(duì)上述問(wèn)題，主要采取以下技術(shù)措施：分析加強(qiáng)環(huán)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的信息，由于汽道的進(jìn)出汽側(cè)的結(jié)構(gòu)截然不同，見圖5，結(jié)合PRO/E軟件中具有的建模功能。在建模中，將汽道分為兩部分，分別用不同的建模方式建立，進(jìn)汽側(cè)采用變截面旋轉(zhuǎn)方式建模，出汽側(cè)采用變截面拉伸方式建模，兩曲面的過(guò)渡采用變5的倒角方式。通過(guò)采取上述措施，完成了模型的建立，所建立的模型完全達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙的要求，而且整個(gè)汽道是光滑過(guò)渡的。
6.2NC加工
PRO/E加工模塊提供了常規(guī)的加工方法，其加工方式缺乏很大的自由度，01234生成67程序存在的主要技術(shù)難點(diǎn)如下：
（1）自動(dòng)生成的程序繁瑣，加工效率低。如在精加工汽道時(shí)，采用窗口加工方式自動(dòng)生成的刀具軌跡見圖6，由于已經(jīng)過(guò)了粗加工，被加工曲面的余量只有1mm，自動(dòng)生成的刀具軌跡有空走刀現(xiàn)象。
(2)自動(dòng)生成程序的走刀軌跡與實(shí)際加工要求差距較大。在加工噴嘴加強(qiáng)環(huán)外側(cè)兩端!,9坡口時(shí)，由于加工余量大，而且不均勻，實(shí)際加工中是采用Ф100的盤銑刀加工，走刀軌跡要求分層切削，這樣加工效率高，用PRO/E自動(dòng)生成的程序無(wú)法達(dá)到上述要求，生成的加工軌跡見圖7。
（3）加工區(qū)域過(guò)小，造成刀具在切入時(shí)有扎刀現(xiàn)象。在加工不封閉曲面時(shí)，在01234軟件中刀具的軌跡是沿著被加工曲面的邊界切入的，而實(shí)際加工時(shí)，由于該零件其它部位還有加工余量，因此被加工曲面大于零件的曲面，造成扎刀現(xiàn)象。
針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)采取的主要技術(shù)措施：
（1）在完成零件的粗加工后，在零件毛坯上將粗加工的余量去除，精加工時(shí)毛坯只留有1mm精加工余量，以減少空走刀現(xiàn)象。
(2)利用PRO/E軟件中的體積加工的功能，將希望的走刀軌跡的范圍作為輪廓建立被加工的區(qū)域，達(dá)到分層切削的目的。
（3）加工外側(cè)兩端45度坡口時(shí)，將被加工曲面延伸，加大加工區(qū)域。
6.3后置處理程序的設(shè)計(jì)
自動(dòng)編程系統(tǒng)的生成加工程序的過(guò)程是經(jīng)過(guò)刀位計(jì)算產(chǎn)生刀位文件（CLDataFile），而不是直接用于加工的數(shù)控加工程序。因此，需要把刀位文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控加工程序，才能進(jìn)行零件的數(shù)控加工，把刀位文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控加工程序?yàn)楹笾锰幚恚捎诟鞣N機(jī)床使用的數(shù)控系統(tǒng)不同，所用的數(shù)控加工指令代碼及格式也有所不同。PRO/E軟件配置了通用后置處理器，針對(duì)ZK7710A數(shù)控銑床，編制了該機(jī)床的專用后置處理程序。PRO/E軟件后置處理器見圖8。
經(jīng)后置處理產(chǎn)生的程序格式如下：
主程序格式：
7 加工驗(yàn)證
D600B噴嘴加強(qiáng)環(huán)的首件試加工，在數(shù)控機(jī)床上的加工程序全部由PRO/E軟件自動(dòng)生成，直接用于加工。由于所有加工程序都在PRO/E.軟件中進(jìn)行了干涉計(jì)算，提高了加工程序的準(zhǔn)確性及可靠性。經(jīng)檢查，加工的產(chǎn)品完全符合設(shè)計(jì)圖紙的加工技術(shù)要求。
8 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果
通過(guò)對(duì)PRO/E軟件的開發(fā)，（1）成功地完成了噴嘴加強(qiáng)環(huán)的建模、NC加工、后置處理以及加工程序的生成。由于加工程序在系統(tǒng)中通過(guò)了過(guò)切檢查計(jì)算，因而保證了加工程序的正確性及可靠性，減少了程序在機(jī)床上的調(diào)試時(shí)間。（2）確定了噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工方案的可行性。通過(guò)工藝試驗(yàn)，獲得了合理的切削參數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)加工工藝及刀具的改進(jìn)，大大地提高了噴嘴加強(qiáng)環(huán)數(shù)控加工的效率達(dá)1倍以上。
在數(shù)控機(jī)床上加工的噴嘴加強(qiáng)環(huán)汽道型面光滑，修磨量小，大大地減少了鉗工的工作量，且加工效率高、質(zhì)量好。每生產(chǎn)一副該噴嘴加強(qiáng)環(huán)可為工廠節(jié)約57.8萬(wàn)元，因此，該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是巨大的。
9 結(jié)論
D600B噴嘴加強(qiáng)環(huán)在XK7710A數(shù)控銑床上加工方案是成功的，已應(yīng)用于D600B-041120A噴嘴加強(qiáng)環(huán)的加工工藝中，加工出的產(chǎn)品完全達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙的要求，解決了600MW噴嘴加強(qiáng)環(huán)在機(jī)械加工上的難題，實(shí)現(xiàn)了600MW機(jī)組噴嘴室的全部國(guó)產(chǎn)化制造，為實(shí)現(xiàn)600MW機(jī)組汽輪機(jī)國(guó)產(chǎn)化做出了貢獻(xiàn)，為東汽進(jìn)行600MW超臨界、超超臨界機(jī)組的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
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