1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺研究

上海交通大学硕士学位论文1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺研究姓名：葛春新申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：陈明;权正钟20071001上海交通大学工程硕士学位论文摘要I1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺研究摘要1000MW汽轮机组低压转子国产化加工是上海汽轮机厂重点科研项目。本文针对1000MW超超临界汽轮机低压转子超大型枞树形轮槽加工工艺进行系统研究。通过生产现场工艺分析、实验室切削试验和仿真研究，确定刀具的选刀和走刀方案；并通过分析轮槽部位的残余应力分布，确定刀具、力、温度和加工参数对残余应力的影响，并完成轮槽要求部位的残余应力建模仿真预测研究。该课题的研究工作对正确分析汽轮机转子复杂槽形残余应力的形成以及后续滚压设计研究具有重要的理论和实际意义。据此本文开展以下的研究工作：（1）汽轮机转子26NiCrMoV145材料切削加工性能研究对26NiCrMoV145转子钢的材料组织相成分与性质、力学性能、材料的切削性能和材料加工表面质量进行研究，并通过分析加工过程中产生的力、温度和振动信号，采用等效原则，研究枞树型铣刀的受力和受热情况。（2）整体式粉末冶金高速钢刀具的切削加工性能研究通过采集整体粉末冶金高速钢成形刀具现场加工过程中的振动信号、加工表面残余应力分布,以及刀具的磨损情况,分析刀具的切削性能和对不同切削方案进行工艺评定。（3）镶片式硬质合金刀具的切削加工性能研究通过采集镶片式硬质合金刀具现场加工过程中的各种信号和技术数据，与整体式粉末冶金高速钢刀具切削性能进行比较，给出两种刀具加工性能的客观评价。（4）轮槽残余应力仿真预测研究通过建立模型和验证手段，完成轮槽要求部位残余应力分布建模仿真预测研究。关键词：残余应力，1000MW汽轮机，低压转子，轮槽，切屑，磨损上海交通大学工程硕士学位论文ABSTRACTIIABSTRACTStudyonSurfaceQualityandProcessingTechniqueforMachiningtheV-GrooveofLow-PressureRotorinthe1000MWSteamTurbine.The1000MWsteamturbinewithLow-Pressurerotor,whichisdomesticallyproduced,isanimportantprojectofShanghaiTurbineCompanyLimited.Inthispaper,theprocessingtechniquewasdeeplyinvestigatedindetailsformachiningtheultra-largepalm-typegrooveoflow-pressurerotorin1000MWsupercriticalsteamturbine.Throughthestudiesontheprocessingofproductionline,cuttingexperimentsandsimulation,thetooldraftsweredeterminedandtheresidualstressesonthesurfaceofgrooveswerealsoanalyzed.Furthermore,theinfluencesoftool,cuttingforce,cuttingheatandcuttingparametersontheresidualstresswerediscussed,andthemodelingandsimulationontheresidualstressonthesurfaceofsurfaceofgrooveswasstudied.Therefore,thisworkhasanimportantsignificanceintheoryandapplicationforinvestigatingtheformationofresidualstressonthecomplexsurfaceofsteamturbinerotorandthedesignofthesucceedingrollingprocess.However,theseresearchesinthispaperaredevelopedasfollowing.(1)Studyonthemachinabilityof26NiCrMoV145rotorsteelofsteamturbineThemachinabilityandsurfacequalityof26NiCrMoV145rotorsteelwasdevelopedbasedonitsmicrostructure,compositionandmechanicalproperties.Andthecuttingheatandcuttingforceofpalm-typegroovewasinvestigatedaccordingtotheequivalentconcept.（2）Studyontheintergratedpowermetallurgicalhigh-speedsteeltoolThevabrivatingsignalsoftheintergratedpowermetallurgicalhigh-speedsteeltoolduringcuttingwerecollectted,andtheresidualstressonthefinishedsurfaceandcutting-toolwearwerealsoanalyzed.Theperformanceofintergratedpowermetallurgicalhigh-speedsteeltoolwasinvestigatedandthedifferentcuttingschemeswereevaluated.(3)StudyontheimbeddedcementedcarbidetoolThevabrivatingsignalsoftheimbeddedcementedcarbidetoolduringcuttingwerecollected.Theresidualstressonthefinishedsurfaceandcutting-toolwearwerealsoanalyzed.Therefore,theperformanceofintergratedpowermetallurgicalhigh-speedsteeltoolwasinvestigatedandthedifferentcuttingschemeswereevaluated.Thecomparisonbetweenthetheintergratedpowermetallurgicalhigh-speedsteeltoolandtheimbeddedcementedcarbidetoolweregiven.(4)SimulaitonontheresidualstressofgrooveThesimulationandpredictionoftheresidualstressonthekeyregionsofgroovewerecompletedthroughthemodelingandverification.Keywords:residualstress,1000MWsteamturbine,low-pressurerotor,groove,chip,wear上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：葛春新日期：2008年2月13日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密√。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：葛春新指导教师签名：陈明日期：2008年2月13日日期：2008年2月13日上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1第一章绪论1.1国内外现状分析“超超临界燃煤发电技术”为我国“十五”重点科技攻关计划项目，华能玉环电厂4×1000MW项目作为863攻关项目依托工程的我国第一个超超临界电厂，上海汽轮机有限公司已承接了该超超临界汽轮机的合同，采用了从德国西门子公司引进的单轴、“HMN”积木块系列的四缸四排汽超超临界机型。该机型集中了当今所有可应用的先进技术。机组的参数、容量及技术性能均达到世界先进水平[1]。1000MW低压转子的加工是该汽轮机组国产化最后、也是最关键的项目，其低压转子材料选用26NiCrMoV145，末级叶轮采用Form20枞树形轮槽，其槽形远远大于目前国内已加工的最大槽形。西门子公司加工工艺是由Walter刀具公司为其专门开发的工艺方案，其除最后精刀使用整体成型刀外，其余各刀包括半精刀都使用镶片式硬质合金刀具。本次课题主要针对该1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺进行全面系统的研究。八十年代以来，随着对电站汽轮机要求的提高，各国汽轮机制造厂都在致力于提高汽轮机设计和制造的技术水平，选择最合适的材料，按严格的质量要求进行加工、安装及投运。近年来，汽轮机及其部件都明显地向更大型化发展，因此对转子的加工要求显著的提高了，尤其是转子轮槽的加工。采用数控技术，并在机床上应用静压技术以及带淬硬导板的滚动元件、滚柱丝杠、冷却心轴轴承等某些专门装置是实现转子枞树形叶根轮槽加工的重要前提。同时，改进刀具也起着重要的作用。上海汽轮机有限公司自1981年从美国西屋公司引进制造技术后，引进了INGERSOLL机床厂制造的专用叶根轮槽数控铣床（后来自制了四台权正钟轮槽数控双头铣）用于加工转子上直的、斜的和圆弧的枞树形叶根槽。加工汽轮机转子轮槽一般使用专用轮槽成型铣刀，一般的枞树型叶根槽分粗铣、半精铣和精铣三刀完成。轮槽粗铣刀及半精铣刀担当着为轮槽去余量的主要任务。它们的切削加工是在半封闭状态下进行的。因此要提高切削效率必须要使之在切削上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论2加工中减少切削力和切削热，同时还要能顺畅的排屑，超临界轮槽铣刀切削刃长，切削抗力大，所以粗铣刀及半精铣刀后刀面开波刃，使切削抗力减小，排屑流畅[2]。对于刀具选材来说，由于一般低压转子材料为合金钢30Gr2Ni4MoV,可加工性能差,而且轮槽的等分，相对节距和精度要求较高,普通高速钢由于在强度、硬度等很多方面性能指数低，因此不能采用，上海汽轮机有限公司通常采用特殊用途的高碳含钴高速钢,如M42。并且在超临界轮槽铣刀上采用了世界上先进的涂层技术,在刀具表面涂有TiCN复合涂层，它是采用物理气相沉积技术，能成倍提高刀具寿命其加工工艺。然而，对于超超临界汽轮机组，国内尚无加工记录。1.2课题研究中存在的问题从材料角度看，现代工业的发展对产品有了很高的期望，材料的服役条件也更为苛刻，这不仅需要开发性能更优异的材料，而且要采用各种强化手段，充分发挥材料自身性能的潜力。汽轮机的转子轴作为高速旋转体，是在高温、高压和高速的工况下运行的，工作条件十分恶劣，这就对零件的使用寿命和安全可靠性提出了很高的要求，尤其需要保证零件的加工精度和尺寸稳定性，因此要求选择的材料应具有足够高的机械强度、高的寿命以及优良的导磁性能。一般来讲，转子轴材料多为高强度、高导磁、高强度、高塑性、高韧性及低脆性转变温度的Ni-Mo-V钢或Cr-Mo-V钢。对于要求运行期间负荷变化及频繁起停的火电站大型汽轮机，国内外厂