1 前言
D600B由東方汽輪機廠引進國外某公司600MW大型火力發(fā)電機組，它是實現(xiàn)600MW大型發(fā)電設(shè)備國產(chǎn)化的一個重要步驟，而噴嘴室的國產(chǎn)化是該機組實現(xiàn)國產(chǎn)化的重要內(nèi)容之一。噴嘴室是高溫高壓蒸汽進入熱力循環(huán)的重要通道，在制造過程中保證設(shè)計的要求是保證機組熱循環(huán)效率的一個重要條件。
東汽廠首先采用了此結(jié)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計的300MW機組中借鑒了國外某公司亞臨界600MW機組噴嘴室的結(jié)構(gòu)，它主要由噴嘴室、噴嘴加強環(huán)、噴嘴葉柵三部分組成。但是D600B機組噴嘴室的結(jié)構(gòu)與東汽300MW機組噴嘴室相比較，在噴嘴加強環(huán)的結(jié)構(gòu)上有了很大的改變，它采用的是國外某公司超臨界機組和超超臨界機組噴嘴加強環(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噴嘴室及噴嘴加強環(huán)的結(jié)構(gòu)特點
D600B噴嘴室的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由三部分組成：噴嘴室、噴嘴加強環(huán)及噴嘴葉柵，三部分通過焊接方式連接為一個整體。
噴嘴加強環(huán)是連接噴嘴室和噴嘴葉柵的過渡結(jié)構(gòu)，圖2是根據(jù)設(shè)計要求通過PRO/E三維造型建模生成的噴嘴加強環(huán)三維立體圖。由于噴嘴加強環(huán)是高溫高壓蒸汽進入熱循環(huán)的重要通道，耐高溫高壓和可靠的連接強度就成為設(shè)計的必要條件，因此采用了高溫合金鋼材2Crl2NiMolW1V作為加強環(huán)本體的材料，毛坯為鍛造毛坯。在噴嘴加強環(huán)180度半環(huán)上設(shè)計了81個窄汽道和兩端各&個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的型腔。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面可以最大限度地減少汽流在流動過程中的能量損失，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)計性能的同時，犧牲了其良好的機械加工工藝性，給機械加工工藝方案的設(shè)計和如何實現(xiàn)其經(jīng)濟高效加工留下了一個很大的難題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（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械強度，加工性能較差，加工時斷屑為帶狀，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法完成加工程序的設(shè)計，必須借助于具有三維立體造型和加工程序自動生成及程序后值處理功能的程序設(shè)計軟件才能完成其數(shù)控加工程序設(shè)計。
4 噴嘴加強環(huán)機械加工工藝方案設(shè)計
4.1工藝方案的選擇
通過對噴嘴加強環(huán)結(jié)構(gòu)特點及機加工工藝性分析，并結(jié)合東汽在$00+-機組噴嘴室加工取得的成功經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)12003噴嘴室機械加工的難點主要集中在噴嘴加強環(huán)的加工，而噴嘴加強環(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，其余部位采用機械加工；
（3）加強環(huán)整體外購。
4.2總體加工方案的制定
在對噴嘴加強環(huán)多種制造方案的比較，并進行嚴(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行噴嘴加強環(huán)工藝設(shè)計。加強環(huán)出汽側(cè)的焊接坡口及進汽側(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）上進行。
5噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工刀具設(shè)計及關(guān)鍵工藝試驗的實施
5.1數(shù)控加工刀具的設(shè)計
數(shù)控加工刀具的選擇和設(shè)計是噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工工藝設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，全周81個狹窄汽道的結(jié)構(gòu)尺寸較小，加工深度深，加工時刀具切削接觸面積大，刀具的切削加工條件較為惡劣。
經(jīng)過本項目工藝試驗第一階段成果的總結(jié)，對噴嘴加強環(huán)的設(shè)計提出了改進意見，并對數(shù)控加工刀具進行了設(shè)計。對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行；在刀具結(jié)構(gòu)上，設(shè)計了刀尖帶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)簡圖。
5.2噴嘴加強環(huán)汽道加工工藝試驗的實施
通過對噴嘴加強環(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)計上所遇到的巨大困難，發(fā)現(xiàn)噴嘴加強環(huán)汽道型腔的數(shù)控加工方案是否可行，如何在程序設(shè)計過程中通過建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)設(shè)計特點，以及如何實現(xiàn)噴嘴加強環(huán)的高效、經(jīng)濟加工是本項目能否取得成功的關(guān)鍵，所有這些都需要通過嚴(yán)格的科學(xué)試驗來驗證，東汽廠通過實施以下的工藝試驗對工藝方案的可行性進行了驗證。
5.2.1試驗?zāi)康?br />
(1)驗證噴嘴加強環(huán)噴嘴數(shù)控加工工藝的可行性；
(2)驗證噴嘴加強環(huán)數(shù)學(xué)模型建立、加工程序自動生成、程序后值處理與設(shè)計要求的一致性；
(3)選擇合理的切削參數(shù)，提高加工效率，力爭實現(xiàn)噴嘴加強環(huán)的高效經(jīng)濟加工；
(4)確定刀具的結(jié)構(gòu)尺寸。
5.2.2試驗結(jié)果
兩個階段的試驗，進行了設(shè)計結(jié)構(gòu)的工藝性改進，加工程序的精確設(shè)計，加工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進，驗證了600MW噴嘴加強環(huán)汽道數(shù)控加工工藝方案設(shè)計、數(shù)控加工程序的設(shè)計是切實可行的，并且通過試驗總結(jié)出了實現(xiàn)其經(jīng)濟、高效加工的刀具材料和合理的切削參數(shù)，達到了試驗的目的，解決了600MW噴嘴加強環(huán)汽道加工的難題。
6 D600B噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工程序設(shè)計
D600B噴嘴加強環(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)控加工程序根本無法進行，只有采用自動編程系統(tǒng)編制程序。使用自動編程系統(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體圖，有了三維實體圖才能進行模擬加工、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噴嘴加強環(huán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型的建立困難，特別是加強環(huán)兩端的汽道更復(fù)雜，設(shè)計圖紙只給出了三個截面的型線，見圖4。
圖紙給出的信息不足，按照圖紙給定的信息，在01234軟件中無法建立零件的模型，如何利用01234軟件中基本功能建立出光滑過渡的汽道，又能滿足設(shè)計的要求是噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工的又一個難點。
針對上述問題，主要采取以下技術(shù)措施：分析加強環(huán)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計圖紙給出的信息，由于汽道的進出汽側(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，兩曲面的過渡采用變5的倒角方式。通過采取上述措施，完成了模型的建立，所建立的模型完全達到了設(shè)計圖紙的要求，而且整個汽道是光滑過渡的。
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)難點如下：
（1）自動生成的程序繁瑣，加工效率低。如在精加工汽道時，采用窗口加工方式自動生成的刀具軌跡見圖6，由于已經(jīng)過了粗加工，被加工曲面的余量只有1mm，自動生成的刀具軌跡有空走刀現(xiàn)象。
(2)自動生成程序的走刀軌跡與實際加工要求差距較大。在加工噴嘴加強環(huán)外側(cè)兩端!,9坡口時，由于加工余量大，而且不均勻，實際加工中是采用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自動生成的程序無法達到上述要求，生成的加工軌跡見圖7。
（3）加工區(qū)域過小，造成刀具在切入時有扎刀現(xiàn)象。在加工不封閉曲面時，在01234軟件中刀具的軌跡是沿著被加工曲面的邊界切入的，而實際加工時，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。
針對上述技術(shù)難點采取的主要技術(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，達到分層切削的目的。
（3）加工外側(cè)兩端45度坡口時，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
自動編程系統(tǒng)的生成加工程序的過程是經(jīng)過刀位計算產(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)控機床能執(zhí)行的數(shù)控加工程序，才能進行零件的數(shù)控加工，把刀位文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控加工程序為后置處理，由于各種機床使用的數(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ZK7710A數(shù)控銑床，編制了該機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 加工驗證
D600B噴嘴加強環(huán)的首件試加工，在數(shù)控機床上的加工程序全部由PRO/E軟件自動生成，直接用于加工。由于所有加工程序都在PRO/E.軟件中進行了干涉計算，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)計圖紙的加工技術(shù)要求。
8 技術(shù)經(jīng)濟效果
通過對PRO/E軟件的開發(fā)，（1）成功地完成了噴嘴加強環(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)中通過了過切檢查計算，因而保證了加工程序的正確性及可靠性，減少了程序在機床上的調(diào)試時間。（2）確定了噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工方案的可行性。通過工藝試驗，獲得了合理的切削參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果對加工工藝及刀具的改進，大大地提高了噴嘴加強環(huán)數(shù)控加工的效率達1倍以上。
在數(shù)控機床上加工的噴嘴加強環(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)一副該噴嘴加強環(huán)可為工廠節(jié)約57.8萬元，因此，該項目的經(jīng)濟效益和社會效益是巨大的。
9 結(jié)論
D600B噴嘴加強環(huán)在XK7710A數(shù)控銑床上加工方案是成功的，已應(yīng)用于D600B-041120A噴嘴加強環(huán)的加工工藝中，加工出的產(chǎn)品完全達到了設(shè)計圖紙的要求，解決了600MW噴嘴加強環(huán)在機械加工上的難題，實現(xiàn)了600MW機組噴嘴室的全部國產(chǎn)化制造，為實現(xiàn)600MW機組汽輪機國產(chǎn)化做出了貢獻，為東汽進行600MW超臨界、超超臨界機組的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
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