加工水轮机叶片高效刀具的研究及应用

    1.引言

    大型水轮机转轮叶片采用不锈钢材料，形状为复杂三维曲面，材料难加工且其制造精度要求高。水轮机叶片制造长期采用砂型铸造，经手工铲磨成型的工艺方法；近年来发展了叶片模压成型后铲磨；模压成型后加工和铸造成型后数控加工的技术。数控加工叶片对机组的效率等水力性能有直接的影响，国外也仅有法国阿尔斯通、德国沃依滋公司等对此项制造工艺成熟。我公司为叶片的数控加工，先后引进了五轴数控镗铣床和五轴数控龙门铣床及编程软件，并专项对叶片测量、工艺装夹、自动找正、编程、刀具系统等进行了深入的研究，已完成了混流式及轴流式水轮机叶片的数控加工。作为当今国际混流式水轮机单机容量最大的三峡水轮发电机组，单机容量70万千瓦，三峡水轮机转轮直径9.8m，重450吨，转轮上有15个叶片，每个叶片毛重约23吨。叶片采用X型曲面，轮廓尺寸长约5m，宽4m，叶片单面加工区域约23.2m，三峡叶片整台加工需5个多月。因此面临着的一个关键问题就是选择高效的先进刀具和加工技术，减少生产周期，降低工时和刀具费用，提高叶片加工效率。

    2.叶片加工刀具状况

    不锈钢叶片加工刀具主要是面铣刀、螺旋立铣刀和球头铣刀。国内近年来先进刀具和刀具系统的国产化发展很快。叶片加工刀具关键是刀片的性能，在硬质合金刀片的发展方面，株洲、自贡等厂家在80年代末开始进行了技术引进，上硬、陕硬、牡硬等厂家刀片制造技术都有了提高。但目前在不锈钢铣削上还存在刀片切削效率低、刀片寿命短的问题，与国外有很大的差距，取代国外刀片尚任重道远。国外在不锈钢加工刀片方面进行专项研究和发展，通过添加稀有金属改变成份，如添加少量碳化钽（TaC）、碳化铌（NbC）、碳化硌（Cr3C）等可提高合金的硬度而不降低其韧性；国外60年代末发展超细晶粒合金，近年向纳米级发展，晶粒尺寸可达0.2～1μm，使其保持合金硬度又达到相当高速钢的韧性；采用先进烧结和压制技术；在PVD、CVD气相沉积涂层技术方面，采用多层、多材质的复合涂层，90年代初如Hertel、Ingersoll公司又发展了中温涂层技术，在合金基体上涂覆碳化钛（TiC）、氮化钛（TiN）、三氧化铝（Al2O3）等耐磨性高的难熔金属材料；根据断屑、排屑、切削力变化对刀片槽型进行的研制，都极大地改善了切削性能，使得刀片耐用度大幅度提高，是国产刀片寿命的几倍、十几倍。山特维克公司2025系列牌号和M-Line槽型系列，以色列ISCAR波形刃槽型刀片，瑞典SECO公司的八角形刀片及日立CY250等都很有特色。

    3.水轮机叶片不锈钢材料加工特性分析

    叶片材料为ZG0Cr13Ni5Mo，属马氏体不锈钢。该材质经淬火、回火具有较高硬度、强度、耐磨性和抗氧化性能。在退火状态下，具有一定的塑性和韧性。由于含有4～6%Ni的13CrMo钢不仅具有良好的综合机械性能、低温韧性、断裂力学性能和水下疲劳性能，还具有良好的可焊性和抗磨蚀性能，因此广泛地用于水轮机部件，并作为三峡机组叶片的选材。该材料应用在水轮机转轮上，采用不含σ铁素体的低碳板条状马氏体不锈钢，通常采用二次回火热处理，工艺硬度约280HB。为提高抗泥砂磨损性能，希望更高的硬度，焊后硬度更高达330HB左右，而马氏体不锈钢材料硬度愈高愈难加工。经二次硬化回火后该材料机械性能见下表。

    表：
    σs（MPa）－σb（MPa）－δs（%）－φ（%）－AK-2v（J）－HB
    955～987－1080～1100－13.5～15－50～52－40～42－310

    金属材料的切削难易程度用可切削性能指标来衡量，主要是刀具的耐用度、切削力和切削温度、加工表面质量、切屑的控制和断屑。以45钢的切削加工性作为1，不锈钢的可切削性在0.3～0.55之间。不锈钢材料加工特性如下：
    (1)切削变形大：不锈钢塑性大,有的延伸率达σ≥40%，且摩擦系数小。导致切削时刀具磨损加剧，不易断屑。
    (2)切削硬化大：由于塑性变形大，晶格产生严重扭曲，在高温和应力作用下，金相组织发生变化，导致材料表面强化，硬度提高。切削后不锈钢硬化程度可达240%～320%，硬化层深度可达切削深度的1/3。
    (3)切削力大：塑性变形使切削力增大，也引起刀具振动、破损。不锈钢的切削力比普通钢材提高25%以上。不锈钢高温强度高，合金中含有许多高熔点、高激活能的组元，原子结构非常稳定。据资料显示在500℃时45钢的σb为68MPa，而1Cr18Ni9Ti为500MPa。
    (4)切削温度高：由于材料强度高、切削力大，产生热量多，且导热性能差，热量不易散发，因此刀刃上温度较高，并易形成积屑瘤。45钢的导热系数κ=50.24［W/（m℃）］,而1Cr18Ni9Ti的κ=16.3［W/（m℃）］，45钢的切削温度常在600℃以下，而1Cr18Ni9Ti有时达800～900℃。
    (5)刀具易磨损：除粘结磨损外，不锈钢合金中的硬质化合物及严重的加工硬化极易造成刀具的磨料磨损，磨损形式常为边界磨损和沟纹磨损。前者是待加工表面的冷硬层造成的，后者是已加工表面的加工硬化层造成。
    (6)加工表面精度不易保证：加工中易产生积屑瘤，使刀具实际前角和切削力发生变化，切屑多呈挤裂状，使加工表面粗糙度Ra增大。切削温度高而导热性差，使工件产生热变形，加工精度不易保证。

    4.刀具磨损分析

    研究不锈钢材料加工变形和观察切屑形状，有助于分析刀具磨损及切削力的变化情况。不锈钢材料切削产生不同的切屑，可分为带状、节状、粒状和崩碎状切屑。形成带状切屑时，切削力平稳、加工表面粗糙度好。产生节状和粒状切屑，表明切削力有波动，可通过增大前角(或切削速度)，减小塑性变形，使其顺畅排出。产生崩碎切屑是不经塑性变形即突然崩裂，此时作用在刀具上的应力和热量都集中在刃口上，刀具易损坏。对于不锈钢叶片的加工，切屑与前刀面的粘结是刀具主要的磨损形式。切削开始前刀面就受到激烈摩擦，随着切削过程的不断进行，刀具表面的精化层被磨掉，由于硬质合金粘结相Co的活化能很低，与不锈钢中的Fe、Ni同属于铁系元素，它们之间有很强的亲合力，又加上不锈钢导热系数低，高温强度高，易产生较大的切削力和切削温度，因此刀具表面与被加工材料之间产生粘焊状态。现在叶片大都是铸造成型后再进行数控加工，铸造质量对刀具影响很大，“钢包砂”状况直接引起刀片的崩碎。在不锈钢铣削中，同时还受到断续切削的振动冲击、热应力、热冲击以及扩散磨损的作用，使产生剥落和崩刃等破损现象。

    5.叶片刀具的开发及应用

    5.1 面铣刀
    面铣刀结构按刀片的安装方式可分为平装和立装方式。平装方式由德国瓦尔特公司（WALTER）较早采用，而立装则由德国英格索尔公司（INGERSOLL）推出的。平装方式具有刀片安装前角大、容屑槽大的特点，立装方式具有刀片抗压、抗冲击，适于重型切削的特点。经与哈理工大学、哈工量刀具厂、绵工工具厂合作研制了不锈钢叶片加工平装刀片结构面铣刀。
    （1）刀片夹紧方式
    刀片夹紧方式有前、后压块式、楔块可调式、偏心、杠杆、螺钉压紧和弹性夹紧等方式。基本要求装夹方便、夹紧牢固、定位精度高、结构简单和易于排屑。叶片面铣刀选用压块式夹紧方式，不但有较大的容屑槽且对刀片的精度要求低，通用性强。
    （2）铣刀几何角度的选择
    面铣刀按前角可分为双负前角、双正前角和正负前角面铣刀。“七·五”期间国内重型机加行业和工具厂家开始研究重型切削刀具，开发了轴向和径向前角取负值的双负前角面铣刀。实际证明，电站设备制造不同于重机厂家铸锻件的重型加工，在大型组焊构件和零部件加工时应用“重型切削面铣刀”是个误区。双负前角面铣刀易产生切削振动，使加工表面粗糙度差、刀具易崩损。选轴向、径向前角为正值，增大前角，可减小切削力、减小振动，达到高精度和高速切削的要求。经试验，优选径向前角γf=0°～2°，轴向前角γp=9°～12°。
    面铣刀主偏角有45°～90°几种。不同主偏角影响切削受力方向和实际切削深度。另外，面铣刀的主偏角不同，其刀片磨出的修光刃也不一样，在生产中操作者不了解或不注意不同主偏角刀片修光刃的差别，可以说处于混用状态。优选75°主偏角，并推广到全厂在加工其它部件时使用，减少了刀片不合理使用所造成的损失。
    后角选小值可增加刀齿强度，但叶片材料韧性大，为减小后刀面与已加工表面的摩擦，后角宜选大些，取后角α=7°～9°。面铣刀后角是由刀体设计的安装后角和刀片的后角形成的，刀片的后角系列有0°～25°，考虑到刀片的强度和安装角的限制，选刀片后角α=11°。
    （3）铣刀齿距分布
    选用不等齿距分布，对减小切削振动有较好效果。

    5.2 专用面铣刀
    叶片曲面加工区域大，铸造型面加工余量为0～70mm，粗铣时产生程序空运行状况。购自德国瓦德利希.柯宝公司的龙门铣床配置了目前世界上功率最大的数控铣头，为实现大切深、大进给提供了条件。与哈理工大学、绵工工具厂合作研制了双层刃阶梯刀齿结构的专用面铣刀，允许切深达20mm。

    5.3 螺旋立铣刀
    叶片进出、水边和焊接坡口需用φ80、φ63螺旋立铣刀。国外刀具价格约1.7～2.7万元/把，而国产螺旋立铣刀价格约是其1/4～1/8。我们与太原王牌工具厂合作研制了适于不锈钢材料叶片加工的螺旋立铣刀，该刀具为平装刀片螺钉夹紧结构。加深容屑槽、加大螺旋角，利于排屑和使切削轻快；铣刀的端部是参与切削最多的部位，也最易损坏，采用可换头的结构极大地延长了刀体寿命；改进可换头设计，在底刃增大容屑空间和副后角，避免了常见的堵塞积屑而打刀现象；端刃改2刃为4刃切削，极大地改善了此部位最易损坏的状况；周刃采用方刀片由转位2次增为4次，提高了刀片的利用率。

    5.4 球头铣刀
    轴流式水轮机叶片的法兰根部曲面加工采用球头铣刀。该刀具球头中心部位切削速度趋于零，切削状况恶劣，易产生切屑堵塞和刀齿崩刃。球头铣刀国产化难度较大，现采用日立公司刀具。

    6.铣刀刀片的优选

    刀片的切削性能对提高效率，降低刀具费用影响重大。通过试验室试切和在生产中叶片的加工，试验了国内株洲、自贡、上硬、陕硬等著名刀片制造厂家的M2、YS25、SC30、YT535、YG546、YG532、P25、Y330、Y320等多种刀片牌号，也试验了日立CY250、HC844，三菱UP20M、F620，瓦尔特WTA51、WTL71，山特维克4030、235，肯纳K68，伊斯卡IC328等公司的10多种牌号，优选了伊斯卡和日立公司的刀片，采用波形刃槽型的IC328刀片粗铣较好，CY250半精铣、精铣较好。两种刀片价格中低位，耐用度优异。

    7.结语

    五轴联动数控加工叶片从装夹、找正、编程、测量到优选开发高效刀具、加工参量和加工技术都需不断进行改进和创新，通过开发国产面铣刀和螺旋立铣刀，优选刀片牌号，选定合理的铣削工艺和切削参量，全台加工生产周期由6个半月缩短到5个月。水轮机叶片加工使用刀片数量大，更期待叶片加工刀片的国产化，达到更高的加工效率，更好的加工质量和更低的刀具耗费。