大型汽轮机转子复杂形状枞树型轮槽及高温密封环加工工艺优化和表面质量控制研究

摘要

本文以国家“超超临界燃煤发电技术”科技项目、华能玉环电厂863科技项目和上海大电气三大项目为背景，根据1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽的形状复杂性和密封环高温合金NiCr20TiAl的材料难加工性，对转子枞树型轮槽和密封环高温合金切削工艺优化和表面质量控制进行全面系统研究。提出了大型复杂形状枞树型轮槽形面创成机理、轮槽加工表面残余应力控制机理和高温合金加工表面变质层位错硬化机理，为大型转子轮槽铣削加工和高温合金的加工提供理论和实际指导。 (1)1000MW超超汽轮机转子主轴材料26NiCrMoVl45可加工性能研究26NiCrMoVl45属较难加工材料。1000MW汽轮机转子枞树型轮槽铣刀上不同点的切削用量各异，本研究提出等效原则，即等效切削速度、等效切削厚度和等效每齿进给速度将铣刀不同点的切削用量转化为圆柱立铣刀的切削用量，研究转子材料的可加工性能。研究发现，26NiCrMoVl45材料加工中，切速低于C1时，切削温度随进给提高而增大；切速超过C1时，切削温度随进给提高而降低。将圆柱铣刀不同切削用量产生切削热、切削力和切削振动回归枞树型铣刀，刀齿尖处产生温度峰值，切削力C点和J点切削力较大；C点、F点和K点的振动加速度较大。材料加工表面发生塑性变形，表层板条状晶粒被破坏细化，组织中物相产生回火析出现象。提高切速使残余拉应力增大较大，提高进给导致残余拉应力增大，切深对残余应力影响最小。 (2)1000MW超超汽轮机转子轮槽铣削加工研究采用逆向反推方法，提出大型复杂形状枞树型轮槽形面创成机理和加工工艺。V型铣削工艺：V型轮槽→曲线形枞树型轮槽→最终枞树型轮槽；T型铣削工艺：直槽→T型轮槽→三阶梯T型轮槽→折线形枞树型轮槽→最终枞树型轮槽。 V型铣削采用三种加工方案，研究发现B方案最优；粗刀微崩刃，半精刀大端月牙洼磨损最深，烧伤最严重；半精和精加工都产生残余压应力，前者对后者产生有利影响，为滚压创造有利条件，其可降低滚压强度，保护轮槽表面组织，有利总生产效率的提高。T型铣削采用三种加工方案，研究发现A方案刀杆被扭断，B方案最优；OP1和OP4刀具受影响较轻；OP2和OP3刀具失效严重；OP4和OP5工序形成轮槽形状不一致，导致OP5加工刀具去除余量不均匀；OP4工序产生残余拉应力，OP5工序产生残余小压应力，前者对后者不利；T型铣削加工产生小残余压应力对轮槽寿命和抗疲劳强度不利，须增大滚压强度，降低了总生产效率。 研究发现，在表面质量、总生产效率、刀具耐用度和辅助时间上V型铣削优于T，而T型铣削的切削效率略优于V型，V型铣削的刀具费用比T型贵；可见对大型复杂形状枞树型轮槽铣削加工，V型铣削优于T型铣削。 提出大型复杂形状枞树型轮槽铣削加工表面残余应力控制机理，刀具在材料表面产生残余应力并预存在表面层中，影响后续加工表面残余应力；大型复杂形状枞树型轮槽铣削的精刀去除余量很小，须考虑该工序中表面预存残余应力对后续加工的影响。 (3)汽轮机密封环NiCr20TiAI高温合金切削加工研究研究发现，NiCr20TiAl高温合金组织为固溶奥氏体γ相、γ’和γ”强化相以及晶界碳化物或金属间化合物相；奥氏体相提高材料的塑性和强度；晶粒形状和大小都不均匀，造成材料加工困难。 研究发现，F3刀具切削NiCr20TiAl高温合金，切速较低时切屑为圆锥形螺旋状，切速提高切屑变为碎断状C形，此时提高进给切屑由碎断状C形变为短型发条状，再变为圆锥形螺旋状；切削力在切速80m/min时较大；在切速100m/min、进给0.2mm/r和切深1mm时材料加工表面较光滑，涂覆较轻。住友涂层刀具加工NiCr20TiAl高温合金，低进给和低切深时切屑缠绕程度较大；进给0.15mm/r和切速60-80m/min时切削力较小；住友涂层刀具切削高温合金加工表面有涂覆、刀具基体和涂层剥落、冷焊现象，切速60m/min、进给0.15mm/r和切深0.4mm时加工表面较光滑，涂覆较轻。加工表面变质层晶粒发生强烈扭曲变形，内部位错剧烈运动，表层有烧伤；切速60m/min、进给0.25mm/r和切深1mm时硬化层最深(约0.10mm)，具有不均匀性和局部性。F3刀具产生692MPa的残余应力，超过材料屈服强度。 提出难加工高温合金加工表面创成机理，加工表面变质层有位错滑移带；位错生长、运动、停滞和相互作用是导致硬化产生的直接原因，而表面变质层中位错滑移带分布的不均匀性，造成高温合金切削加工表面变质层塑性变形和硬化层的不均匀性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本课题研究背景

1.2本课题研究介绍

1.2.1汽轮机机组简介

1.2.2转子枞树型轮槽加工研究现状

1.2.3密封环高温合金加工研究现状

1.2.4难加工材料加工表面质量研究现状

1.3本课题研究中存在的问题

1.4本课题研究的目的、意义及主要内容

1.4.1本课题研究的目的和意义

1.4.2本论文的主要研究内容

第2章1000MW超超临界汽轮机转子主轴材料研究

2.1试验方法和分析手段

2.2 26NiCrMoV145转子主轴材料特点研究

2.2.1 26NiCrMoV145转子主轴材料成分与力学性能分析

2.2.2 26NiCrMoV145转子主轴材料显微组织结构分析

2.3 26NiCrMoV145转子主轴材料可加工性能试验方案确定

2.4 26NiCrMoV145转子主轴材料可加工性能研究

2.4.1 26NiCrMoV145转子主轴材料切削加工切削力研究

2.4.2 26NiCrMoV145转子主轴材料切削加工切削热研究

2.4.3 26NiCrMoV145转子主轴材料切削加工切削振动

2.4.4 26NiCrMoV145转子主轴材料切削力、切削热和切削振动回归研究

2.4.5 26NiCrMoV145转子主轴材料切削加工表面质量研究

2.5本章小结

第3章1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽铣削加工研究

3.1大型复杂形状枞树型轮槽形面创成机理研究

3.2 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽加工试验方案确定

3.2.1 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽V型铣削加工试验方案确定

3.2.2 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽T型铣削加工试验方案确定

3.3 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽铣削加工工艺优化研究

3.3.1 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽V型铣削加工研究

3.3.2 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽T型铣削加工研究

3.3.3 1000MW超超临界汽轮机转子枞树型轮槽V型和T型铣削对比研究

3.4大型复杂形状枞树型轮槽铣削加工表面质量控制机理研究

3.4.1影响大型复杂形状枞树型轮槽铣削加工表面质量的因素

3.4.2大型复杂形状枞树型轮槽加工铣削加工表面质量残余应力控制机理

3.5本章小结

第4章汽轮机密封环NiCr20TiA高温合金切削加工研究

4.1概述

4.2密封环NiCr20TiAl高温合金组织结构和力学性能研究

4.3密封环NiCr20TiAl高温合金切削可加工性能研究

4.3.1密封环NiCr20TiAl高温合金切削加工工艺参数

4.3.2密封环NiCr20TiAl高温合金切削加工切屑研究

4.3.3密封环NiCr20TiAl高温合金切削加工切削力研究

4.4密封环NiCr20TiAl高温合金加工表面质量机理研究

4.4.1密封环NiCr20TiAl高温合金加工表面形貌研究

4.4.2密封环NiCr20TiAl高温合金加工表面变质层研究

4.4.3密封环NiCr20TiAl高温合金加工表面残余应力研究

4.4.4难加工高温合金加工表面创成机理研究

4.5本章小结

第5章结论

参考文献

博士后科研工作期间科研工作成绩

致 谢