1.引言
大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼材料，形狀為復(fù)雜三維曲面，材料難加工且其制造精度要求高。水輪機(jī)葉片制造長(zhǎng)期采用砂型鑄造，經(jīng)手工鏟磨成型的工藝方法；近年來發(fā)展了葉片模壓成型后鏟磨；模壓成型后加工和鑄造成型后數(shù)控加工的技術(shù)。數(shù)控加工葉片對(duì)機(jī)組的效率等水力性能有直接的影響，國(guó)外也僅有法國(guó)阿爾斯通、德國(guó)沃依滋公司等對(duì)此項(xiàng)制造工藝成熟。我公司為葉片的數(shù)控加工，先后引進(jìn)了五軸數(shù)控鏜銑床和五軸數(shù)控龍門銑床及編程軟件，并專項(xiàng)對(duì)葉片測(cè)量、工藝裝夾、自動(dòng)找正、編程、刀具系統(tǒng)等進(jìn)行了深入的研究，已完成了混流式及軸流式水輪機(jī)葉片的數(shù)控加工。作為當(dāng)今國(guó)際混流式水輪機(jī)單機(jī)容量最大的三峽水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量70萬千瓦，三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑9.8m，重450噸，轉(zhuǎn)輪上有15個(gè)葉片，每個(gè)葉片毛重約23噸。葉片采用X型曲面，輪廓尺寸長(zhǎng)約5m，寬4m，葉片單面加工區(qū)域約23.2m，三峽葉片整臺(tái)加工需5個(gè)多月。因此面臨著的一個(gè)關(guān)鍵問題就是選擇高效的先進(jìn)刀具和加工技術(shù)，減少生產(chǎn)周期，降低工時(shí)和刀具費(fèi)用，提高葉片加工效率。
2.葉片加工刀具狀況
不銹鋼葉片加工刀具主要是面銑刀、螺旋立銑刀和球頭銑刀。國(guó)內(nèi)近年來先進(jìn)刀具和刀具系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展很快。葉片加工刀具關(guān)鍵是刀片的性能，在硬質(zhì)合金刀片的發(fā)展方面，株洲、自貢等廠家在80年代末開始進(jìn)行了技術(shù)引進(jìn)，上硬、陜硬、牡硬等廠家刀片制造技術(shù)都有了提高。但目前在不銹鋼銑削上還存在刀片切削效率低、刀片壽命短的問題，與國(guó)外有很大的差距，取代國(guó)外刀片尚任重道遠(yuǎn)。國(guó)外在不銹鋼加工刀片方面進(jìn)行專項(xiàng)研究和發(fā)展，通過添加稀有金屬改變成份，如添加少量碳化鉭（TaC）、碳化鈮（NbC）、碳化硌（Cr3C）等可提高合金的硬度而不降低其韌性；國(guó)外60年代末發(fā)展超細(xì)晶粒合金，近年向納米級(jí)發(fā)展，晶粒尺寸可達(dá)0.2～1μm，使其保持合金硬度又達(dá)到相當(dāng)高速鋼的韌性；采用先進(jìn)燒結(jié)和壓制技術(shù)；在PVD、CVD氣相沉積涂層技術(shù)方面，采用多層、多材質(zhì)的復(fù)合涂層，90年代初如Hertel、Ingersoll公司又發(fā)展了中溫涂層技術(shù)，在合金基體上涂覆碳化鈦（TiC）、氮化鈦（TiN）、三氧化鋁（Al2O3）等耐磨性高的難熔金屬材料；根據(jù)斷屑、排屑、切削力變化對(duì)刀片槽型進(jìn)行的研制，都極大地改善了切削性能，使得刀片耐用度大幅度提高，是國(guó)產(chǎn)刀片壽命的幾倍、十幾倍。山特維克公司2025系列牌號(hào)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.水輪機(jī)葉片不銹鋼材料加工特性分析
葉片材料為ZG0Cr13Ni5Mo，屬馬氏體不銹鋼。該材質(zhì)經(jīng)淬火、回火具有較高硬度、強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性能。在退火狀態(tài)下，具有一定的塑性和韌性。由于含有4～6%Ni的13CrMo鋼不僅具有良好的綜合機(jī)械性能、低溫韌性、斷裂力學(xué)性能和水下疲勞性能，還具有良好的可焊性和抗磨蝕性能，因此廣泛地用于水輪機(jī)部件，并作為三峽機(jī)組葉片的選材。該材料應(yīng)用在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上，采用不含σ鐵素體的低碳板條狀馬氏體不銹鋼，通常采用二次回火熱處理，工藝硬度約280HB。為提高抗泥砂磨損性能，希望更高的硬度，焊后硬度更高達(dá)330HB左右，而馬氏體不銹鋼材料硬度愈高愈難加工。經(jīng)二次硬化回火后該材料機(jī)械性能見下表。
表：
σs（MPa）－σb（MPa）－δs（%）－φ（%）－AK-2v（J）－HB
955～987－1080～1100－13.5～15－50～52－40～42－310
金屬材料的切削難易程度用可切削性能指標(biāo)來衡量，主要是刀具的耐用度、切削力和切削溫度、加工表面質(zhì)量、切屑的控制和斷屑。以45鋼的切削加工性作為1，不銹鋼的可切削性在0.3～0.55之間。不銹鋼材料加工特性如下：
(1)切削變形大：不銹鋼塑性大,有的延伸率達(dá)σ≥40%，且摩擦系數(shù)小。導(dǎo)致切削時(shí)刀具磨損加劇，不易斷屑。
(2)切削硬化大：由于塑性變形大，晶格產(chǎn)生嚴(yán)重扭曲，在高溫和應(yīng)力作用下，金相組織發(fā)生變化，導(dǎo)致材料表面強(qiáng)化，硬度提高。切削后不銹鋼硬化程度可達(dá)240%～320%，硬化層深度可達(dá)切削深度的1/3。
(3)切削力大：塑性變形使切削力增大，也引起刀具振動(dòng)、破損。不銹鋼的切削力比普通鋼材提高25%以上。不銹鋼高溫強(qiáng)度高，合金中含有許多高熔點(diǎn)、高激活能的組元，原子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。據(jù)資料顯示在500℃時(shí)45鋼的σb為68MPa，而1Cr18Ni9Ti為500MPa。
(4)切削溫度高：由于材料強(qiáng)度高、切削力大，產(chǎn)生熱量多，且導(dǎo)熱性能差，熱量不易散發(fā)，因此刀刃上溫度較高，并易形成積屑瘤。45鋼的導(dǎo)熱系數(shù)κ=50.24［W/（m℃）］,而1Cr18Ni9Ti的κ=16.3［W/（m℃）］，45鋼的切削溫度常在600℃以下，而1Cr18Ni9Ti有時(shí)達(dá)800～900℃。
(5)刀具易磨損：除粘結(jié)磨損外，不銹鋼合金中的硬質(zhì)化合物及嚴(yán)重的加工硬化極易造成刀具的磨料磨損，磨損形式常為邊界磨損和溝紋磨損。前者是待加工表面的冷硬層造成的，后者是已加工表面的加工硬化層造成。
(6)加工表面精度不易保證：加工中易產(chǎn)生積屑瘤，使刀具實(shí)際前角和切削力發(fā)生變化，切屑多呈擠裂狀，使加工表面粗糙度Ra增大。切削溫度高而導(dǎo)熱性差，使工件產(chǎn)生熱變形，加工精度不易保證。
4.刀具磨損分析
研究不銹鋼材料加工變形和觀察切屑形狀，有助于分析刀具磨損及切削力的變化情況。不銹鋼材料切削產(chǎn)生不同的切屑，可分為帶狀、節(jié)狀、粒狀和崩碎狀切屑。形成帶狀切屑時(shí)，切削力平穩(wěn)、加工表面粗糙度好。產(chǎn)生節(jié)狀和粒狀切屑，表明切削力有波動(dòng)，可通過增大前角(或切削速度)，減小塑性變形，使其順暢排出。產(chǎn)生崩碎切屑是不經(jīng)塑性變形即突然崩裂，此時(shí)作用在刀具上的應(yīng)力和熱量都集中在刃口上，刀具易損壞。對(duì)于不銹鋼葉片的加工，切屑與前刀面的粘結(jié)是刀具主要的磨損形式。切削開始前刀面就受到激烈摩擦，隨著切削過程的不斷進(jìn)行，刀具表面的精化層被磨掉，由于硬質(zhì)合金粘結(jié)相Co的活化能很低，與不銹鋼中的Fe、Ni同屬于鐵系元素，它們之間有很強(qiáng)的親合力，又加上不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，高溫強(qiáng)度高，易產(chǎn)生較大的切削力和切削溫度，因此刀具表面與被加工材料之間產(chǎn)生粘焊狀態(tài)。現(xiàn)在葉片大都是鑄造成型后再進(jìn)行數(shù)控加工，鑄造質(zhì)量對(duì)刀具影響很大，“鋼包砂”狀況直接引起刀片的崩碎。在不銹鋼銑削中，同時(shí)還受到斷續(xù)切削的振動(dòng)沖擊、熱應(yīng)力、熱沖擊以及擴(kuò)散磨損的作用，使產(chǎn)生剝落和崩刃等破損現(xiàn)象。
5.葉片刀具的開發(fā)及應(yīng)用
5.1 面銑刀
面銑刀結(jié)構(gòu)按刀片的安裝方式可分為平裝和立裝方式。平裝方式由德國(guó)瓦爾特公司（WALTER）較早采用，而立裝則由德國(guó)英格索爾公司（INGERSOLL）推出的。平裝方式具有刀片安裝前角大、容屑槽大的特點(diǎn)，立裝方式具有刀片抗壓、抗沖擊，適于重型切削的特點(diǎn)。經(jīng)與哈理工大學(xué)、哈工量刀具廠、綿工工具廠合作研制了不銹鋼葉片加工平裝刀片結(jié)構(gòu)面銑刀。
（1）刀片夾緊方式
刀片夾緊方式有前、后壓塊式、楔塊可調(diào)式、偏心、杠桿、螺釘壓緊和彈性?shī)A緊等方式。基本要求裝夾方便、夾緊牢固、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于排屑。葉片面銑刀選用壓塊式夾緊方式，不但有較大的容屑槽且對(duì)刀片的精度要求低，通用性強(qiáng)。
（2）銑刀幾何角度的選擇
面銑刀按前角可分為雙負(fù)前角、雙正前角和正負(fù)前角面銑刀。“七·五”期間國(guó)內(nèi)重型機(jī)加行業(yè)和工具廠家開始研究重型切削刀具，開發(fā)了軸向和徑向前角取負(fù)值的雙負(fù)前角面銑刀。實(shí)際證明，電站設(shè)備制造不同于重機(jī)廠家鑄鍛件的重型加工，在大型組焊構(gòu)件和零部件加工時(shí)應(yīng)用“重型切削面銑刀”是個(gè)誤區(qū)。雙負(fù)前角面銑刀易產(chǎn)生切削振動(dòng)，使加工表面粗糙度差、刀具易崩損。選軸向、徑向前角為正值，增大前角，可減小切削力、減小振動(dòng)，達(dá)到高精度和高速切削的要求。經(jīng)試驗(yàn)，優(yōu)選徑向前角γf=0°～2°，軸向前角γp=9°～12°。
面銑刀主偏角有45°～90°幾種。不同主偏角影響切削受力方向和實(shí)際切削深度。另外，面銑刀的主偏角不同，其刀片磨出的修光刃也不一樣，在生產(chǎn)中操作者不了解或不注意不同主偏角刀片修光刃的差別，可以說處于混用狀態(tài)。優(yōu)選75°主偏角，并推廣到全廠在加工其它部件時(shí)使用，減少了刀片不合理使用所造成的損失。
后角選小值可增加刀齒強(qiáng)度，但葉片材料韌性大，為減小后刀面與已加工表面的摩擦，后角宜選大些，取后角α=7°～9°。面銑刀后角是由刀體設(shè)計(jì)的安裝后角和刀片的后角形成的，刀片的后角系列有0°～25°，考慮到刀片的強(qiáng)度和安裝角的限制，選刀片后角α=11°。
（3）銑刀齒距分布
選用不等齒距分布，對(duì)減小切削振動(dòng)有較好效果。
5.2 專用面銑刀
葉片曲面加工區(qū)域大，鑄造型面加工余量為0～70mm，粗銑時(shí)產(chǎn)生程序空運(yùn)行狀況。購(gòu)自德國(guó)瓦德利希.柯寶公司的龍門銑床配置了目前世界上功率最大的數(shù)控銑頭，為實(shí)現(xiàn)大切深、大進(jìn)給提供了條件。與哈理工大學(xué)、綿工工具廠合作研制了雙層刃階梯刀齒結(jié)構(gòu)的專用面銑刀，允許切深達(dá)20mm。
5.3 螺旋立銑刀
葉片進(jìn)出、水邊和焊接坡口需用φ80、φ63螺旋立銑刀。國(guó)外刀具價(jià)格約1.7～2.7萬元/把，而國(guó)產(chǎn)螺旋立銑刀價(jià)格約是其1/4～1/8。我們與太原王牌工具廠合作研制了適于不銹鋼材料葉片加工的螺旋立銑刀，該刀具為平裝刀片螺釘夾緊結(jié)構(gòu)。加深容屑槽、加大螺旋角，利于排屑和使切削輕快；銑刀的端部是參與切削最多的部位，也最易損壞，采用可換頭的結(jié)構(gòu)極大地延長(zhǎng)了刀體壽命；改進(jìn)可換頭設(shè)計(jì)，在底刃增大容屑空間和副后角，避免了常見的堵塞積屑而打刀現(xiàn)象；端刃改2刃為4刃切削，極大地改善了此部位最易損壞的狀況；周刃采用方刀片由轉(zhuǎn)位2次增為4次，提高了刀片的利用率。
5.4 球頭銑刀
軸流式水輪機(jī)葉片的法蘭根部曲面加工采用球頭銑刀。該刀具球頭中心部位切削速度趨于零，切削狀況惡劣，易產(chǎn)生切屑堵塞和刀齒崩刃。球頭銑刀國(guó)產(chǎn)化難度較大，現(xiàn)采用日立公司刀具。
6.銑刀刀片的優(yōu)選
刀片的切削性能對(duì)提高效率，降低刀具費(fèi)用影響重大。通過試驗(yàn)室試切和在生產(chǎn)中葉片的加工，試驗(yàn)了國(guó)內(nèi)株洲、自貢、上硬、陜硬等著名刀片制造廠家的M2、YS25、SC30、YT535、YG546、YG532、P25、Y330、Y320等多種刀片牌號(hào)，也試驗(yàn)了日立CY250、HC844，三菱UP20M、F620，瓦爾特WTA51、WTL71，山特維克4030、235，肯納K68，伊斯卡IC328等公司的10多種牌號(hào)，優(yōu)選了伊斯卡和日立公司的刀片，采用波形刃槽型的IC328刀片粗銑較好，CY250半精銑、精銑較好。兩種刀片價(jià)格中低位，耐用度優(yōu)異。
7.結(jié)語
五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工葉片從裝夾、找正、編程、測(cè)量到優(yōu)選開發(fā)高效刀具、加工參量和加工技術(shù)都需不斷進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，通過開發(fā)國(guó)產(chǎn)面銑刀和螺旋立銑刀，優(yōu)選刀片牌號(hào)，選定合理的銑削工藝和切削參量，全臺(tái)加工生產(chǎn)周期由6個(gè)半月縮短到5個(gè)月。水輪機(jī)葉片加工使用刀片數(shù)量大，更期待葉片加工刀片的國(guó)產(chǎn)化，達(dá)到更高的加工效率，更好的加工質(zhì)量和更低的刀具耗費(fèi)。
