堆焊有钴基高温合金的薄壁衬套制造工艺.pdf

No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期0前言在机械结构中通常有一些薄壁套筒零件袁 在机械运行中起到关键作用1袁如汽轮机阀门中的衬套袁 但薄壁零件强度低尧 刚性差袁 加工过程中极易变形袁 难以保证零件的加工精度2袁 在制造工艺设计安排时要着重考虑和研究遥汽轮机阀门衬套在阀门开关时为阀杆提供导向作用袁 确保阀门开关顺畅尧 位置准确袁 为机组安全运行有重要作用遥 随着汽轮机技术的发展进步袁 汽轮机蒸汽的温度达到 600 益以上袁 也要求DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2023.02.011堆焊有钴基高温合金的薄壁衬套制造工艺堆焊有钴基高温合金的薄壁衬套制造工艺第一作者简介院 杨德存 渊1989-冤袁 男袁 本科袁 高级工程师袁 毕业于华中科技大学机械设计制造及其自动化专业袁 主要从事汽轮机相关零部件制造研究工作遥基金项目院 四川省区域创新项目 渊2022YFQ0016冤杨德存1,2袁 文小山1袁 邓亚弟1袁 向志杨1袁 江磊2渊1.东方电气集团东方汽轮机有限公司袁 四川 德阳袁 618000曰 2.西南交通大学机械工程学院袁 四川 成都袁 610031冤摘要院薄壁套类零件的制造是行业难题袁 文章分析堆焊有钴基高温合金的高精度薄壁衬套的结构和材料特点袁 针对其容易夹持变形尧 内应力大的制造难点袁 从工艺流程合理安排尧 轴向夹具的设计应用尧 切削刀具和切削参数 3 个方面优化制造工艺方案袁 使内应力和切削夹持变形得到有效控制袁 工艺方案应用于生产后袁 产品质量合格尧 稳定遥关键词院薄壁衬套袁钴基高温合金袁变形袁工艺中图分类号院T匀16文献标识码院月文章编号院1674-9987渊2023冤02-0045-04Overlay Welding Manufacturing Process of Thin-walledBushing with Cobalt-based SuperalloysYANG Decun1,2袁 WEN Xiaoshan1袁 DENG Yadi1袁 XIANG Zhiyang1袁 JIANG Lei2渊1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000;2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan,610031冤Abstract院 The manufacture of thin-walled sleeve parts is an industry problem,this paper analyzes the structure and material char鄄acteristics of high-precision thin-walled bushings welded with cobalt-based superalloys,according to its easy clamping deformation,large internal stress manufacturing difficulties,from the process flow reasonable arrangement,axial fixture design and application,cutting tools and cutting parameters three aspects of optimization of the manufacturing process,internal stress and cutting clampingdeformation is effectively controlled,the process scheme is applied to production,product quality is qualified and stable.Key words院 thin-walled bushing,cobalt-based superalloys,deformation,process45窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期1.60.40.6D0.05D堆焊前车削衬套钻孔衬套精车衬套内孔珩磨堆焊钴基高温合金去应力热处理基材和堆焊层去余量去应力热处理抗拉强度袁Rm/MPa930585屈服强度Rp0.2/MPa520415伸长率袁A/%520硬度HRC38-42HB195-248线膨胀系数渊20500 益冤14.212.2材料司太立6#渊堆焊层冤F91渊基材冤阀门漏汽更少袁 这导致衬套的精度要求更高袁 结构更薄袁 同时衬套内壁还需耐高温氧化袁 在衬套内孔堆焊有抗氧化钴基高温合金袁 薄壁和堆焊钴基高温合金给衬套的制造带来了很大挑战遥1薄壁衬套分析堆焊有司太立合金的汽轮机阀门薄壁衬套结构如图 1 所示袁 其壁厚最大部位为 5.9 mm袁 其中包含约 1.5 mm 的司太立合金袁 衬套外径 108 mm袁径厚比 18袁 是典型的薄壁衬套遥 衬套长度只有 65mm袁 长径比 0.6袁 相对于长衬套更容易发生扭曲翻转变形遥 衬套内孔中部有深 2 mm 的环槽和圆周均布的径向孔袁 这进一步降低了薄壁衬套的尺寸稳定性遥图 1堆焊有司太立合金的薄壁衬套结构示意图图 1 所示薄壁衬套外径公差 0.022 mm袁 内径公差 0.035 mm袁 这个公差等级对薄壁衬套来说是非常高的要求袁 需严格控制制造过程衬套的受力变形以及衬套的内应力遥 薄壁衬套内孔钴基高温合金表面粗糙度 Ra0.4袁 钴基高温合金硬度高袁 需通过磨削加工才能达到曰 外壁耐热钢表面粗糙度Ra1.6袁 该表面粗糙度通过车削加工即可达到遥上述薄壁衬套是在耐热钢基材上堆焊钴基高温合金司太立 6#合金后袁 经机械加工而成遥 由于钢材和钴基高温合金两种金属材料在强度尧 硬度尧热膨胀系数等方面的差异袁 见表 1袁 在钴基高温合金堆焊后衬套有较大的内应力袁 根据文献3堆焊并经热处理后内应力可达 136 MPa袁 这对薄壁衬套在加工过程中及加工完成后尺寸精度的保持有重大影响袁 降低薄壁衬套的内应力是保证衬套尺寸精度的必要方式遥表 1薄壁衬套基材和堆焊层金属的力学性能4-52制造工艺方案及实施2.1制造工艺流程安排薄壁衬套为在堆焊司太立合金时增加刚度尧控制变形袁 堆焊前耐热钢基材需要有足够的厚度袁而后在切削过程中去除这些余量袁 改变了原来基材与堆焊钴基高温合金层之间的应力平衡袁 去余量后衬套内部的残余应力会进一步加大袁 因此为减小加工过程中衬套内部的残余应力袁 在衬套基材去余量后增加去应力热处理袁这与文献6所述刚度较大的司太立 6#合金堆焊零件的制造流程有所不同袁 薄壁衬套的制造工艺流程如图 2 所示遥图 2堆焊有司太立合金的薄壁衬套制造工艺流程司太立 6#合金堆焊过程中有大量热量输入袁薄壁衬套材料内部有很大的温度梯度袁 热应力大袁为确保薄壁衬套堆焊时有足够的刚性袁 不因热应力而发生大的尺寸变化袁 司太立 6#合金堆焊前耐热钢基材壁厚应在 15 mm 以上遥 焊接过程中应控制热输入量袁 限制转移弧电流袁 降低焊接后的衬套内部残余热应力遥 通过以上两点薄壁衬套焊接过程中的变形可得到有效控制遥图 3薄壁衬套第二次去应力热处理后实物46窑窑窑窑No.2Jun.2023DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期精车时为保证内外圆直径的公差袁 在内外圆留有余量情况下袁 完成内孔环槽的切削袁 通过磨削的加工方式完成内圆钴基高温合金高精度表面的最终加工袁 避免衬套内部应力平衡的变化对内外圆高精度尺寸的影响袁 从而保证尺寸精度遥2.2加工夹紧方式优化薄壁衬套的夹持变形是影响加工精度最重要的因素袁 薄壁衬套径向刚度低袁 卡爪径向夹紧的常规装夹方式不能适用袁 薄壁衬套轴向刚度较好袁设计轴向夹紧的夹具是减小夹持变形的有效方式袁针对图 1 的薄壁衬套内外圆精车设计的轴向装夹夹具如图 4 所示袁 内孔精车夹具只有部分起定位作用遥 经过在试验和生产中应用袁 在图示夹具装夹后薄壁衬套几乎没有变形袁 加工的尺寸达到生产要求遥渊a冤薄壁衬套内孔渊b冤薄壁衬套外圆图 4堆焊有司太立合金的薄壁衬套精车夹具示意图薄壁衬套内孔珩磨的卡盘较大袁 珩磨头所需越程槽也较大袁 珩磨轴向装夹夹具并未与车削共用袁 单独设计珩磨夹具如图 5 所示袁 夹具内孔底部 15 mm 与薄壁衬套外圆配合间隙为 0.01 mm袁用于定位遥 该夹具也成功应用于生产中袁 珩磨内孔尺寸合格尧 稳定遥图 5堆焊有司太立合金的薄壁衬套珩磨夹具示意图2.3切削刀具及参数优化薄壁衬套内外圆车削的刀具如图 6 所示袁 刀具主偏角近 90毅袁 使切削力主要作用在衬套刚性较强的轴向袁 有效降低在薄壁衬套径向的切削力曰刀具刀尖圆角采用 R0.4 mm袁 在降低切削力的同时防止因堆焊层硬度不均匀而崩刃曰 刀片采用刃口锋利尧 前角较大的精加工槽型袁 进一步降低切削力遥 切削钴基高温合金堆焊层宜采用 S30 材质等级硬质合金刀具袁 切削速度 60 m/min 左右袁 与文献7的说明相印证曰 耐热钢基材合金元素含量较高袁 亦可采用相同材质的刀具车削袁 切削速度可在 70100 m/min遥渊a冤薄壁衬套外圆渊b冤薄壁衬套内孔图 6堆焊有司太立合金的薄壁衬套内外圆车削刀具83结论通过上述工艺方案实施袁 制造出了质量合格的薄壁衬套袁 该工艺方案已在生产中得到了应用和推广袁 批量制造的薄壁衬套质量稳定遥 从上述工艺方案的分析和实施中具体地可得到以下结论院渊1冤有堆焊层的薄壁零件制造精度的保证主要通过两方面院 控制变形和减小内应力曰 渊2冤对薄壁衬套的切削加工袁 设计合适的夹具尧 在刚性强轴向夹紧是控制夹持变形有效方式袁 其他类型的薄壁零件加工尽可能装夹在刚性强的方向和部位遥渊3冤薄壁零件精加工的切削力通过刀具角度尧 槽型合理选用控制得尽量小袁 并将切削力尽可能作用在零件刚性强的方向袁 如此可控制薄壁零件的切削变形遥 渊4冤薄壁零件的焊接袁 在焊接时要有足够的刚度袁 并再控制焊接热输入遥 渊5冤通过工序和工步安排袁 去较大余量后进行去应力热处理或自然时效处理袁 保证薄壁零件尺寸的稳定性遥夹持端夹紧端薄壁衬套芯轴 闷头 1薄壁衬套压紧螺母闷头 2夹持端压板薄壁衬套47窑窑窑窑Jun.2023No.2DONGFANG TURBINE2023 年 6 月第 2 期参考文献1王岗,魏同学,王东旭,等.基于数控车削加工的复杂薄壁件工艺方案设计 J.锻压装备与制造技术,2021,56(2):116-118.2宋理敏,吴永钢.薄壁零件的数控车削加工工艺研究J.液压与机床,2013,41(7):71-72.3Mohammed Mohaideen Ferozhkhan etc.Plasma TransferredArc Welding of Stellite 6 Alloy on Stainless Steel for WearResistanceJ.Procedia Technology,2016(25):1305-1311.4刘玉珍,桂业炜.司太立合金的性能及应用J.机械工程材料,1992,16(5):1-6.5国家质量监督检验检疫总局 国家标准化管理委员会.高压锅炉用无缝钢管:GB 5310-2008S.北京:标准化出版社,2008.6杨德存,文小山,郭洋,等.不同工艺制备的汽轮机进汽插管表面改性层研究J.汽轮机技术,2021,63(5):393-396.7刘光耀,孙长荣.司太立合金堆焊件的车削加工J.工具技术,2005,39(8):49-53.渊上接第 23 页冤有限元分析至少需要做两次袁 第一次计算得到叶片应力的大致分布情况遥 结果表明袁 叶根倒圆部位存在应力集中情况遥 为了得到叶根倒圆部位的真实应力分布袁 需要对应力集中区域重新进行网格加密划分遥 叶根网格加密划分细节如图 3所示遥 然后进行第 2 次有限元计算遥图 3叶根网格加密划分细节图 4 为有限元计算结果袁 叶片的最大等效应力为 1 168.1 MPa袁 位于叶根倒圆部位遥图 4叶根等效应力分布将叶片材料的弹性模量 E 和叶根的弹性应力1 168.1 MPa 带入式渊2冤并联立式渊3冤可以求得院吟着t2=2.787伊10-3再查询叶片材料的 着-N 曲线袁 得到 Nf抑5伊104次袁 满足设计要求遥猿结论渊1冤 通过对叶片进行弹性有限元分析袁 根据Neuber 理论和材料的循环应力应变曲线袁 并结合着-N 曲线袁 可以快速评估反动式动叶片的低周疲劳寿命遥渊2冤经过评估袁 某反动式动叶片的低周疲劳寿命约为 5伊104次袁 满足设计要求遥参考文献1顾璐寅,王恭义,余德启.核电汽轮机末级长叶片低周疲劳寿命预测研究J.热力透平,2015,44(4):271-275.2谢永慧,孟庆集.汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究J.西安交通大学学报,2002,36(9):912-915.3楼上游,骆天舒,应博芬,等.基于低周疲劳理论 T 型叶根转子轮槽寿命预测J.热力透平,2015,44(2):94-97.4朱宝田,肖俊峰,彭泽瑛,等.汽轮机末级 905 mm 叶片疲劳寿命研究J.中国电力,2002,35(3):10-12.5王恭义,程凯,杨建道,等.800 mm 末级长叶片疲劳特性分析与寿命预估J.热力透平,2013,42(1):40-42.6徐灏.疲劳强度M.北京:高等教育出版社,1988.48