數控機床

      可再生能源正在全麵挑戰（zhàn）傳統能源的（de）產出方式，比如2016年光伏上網價格和（hé）風電電價均（jun1）已出台下調方案。雖然趨勢如此，但國家能源局近年來（lái）的統計數據表明,發電量的七成仍源自火電發電，包括水、風（fēng）、核電、太陽能等新能源並未對傳統能源形成強勢衝（chōng）擊。

      可是,目前國內電力市場已日趨飽和，在國家扶持（chí）新能源的政策下，火力發電等（děng）傳（chuán）統發電形式“上大壓小”，采用大功率設備已成為電力行業的共識。

     “大”帶來的挑戰

     作為我國製造（zào）大型電力設備的主力廠（chǎng）商，上海電氣電站設備有限公（gōng）司（sī）發電機廠（SEPC）隸屬於上海電氣集團股份有限公司電站集團，是與德國西門子公司合資的企業，主要從事火電（diàn）、核電、燃機領域的大型發電機（jī）成套產品的研發和製造。

     從2004年開始，上海發電機廠火力（lì）發電（diàn）機組的生產、銷售、以及訂單數量連續保（bǎo）持世界第一。近幾年公司1000MW等級水氫冷（lěng）機組每年（nián）的訂單量基（jī）本穩定在9000MW～13000MW範圍內，國內市（shì）場（chǎng）占有率約80%，600MW等級水氫冷機組年訂單量本穩（wěn）定在6000MW～9000MW，國內市場占有率約60%，產品遠銷多個國家（jiā）。

     我國現（xiàn）有的300MW、600MW、1000MW水氫冷汽輪（lún）發電機效率、年運行小（xiǎo）時等參數均已達到國際先進水平，近（jìn）年國家規（guī）定（dìng）國內能生產（chǎn）的亞臨界600MW及（jí）以下容量機組（zǔ）一般不再進口，這加快了對我國（guó）電站（zhàn）建設製造業的發展。電站製造業是國（guó）家重要（yào）的基（jī）礎工業之一（yī），法國、德國、日本（běn）、俄（é）羅斯、美國的大型核電站、火電站的絕大部分機組都是（shì）本國製造的。

     隨著“上大（dà）壓小”政策的實施，SEPC目（mù）前（qián）已（yǐ）經形成完善的空冷（lěng）50MW～200MW等級、雙水內水冷60MW～340MW等級、水氫冷200～1000MW等級等係（xì）列產品（pǐn），在超超臨界1000MW級火電、核電（diàn）及燃氣輪發電機等重大項目（mù）上實現了曆史性突破，目前正（zhèng）在研發（fā）國際（jì）上最大容（róng）量的1800MW級核電發電（diàn）機、1200MW級火（huǒ）電發電機（jī）等產品，以形成新的發電機核心技術，不斷提高企業核心競爭力（lì）。走進SEPC的廠房，可看到：主廠房長312米，寬36米，高34米，吊重能力可達500噸，具備（bèi）了可加工目前世界上最大容量——1800MW四極核電發電機和（hé）年產量（liàng）3000萬（wàn）千瓦的生產能力（lì）。

     隨著等級的提升，發電設備尺寸也隨之加（jiā）大，動輒上百噸、幾十米的大型設備給加工帶來（lái）的不僅僅是不便，加工（gōng）難度也隨之提升。

    由於發電設備產品的特性，對設備的可（kě）靠性有著嚴格的要（yào）求。比如轉子（zǐ）是大型電力（lì）設備―發電（diàn）機中的核心部件，其加工質量（liàng）的好（hǎo）壞影（yǐng）響了發電（diàn）機的運行質量。且轉子胚件尺寸大，成本不（bú）菲，供（gòng）應有（yǒu）限，雖加工要求高，但也必須加（jiā）工零（líng）失誤率。

    此外發電設備中其他一些典（diǎn）型關鍵零部件（jiàn）如轉子輪（lún）槽以及轉子嵌線鳩尾槽等的（de）切削加工，由於被加工材料屬於（yú）耐熱高強度合金鋼、不鏽鋼等難加工材料，切削量大、切削負荷重，對數控刀（dāo）具的（de）切（qiē）削性能，諸（zhū）如高溫紅（hóng）硬性、彎曲剪切強度、抗磨損性、抗粘接性、摩擦係數等有很高的要求。

     對（duì）1000MW及以上的二級發電機轉子來說，其本體嵌線槽由於槽深深度大（100mm以（yǐ）上）,槽壁薄（báo）（15mm左右）如圖2所示，剛（gāng）性差，易引起加工變形（xíng），加工困難。

     但難點正是關鍵點。控（kòng）製和減少二極轉子（zǐ）嵌線槽的切削變形，是提高轉子運轉（zhuǎn）精度、保證發（fā）電機運行品質的關鍵。一（yī）般來說嵌（qiàn）線槽在加工（gōng）中發生變形，嵌線槽槽口變形量可達（dá）到 0.5mm。要（yào）減小變形，必須選擇合（hé）適的切削力並減小降低殘（cán）餘應力。這不僅對工藝工程師和操作人員（yuán）提出（chū）了高要求（qiú），其高精度（dù）複雜（zá）型麵的切削對（duì）數（shù）控刀具（jù）本（běn）身的精度也提出了更（gèng）高的要求。
 

     難點重重

     機加工是發電機組生產的重要環節，發電（diàn）機轉子、定（dìng）子、機座等部件切削量很大，對機床和刀具要求都很高。汽輪發電機轉軸嵌線槽是采用專用可轉位轉（zhuǎn）子槽盤銑刀，在數控轉子（zǐ）槽銑床上加工而成。由於（yú）轉軸材質為高強度合金鋼，切削（xuē）槽深、銑刀直徑大、切削速快，對刀具綜合性能要求很高。

     以（yǐ）轉子加工為例，鍛造出的原材料工件首先要經過車削，然後是銑（xǐ）削（xuē）加（jiā）工。銑（xǐ）削分粗銑和精銑，每個工序分兩步又（yòu）分兩步走。“銑槽必（bì）須要分段，因為牽扯到轉子的（de）動平衡。”這是每個工藝操作人員都所熟稔（rěn）的。

     轉子本體外圓（yuán）有一（yī）圈軸向方向的嵌線槽，業內也稱之為轉子縱樹型輪槽，有時（shí）每個轉子的嵌線槽會多（duō）達（dá）30多（duō）條。發電機轉子槽形整體加工（gōng）要求較高：整槽寬度（dù）公差要求≤0.2mm、等分度要求≤0.02°、粗糙度要求≤Ra3.2，其次工藝要（yào）求的加工效率要高，需要兼顧機（jī）床加工性能及刀具切削性（xìng）能。

     要提高產品的（de）性能一般有兩種途徑（jìng），一是加（jiā）大資金投資購（gòu）買設備，或者求助外協；還（hái）有一種辦法就是對刀具切削工藝進行改（gǎi）進——這是最直接的手段，如果刀具的切削（xuē）效率能夠提高一倍，就相當於增加了一（yī）台機床，它帶（dài）來的效果立竿見影，事半（bàn）功（gōng）倍。SEPC的（de）轉子槽加工工序中（zhōng）大量使用（yòng）了（le）各種盤銑刀（dāo）和鳩尾銑刀，所用刀具以德國瓦爾特公司（sī）提供的可轉位盤銑刀和可轉位鳩尾銑刀為（wéi）主。

     國內（nèi）發電機製造技術（shù）發展經曆（lì）了三（sān）個（gè）階段，製造工藝也從（cóng）手工（gōng）、機械、數顯（xiǎn）加工為主，逐步發展到數控（kòng）智能化加工，轉子嵌線槽內鳩尾槽的加工刀具從之前高速鋼材質演變到可轉（zhuǎn）位刀片刀具。起初，SEPC和原來合作的刀具供應商也已將部分方案做成了硬質合（hé）金可轉位刀片方案。但其中一款刀具從定方案到製造、試加工、修改方案，幾次反複試加工總（zǒng）共花了近兩年的時間，最（zuì）終仍然不符合技術要求，最主（zhǔ）要的原因在於整體加工性能不好，工件的表麵質量無法保證（zhèng）。了解到相關發電行業的一些成功案（àn）例後，具有較豐富經驗的瓦爾特進入（rù）了SEPC的備選名單。

     應（yīng）用在300MW等級上的粗齒型粗銑盤銑刀是瓦爾特（tè）和SEPC的首個合作成（chéng）果。因為轉子槽粗加（jiā）工加工餘量大，要（yào）求（qiú）良好的（de）排屑（xiè）功能（néng），此外關鍵還不能出（chū）現拉鐵圈、磨痕。300MW的嵌線槽（cáo）槽寬（kuān）38mm,粗銑刀選用（yòng）的切寬（kuān）是36mm，單（dān）邊留1個毫米左右精銑餘量。常規的加工工藝是：第一步盤銑刀粗銑後鳩尾槽粗銑，接著盤銑刀第二、三…刀粗銑，結束後再進行盤銑刀精（jīng）銑，一般都是整槽形一刀到底，然後再進行鳩尾精銑。這其中所使用的粗銑盤銑刀就是瓦爾特牌號為（wéi）WF341-6092000的盤（pán）銑刀，它采用卡口式刀座設計，極（jí）適合用於電機轉子槽粗/精加工，刀體剛性極好，加工效率高，特別（bié）是在精加（jiā）工時，表麵無明顯（xiǎn）刀痕，粗糙度非常好。
 

     改（gǎi）變看得（dé）見

     現在看起來一切都很（hěn）順利（lì），但實際上雙方在設計這款（kuǎn）刀具時，也是（shì）一（yī）波三折。

     由於轉子槽底比較大，因此刀具加工時受到的阻力比較大，刀盤的（de）抗震性也會差一點。瓦爾特（tè）定製的（de）刀具最（zuì）初被設計成波浪形，效果並不理想（xiǎng），前後實驗了3次：第一次把刀座做了調整，第二（èr）次（cì）是把刀具運回到德國改進，但還有小缺陷，第三次又（yòu）重新訂做了一套新的刀座。但是雙方都有著“不（bú）達目的不罷休的勁頭”，數（shù）次在加工現場商討（tǎo）試驗，最（zuì）終提供（gòng）出幾近完美的解（jiě）決方案。現在瓦爾特刀具在SEPC的應用已經越來越多，隻要有新的產品設計都會在第一時間（jiān）看到瓦爾特資深技術人員的參與。

     同時，降本增效也是SEPC選擇刀具的重要條件。比如600MW鳩尾槽由高（gāo）速（sù）鋼刀（dāo）具更換為瓦爾特的刀具後粗糙度由原先的Ra6.3提高至不大於Ra3.2，加工效率由原先使用高速鋼刀具加工每個槽需90分鍾（zhōng），提高到使用硬質合金刀具後隻需30分鍾。雖然刀片消耗成本略（luè）高於（yú）高速鋼刀具方案，但由於加工工時減少，且加工（gōng）進給量由於比原先提高不（bú）少：可以從原來的不足100mm/min提高到240～280mm/min，綜合（hé）計算下來，實際加工（gōng）成本的降低（dī）依然（rán）可（kě）觀。
 

     目前，1000MW水氫冷、600MW水氫冷III型、300MW水氫冷是SEPC訂單最多（duō）的拳頭產品，年產台（tái）份（fèn）數（shù）在25～35台（tái），每年總的產品製造容量穩定在2000~3000萬（wàn）千瓦（wǎ）（3000萬千瓦機組一年發電量可達2400億度）。此外水冷機組也是SEPC另一（yī）項引以為傲的自主開發產品，至今已累積製造的水冷機組台（tái）份數超過650台。目前，SEPC也已經在研發世界660MW最大水冷發電機（jī）組及1200MW等級世界最大二極發電機機組。

     隨著中國裝備製造業的發展，未來生產企業對（duì）機床和刀具的要求也越來（lái）越高。金屬切削機床（chuáng）和刀具作為切削（xuē）加工的基（jī）礎工藝裝備，被（bèi）稱為 “孿生（shēng）兄弟”，機床依靠優（yōu）良的“牙齒（chǐ）”才能發揮（huī）最佳作用。可以說刀具性能和質量（liàng）直接影響到整體生產效率的（de）高低、加工質（zhì）量的好壞，以及（jí）生（shēng）產技術水平和經濟效（xiào）益，所以國外企業才有“企業的紅利在刀刃上（shàng）”的說法。SEPC正致力於此。
   
 
 

        圖片資料：
  
  

      
 
       圖1. 發電設備中典型關鍵零部件如轉子（zǐ）輪槽以及轉子嵌（qiàn）線鳩（jiū）尾槽，屬於耐熱（rè）高強度合金鋼、不鏽鋼等難加工材（cái）料，切削（xuē）量大、切削負荷重，對數（shù）控刀具的切削性能（néng）有很高的要求（qiú）

      
  
         圖2. 對1000MW及以上的二級發電機轉子來說，整體靜態撓度大，其本體嵌線槽（cáo）由於槽深深度大,槽壁薄，剛性差，易引起加工變（biàn）形，加工困難
  

        圖3. 典型轉子槽型加工步驟
  

        圖4. 衛潔忠，上海發電機廠工藝處主任工程師

       
  
        圖5. 應用在300MW等級轉子上的粗齒型粗銑盤銑刀是瓦爾特（tè）和SEPC的首個合作成果

      
 
       圖6. 現在瓦爾特刀具在SEPC的應用已（yǐ）經越來越多，隻要有新的產品設計，都（dōu）會在第一時（shí）間看到瓦爾特資深技術人員的參（cān）與