ИННОВАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ РОТОРОВ ТУРБИН

Роторы являются основной деталью турбин различного назначения: газо- и нефтеперекачивающих насосов, электрических генераторов и электродвигателей, двигателей самолетов и др. Роторы представляют собой тела вращения большого диаметра и большой протяженности, для них в целом характерно значительное превышение длины по отношению к диаметру. Однако, та часть детали, на которой размещают лопатки имеет значительно больший диаметр, чем хвостовики, на которых располагаются опорные шейки. Наиболее ответственные поверхности деталей данного типа должны обладать высокой точностью прямолинейности оси и расположения цилиндрических и торцовых поверхностей, требуемой шероховатостью. Радиальное биение поверхностей не должно превышать нескольких сотых долей миллиметра. Высокие требования предъявляются в отношении класса точности балансировки этих деталей. Характерной чертой крупногабаритных валов длиной несколько метров является относительно малая жесткость. При изготовлении и ремонте роторы проходят три стадии обработки:

1)    обработка валов без турбинных лопаток;

2)    обработка роторов со смонтированными на вал лопаткам;

3)    ремонт опорных шеек ротора в сборе.

Обеспечение требований точности и дальнейшая работоспособность изделия во многом зависит от применяемой технологии изготовления. Несмотря на значительное разнообразие конструктивных особенностей данного типа деталей, для их изготовления могут быть предложены общие технологические принципы, призванные исключить погрешности от действия двух факторов, имеющих общую природу возникновения, а именно, указанную выше недостаточную жесткость:

–   деформации при закреплении;

–   деформации от действия сил тяжести.

Предварительная черновая механическая обработка предшествует термической обработке, которая предназначена повысить однородность свойств материала, получить необходимые механические свойства и уменьшить внутренние напряжения. После предварительной механической обработки и термообработки выполняется контроль на соответствие допустимых величин прогиба, припуска и остаточных напряжений. Если ось имеет чрезмерные отклонения от прямолинейности, заготовку подвергают правке и повторной термообработке в виде низкотемпературного отжига.

Чистовая механическая обработка является самой сложной и ответственной операцией изготовления. Любое отклонение от заданных требований, предъявляемых к ротору после чистовой обработки, влечет за собой солидные экономические издержки.

При классическом варианте выполнения обработки роторы устанавливают на токарном станке согласно схемам, представленным на Рисунке 1.

При установке по схеме а) с использованием центра задней бабки, один конец заготовки зажимают кулачками патрона, а другой поджимают центром задней бабки. Данная схема представляет возможность выполнять обработку только наружных цилиндрических поверхностей. Для обработки торцов, а также при наличии центрального отверстия, применяется схема (Рисунок 1, б) с использованием поддерживающего люнета.

Как видно из рисунка для полной обработки детали с обеих сторон, включая торцы, необходимо использовать, как минимум, два установа. Переустановка таких массивных нежестких заготовок является довольно сложной процедурой, большие трудности вызывает их выверка, от качества которой зависит точность обработки. В процессе выверки необходимо решить две задачи, связанные с деформациями заготовки под действием силы тяжести и возникающими от сил закрепления.

Действие силы тяжести проявляет себя провисанием заготовки в вертикальной плоскости. Величина провисания центральной части весьма существенна и в зависимости от длины ротора и его массы может достигать нескольких миллиметров. Достижение точности обработки при таком провисании затруднено.

В процессе закрепления заготовки в зажимном патроне зачастую возникает отклонение в горизонтальной плоскости оси заготовки от оси станка. Чем длиннее заготовка, тем больше величина отклонения. Когда оператор подводит задний центр, правый конец заготовки смещается на ось центров, сама заготовка деформируется. Обработку выполняют в деформированном состоянии, после ее обработки и раскрепления обнаруживается радиальное биение детали.

В связи с отсутствием методик установки заготовок и конструктивных решений станков, выверка и закрепление заготовок без деформаций представляет чрезвычайно сложную задачу, которую при значительных затратах времени, по много часов, не всегда удается успешно решить даже квалифицированным операторам и, соответственно, добиться необходимых результатов точности обработки.

Решение задачи выверки и закрепления крупногабаритных нежестких заготовок реализовано на Рязанском станкостроительном заводе в конструкции станков мод. РТ958 и РТ700, специально предназначенных для обработки роторов. Станки мод. РТ958 успешно эксплуатируются при ремонте роторов газоперекачивающих турбин на ремонтных предприятиях, при изготовлении роторов электрогенераторов, на станке РТ700 был изготовлен ротор длиной 12 метров для Конаковской ГРЭС.

Технология выверки и закрепления заготовок осуществляется при наличии в этих станках двух шпиндельных бабок – неподвижной передней и подвижной в осевом направлении задней, двух призматических регулируемых по высоте подставок и люнетов, поддерживающих заготовку. Призматические подставки используют при выверке заготовки, их задача совместить ось заготовки с осью станка. При установке заготовку свободно укладывают на призмы. Затем концы заготовки выверяют по высоте с осью станка и только после этого приступают к закреплению кулачками патронов, каждый из которых имеет по 4 кулачка с независимым перемещением. Для уменьшения действия изгибающей ось силы зажима следует ограничить протяженность захвата заготовки кулачками патрона 15-ю миллиметрами от торца. Независимое перемещение кулачков позволяет произвести окончательную выверку заготовки. По окончании выверки призмы отводят от заготовки или даже снимают со станка. Заготовку центрируют по оси двумя поддерживающими люнетами.

На описанных станках кроме токарной обработки применяют шлифование опорных шеек роторов. Предложены оригинальная конструкция шлифовальных суппортов и способ шлифования цилиндрических поверхностей торцом круга. Использование описанного способа позволяет повысить точность и производительность обработки. Разработчики технологии обработки и ремонта роторов турбин награждены в 2004 году серебряными медалями имени академика В.Ф. Уткина.

Но предложенная технология оставляет необходимостью выполнять обработку в несколько установов, связанных с переворотами заготовки. Невозможно обрабатывать конец заготовки, за который она закреплена, недоступно с этой стороны отверстие, если оно имеется в роторе.

В настоящее время широко используются двухпозиционные токарные станки с контршпинделями. После обработки детали, закрепленной в левом шпинделе, правый контршпиндель подъезжает к заготовке, захватывает ее кулачками зажимного патрона и отъезжает в позицию обработки. Но реализовать такой вариант обработки крупногабаритной детали, поддерживаемой двумя люнетами, не удастся.

Предложена технология высокопроизводительной и высокоточной обработки всех поверхностей крупногабаритной заготовки в один установ. Отличительными чертами станка для ее реализации является наличие стационарного положения заготовки в двух центрирующих по оси станка люнетах и двух подвижных в осевом направлении шпиндельных бабок с зажимными устройствами. Примерная компоновка такого станка представлена на Рисунке 2.

Обе шпиндельные бабки равноценны по своим характеристикам и имеют независимые приводы вращения. В качестве оснастки для базирования и закрепления заготовки можно использовать трехкулачковые самоцентрирующие патроны комбинированные с центрами. Такие самоцентрирующие патроны оснащены дополнительно к кулачкам плавающими центрами, что позволяет объединить в себе свойства полноценного зажимного патрона и обычного центра.

Предлагаемый станок целесообразно выполнить в исполнении токарного обрабатывающего центра, снабдить его суппортом, несущим поворотный инструментальный шпиндель, и магазином инструментов. Угол поворота инструментального шпинделя должен быть не менее 180°, что дает возможность обрабатывать торцы и отверстия с обеих сторон заготовки. Инструментальный шпиндель может работать вращающимися инструментами и стационарными резцами.

Станок должен иметь два режима работы, которые условно могут быть названы токарным и фрезерным. В процессе токарной обработки заготовка получает вращение попеременно, то от правой, то от левой бабки. Во фрезерном режиме заготовка либо неподвижна, либо поворачивается в режиме интерполяции вокруг координатной оси С. Общее число управляемых координат при односуппортном исполнении станка должно быть не менее шести.

Облегчение процесса выверки и установки обеспечивается использованием в станке двух неподвижных самоцентрирующих люнетов, размещаемых, по возможности, в точках наименьшего прогиба заготовки от действия силы тяжести. При двухлюнетной схеме выверки такие точки следует расположить на расстоянии от торцов примерно в 0,2 от длины заготовки. Люнеты должны обеспечить точное выведение оси заготовки в ось станка в двух взаимно перпендикулярных горизонтальной и вертикальной плоскостях, тем самым облегчить процесс закрепления заготовки кулачками зажимных патронов передней и задней бабок без деформаций. Особенностью предлагаемых люнетов является возможность обработки наружных цилиндрических поверхностей без отвода поддерживающих роликов от обрабатываемых поверхностей. При поочередной обработке каждого из концов заготовки, включая отверстия со стороны торцов на некоторую глубину, заготовка получает вращение от одной из шпиндельных бабок, а вторая бабка отходит от заготовки на расстояние, не препятствующее режущим инструментам.

Не следует считать, что предлагаемая технология требует для своей реализации принципиально новых, трудно реализуемых конструктивных решений. Все свойства и конструктивные особенности предлагаемого станка в отдельности использованы в различных станках с ЧПУ, в данном случае они аккумулируются в одном станке для решения достаточно актуальной технологической задачи обработки крупногабаритных валов и гильз.

Производительность обработки многократно повышается в связи с использованием целого ряда возможностей:

1)      уменьшения  числа  установов  за  счет  придания  крупногабаритной  заготовке  при  обработке стационарного положения;

2)      сокращения времени установки и закрепления заготовки с исключением времени выверки;

3)      комплексной многоинструментной обработки на токарном обрабатывающем центре.

Положительные экономические показатели, кроме того, обеспечиваются сокращением количества используемого оборудования, как следствие снижением расходов на содержание станочного парка. Перечисленные преимущества говорят об экономической целесообразности внедрения в производство новой технологии обработки роторов турбин.