1 引言

轉(zhuǎn)子是工業(yè)汽輪機中的核心部件，工作環(huán)境惡劣，旋轉(zhuǎn)速度高、應(yīng)力集中部位多。一旦出現(xiàn)裂紋，既不能用改變允許方式來阻止裂紋的繼續(xù)擴展又不易修復(fù)，還容易造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的不平衡。轉(zhuǎn)子的機械性能由材料決定，通過選擇材料并采用相應(yīng)的熱處理工藝可得到不同的機械性能以滿足設(shè)計要求。而轉(zhuǎn)子的表面性能（形位公差、幾何精度、表面粗糙度等）由機械加工來實現(xiàn)。表面精度低會影響安裝精度，同時在使用過程中易出現(xiàn)磨損、剝蝕、融合粘結(jié)、表面材料轉(zhuǎn)移或因加工應(yīng)力造成的疲勞斷裂源，從而使零件的使用壽命縮短。尤其是兩端的軸頸部位，承受著整根轉(zhuǎn)子的重量和連續(xù)的摩擦力，因此軸頸的加工是整臺轉(zhuǎn)子加工的重中之重。軸頸加工的質(zhì)量直接影響到汽輪機組運行振動性能。按API612標(biāo)準(zhǔn)要求，轉(zhuǎn)子軸頸加工的表面粗糙度應(yīng)≤Ra0.4，圓柱度和電跳量應(yīng)≤0.006mm。

2 傳統(tǒng)的軸頸表面加工方法

傳統(tǒng)的軸頸表面加工方法有三種：一是軸頸精車后留磨的余量，上外圓磨床進(jìn)行磨削；二是軸頸精車后，在車床上用砂帶進(jìn)行手工拋光。這兩種方法只能使表面粗糙度達(dá)到Ra0.4~0.8之間，其表面質(zhì)量不夠理想。且手工研拋勞動強度大、安全性差，而磨削的方法受到外圓磨床規(guī)格配置的局限性，不可能所有大小的轉(zhuǎn)子都能進(jìn)行磨削。第三種方法是：軸頸精車后進(jìn)行表面滾壓。在車床上使用高硬度的光滑滾輪，對軸頸表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擠壓，使金屬表面局部產(chǎn)生微小的彈性變形，滾壓加工的軸頸表面粗糙度可達(dá)到Ra0.4以下，而且在加工硬化提高其耐磨性的同時疲勞強度大大提高。其缺點是，不可重復(fù)多次滾壓，操作不慎會使表面硬化起皮、起皺，甚至剝落，且剛性的硬擠壓會對精密機床的精度帶來非常不利的影響。

3 高束能表面加工技術(shù)的原理及特點

高束能金屬表面加工的工作原理是利用金屬在常溫狀態(tài)下的冷塑性特點，運用高束能對金屬零件的表面進(jìn)行無研磨劑的研磨、強化和微小的變形處理，使零件表面達(dá)到更理想的表面粗糙度要求。同時在零件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，提高零件表面的顯微硬度、耐磨性、疲勞強度和疲勞壽命。

高束能金屬表面加工工具有以下特點：1）能量聚焦性好，密度大，能大幅度提高材料塑性；2）工作頻帶寬，可靠性好，適合不同生產(chǎn)工藝；3）靠能量而不是靠壓力對工件進(jìn)行加工，可以加工HRC≤65的所有材料；4）超聲波直接深入到材料內(nèi)部，反復(fù)加工業(yè)不會產(chǎn)生表層剝落；5）對工件的圓度有一定的修正；6）可以實現(xiàn)對細(xì)長件和薄壁件的加工；7）可以消除殘余拉應(yīng)力并預(yù)置壓應(yīng)力，強化工件表面，提高其尺寸穩(wěn)定性；8）基本屬于無切削加工，潤滑油可反復(fù)使用，無廢棄物排放，能耗低，符合綠色加工和可持續(xù)發(fā)展的要求。

高束能金屬表面加工技術(shù)一次走刀就能將工件的表面粗糙度要求提高3級以上，使工件的使用性能--抗疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性都能得到顯著改善。同時，工件的表層金屬產(chǎn)生細(xì)微塑性殘余變形，從而達(dá)到改善表面性能、形狀和尺寸的目的。由于極微塑性變形的結(jié)果，不但工件表層的形狀改變，而且表面層的金屬結(jié)構(gòu)和性能也發(fā)生變化，晶粒變細(xì)，并沿著變形最大的方向延伸呈纖維狀，工件表面層內(nèi)形成有利的殘余應(yīng)力分布。使工件加工后表層得到強化，強度極限和屈服極限增大，加工后的工件表面顯微硬度提高20%以上，適合所有金屬材料的加工。其效率大大高于磨削加工，且工藝操作簡單。

4 高束能表面加工技術(shù)的應(yīng)用實例

汽輪機轉(zhuǎn)子軸頸由于其位置的重要性，加工要求高，因此一直以來存在加工效率低、加工周期長等問題。原加工工藝為：粗車→精車→滾壓，加工后表面粗糙度為Ra0.8。但加工后表面會產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，而且不能多次滾壓，對機床也有一定的損傷。高束能表面加工設(shè)備使用后，能夠大大提高轉(zhuǎn)子軸頸檔的表面質(zhì)量，取得了顯著的效果。

1.1  加工前準(zhǔn)備

    機床主軸跳動小于0.01mm，尾座頂尖的跳動＜0.01mm；機床縱向走刀穩(wěn)定，橫向進(jìn)給時系統(tǒng)的間隙＜0.01mm；轉(zhuǎn)子前、后軸頸已留余量精車，表面粗糙度Ra＜3.2；轉(zhuǎn)子材質(zhì)和機械性能均勻一致，無竹節(jié)紋、毛刺；轉(zhuǎn)子軸頸材料硬度HB250（材料牌號為：28CRMoNiV）。

1.2  加工過程

    高束能刀具總成部分裝夾在機床的刀架上；輸入單相電壓220±10%，頻率50Hz，打開控制箱，逐漸靠近軸頸，當(dāng)聽到高束能刀具前端滾珠電波打擊金屬的聲音時停止；打開潤滑油系統(tǒng)；開啟機床主軸，線速度75m/min，走刀量0.3mm/r；在軸頸處光整處理。

1.3  加工后效果

1）加工后前、后軸頸粗糙度值Ra≤0.2μm，表面顯微硬度提高20%以上；

2）加工后前、后軸頸徑向跳動量變小，外圓尺寸基本不變，當(dāng)材料和加工參數(shù)一定時該變化量為定值。

3）在已經(jīng)光整過的表面，還可重復(fù)進(jìn)行高束能光整處理，表面硬度基本不變，因此可以修復(fù)軸頸被拉毛的轉(zhuǎn)子；

4）軸頸表層無裂紋和剝落現(xiàn)象，避免出現(xiàn)硬化疲勞的缺陷。

5  結(jié)語

  目前公司已推廣使用高束能表面加工技術(shù)進(jìn)行軸頸的光整處理，大幅降低了軸頸的表面粗糙度，同時提高了軸頸表面的顯微硬度，能滿足設(shè)計要求。而且高束能加工技術(shù)對機床損害小，不影響機床的性能，操作簡單方便。