可再生能源正在全面挑戰(zhàn)傳統(tǒng)能源的產(chǎn)出方式，比如2016 年光伏上網(wǎng)價格和風電電價均已出臺下調(diào)方案。雖然趨勢如此，但國家能源局近年來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,發(fā)電量的七成仍源自火電發(fā)電，包括水、風、核電、太陽能等新能源并未對傳統(tǒng)能源形成強勢沖擊。可是,目前國內(nèi)電力市場已日趨飽和，在國家扶持新能源的政策下，火力發(fā)電等傳統(tǒng)發(fā)電形式“上大壓小”，采用大功率設(shè)備已成為電力行業(yè)的共識。

     “大”帶來的挑戰(zhàn)

     作為我國制造大型電力設(shè)備的主力廠商，上海電氣電站設(shè)備有限公司發(fā)電機廠（SEPC）隸屬于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(yè)，主要從事火電、核電、燃機領(lǐng)域的大型發(fā)電機成套產(chǎn)品的研發(fā)和制造。

     從2004 年開始，上海發(fā)電機廠火力發(fā)電機組的生產(chǎn)、銷售、以及訂單數(shù)量連續(xù)保持世界第一。近幾年公司1000MW 等級水氫冷機組每年的訂單量基本穩(wěn)定在9000MW～13000MW 范圍內(nèi)，國內(nèi)市場占有率約80%，600MW 等級水氫冷機組年訂單量本穩(wěn)定在6000MW～9000MW，國內(nèi)市場占有率約60%，產(chǎn)品遠銷多個國家。
 

    我國現(xiàn)有的300MW、600MW、1000MW 水氫冷汽輪發(fā)電機效率、年運行小時等參數(shù)均已達到國際先進水平，近年國家規(guī)定國內(nèi)能生產(chǎn)的亞臨界600MW 及以下容量機組一般不再進口，這加快了對我國電站建設(shè)制造業(yè)的發(fā)展。電站制造業(yè)是國家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，法國、德國、日本、俄羅斯、美國的大型核電站、火電站的絕大部分機組都是本國制造的。

    隨著“上大壓小”政策的實施，SEPC 目前已經(jīng)形成完善的空冷50MW～200MW 等級、雙水內(nèi)水冷60MW～340MW 等級、水氫冷200～1000MW 等級等系列產(chǎn)品，在超超臨界1000MW 級火電、核電及燃氣輪發(fā)電機等重大項目上實現(xiàn)了歷史性突破，目前正在研發(fā)國際上最大容量的1800MW 級核電發(fā)電機、1200MW 級火電發(fā)電機等產(chǎn)品，以形成新的發(fā)電機核心技術(shù)，不斷提高企業(yè)核心競爭力。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，具備了可加工目前世界上最大容量——1800MW 四極核電發(fā)電機和年產(chǎn)量3000 萬千瓦的生產(chǎn)能力。

     隨著等級的提升，發(fā)電設(shè)備尺寸也隨之加大，動輒上百噸、幾十米的大型設(shè)備給加工帶來的不僅僅是不便，加工難度也隨之提升。

     由于發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品的特性，對設(shè)備的可靠性有著嚴格的要求。比如轉(zhuǎn)子是大型電力設(shè)備―發(fā)電機中的核心部件，其加工質(zhì)量的好壞影響了發(fā)電機的運行質(zhì)量。且轉(zhuǎn)子胚件尺寸大，成本不菲，供應(yīng)有限，雖加工要求高，但也必須加工零失誤率。
 

     此外發(fā)電設(shè)備中其他一些典型關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)子輪槽以及轉(zhuǎn)子嵌線鳩尾槽等的切削加工，由于被加工材料屬于耐熱高強度合金鋼、不銹鋼等難加工材料，切削量大、切削負荷重，對數(shù)控刀具的切削性能，諸如高溫紅硬性、彎曲剪切強度、抗磨損性、抗粘接性、摩擦系數(shù)等有很高的要求。

     對1000MW 及以上的二級發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說，其本體嵌線槽由于槽深深度大（100mm 以上）,槽壁薄（15mm 左右）如圖2 所示，剛性差，易引起加工變形，加工困難。

     但難點正是關(guān)鍵點。控制和減少二極轉(zhuǎn)子嵌線槽的切削變形，是提高轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)精度、保證發(fā)電機運行品質(zhì)的關(guān)鍵。一般來說嵌線槽在加工中發(fā)生變形，嵌線槽槽口變形量可達到 0.5mm。要減小變形，必須選擇合適的切削力并減小降低殘余應(yīng)力。這不僅對工藝工程師和操作人員提出了高要求，其高精度復(fù)雜型面的切削對數(shù)控刀具本身的精度也提出了更高的要求。

     難點重重

    機加工是發(fā)電機組生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子、機座等部件切削量很大，對機床和刀具要求都很高。汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)軸嵌線槽是采用專用可轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)子槽盤銑刀，在數(shù)控轉(zhuǎn)子槽銑床上加工而成。由于轉(zhuǎn)軸材質(zhì)為高強度合金鋼，切削槽深、銑刀直徑大、切削速快，對刀具綜合性能要求很高。以轉(zhuǎn)子加工為例，鍛造出的原材料工件首先要經(jīng)過車削，然后是銑削加工。銑削分粗銑和精銑，每個工序分兩步又分兩步走。“銑槽必須要分段，因為牽扯到轉(zhuǎn)子的動平衡。”這是每個工藝操作人員都所熟稔的。
 

      轉(zhuǎn)子本體外圓有一圈軸向方向的嵌線槽，業(yè)內(nèi)也稱之為轉(zhuǎn)子縱樹型輪槽，有時每個轉(zhuǎn)子的嵌線槽會多達30 多條。發(fā)電機轉(zhuǎn)子槽形整體加工要求較高：整槽寬度公差要求≤0.2mm、等分度要求≤0.02°、粗糙度要求≤Ra3.2，其次工藝要求的加工效率要高，需要兼顧機床加工性能及刀具切削性能。

     要提高產(chǎn)品的性能一般有兩種途徑，一是加大資金投資購買設(shè)備，或者求助外協(xié)；還有一種辦法就是對刀具切削工藝進行改進——這是最直接的手段，如果刀具的切削效率能夠提高一倍，就相當于增加了一臺機床，它帶來的效果立竿見影，事半功倍。SEPC 的轉(zhuǎn)子槽加工工序中大量使用了各種盤銑刀和鳩尾銑刀，所用刀具以德國瓦爾特公司提供的可轉(zhuǎn)位盤銑刀和可轉(zhuǎn)位鳩尾銑刀為主。

     國內(nèi)發(fā)電機制造技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，制造工藝也從手工、機械、數(shù)顯加工為主，逐步發(fā)展到數(shù)控智能化加工，轉(zhuǎn)子嵌線槽內(nèi)鳩尾槽的加工刀具從之前高速鋼材質(zhì)演變到可轉(zhuǎn)位刀片刀具。起初，SEPC 和原來合作的刀具供應(yīng)商也已將部分方案做成了硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片方案。但其中一款刀具從定方案到制造、試加工、修改方案，幾次反復(fù)試加工總共花了近兩年的時間，最終仍然不符合技術(shù)要求，最主要的原因在于整體加工性能不好，工件的表面質(zhì)量無法保證。了解到相關(guān)發(fā)電行業(yè)的一些成功案例后，具有較豐富經(jīng)驗的瓦爾特進入了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和SEPC 的首個合作成果。因為轉(zhuǎn)子槽粗加工加工余量大，要求良好的排屑功能，此外關(guān)鍵還不能出現(xiàn)拉鐵圈、磨痕。300MW 的嵌線槽槽寬38mm,粗銑刀選用的切寬是36mm，單邊留1 個毫米左右精銑余量。常規(guī)的加工工藝是：第一步盤銑刀粗銑后鳩尾槽粗銑，接著盤銑刀第二、三…刀粗銑，結(jié)束后再進行盤銑刀精銑，一般都是整槽形一刀到底，然后再進行鳩尾精銑。這其中所使用的粗銑盤銑刀就是瓦爾特牌號為WF341-6092000 的盤銑刀，它采用卡口式刀座設(shè)計，極適合用于電機轉(zhuǎn)子槽粗/精加工，刀體剛性極好，加工效率高，特別是在精加工時，表面無明顯刀痕，粗糙度非常好。

     改變看得見

     現(xiàn)在看起來一切都很順利，但實際上雙方在設(shè)計這款刀具時，也是一波三折。

     由于轉(zhuǎn)子槽底比較大，因此刀具加工時受到的阻力比較大，刀盤的抗震性也會差一點。瓦爾特定制的刀具最初被設(shè)計成波浪形，效果并不理想，前后實驗了3 次：第一次把刀座做了調(diào)整，第二次是把刀具運回到德國改進，但還有小缺陷，第三次又重新訂做了一套新的刀座。但是雙方都有著“不達目的不罷休的勁頭”，數(shù)次在加工現(xiàn)場商討試驗，最終提供出幾近完美的解決方案。現(xiàn)在瓦爾特刀具在SEPC 的應(yīng)用已經(jīng)越來越多，只要有新的產(chǎn)品設(shè)計都會在第一時間看到瓦爾特資深技術(shù)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 鳩尾槽由高速鋼刀具更換為瓦爾特的刀具后粗糙度由原先的Ra6.3 提高至不大于Ra3.2，加工效率由原先使用高速鋼刀具加工每個槽需90 分鐘，提高到使用硬質(zhì)合金刀具后只需30 分鐘。雖然刀片消耗成本略高于高速鋼刀具方案，但由于加工工時減少，且加工進給量由于比原先提高不少：可以從原來的不足100mm/min 提高到240～280mm/min，綜合計算下來，實際加工成本的降低依然可觀。
 

     目前，1000MW 水氫冷、600MW 水氫冷III 型、300MW 水氫冷是SEPC 訂單最多的拳頭產(chǎn)品，年產(chǎn)臺份數(shù)在25～35 臺，每年總的產(chǎn)品制造容量穩(wěn)定在2000~3000 萬千瓦（3000 萬千瓦機組一年發(fā)電量可達2400 億度）。此外水冷機組也是SEPC 另一項引以為傲的自主開發(fā)產(chǎn)品，至今已累積制造的水冷機組臺份數(shù)超過650 臺。目前，SEPC 也已經(jīng)在研發(fā)世界660MW 最大水冷發(fā)電機組及1200MW 等級世界最大二極發(fā)電機機組。

     隨著中國裝備制造業(yè)的發(fā)展，未來生產(chǎn)企業(yè)對機床和刀具的要求也越來越高。金屬切削機床和刀具作為切削加工的基礎(chǔ)工藝裝備，被稱為 “孿生兄弟”，機床依靠優(yōu)良的“牙齒”才能發(fā)揮最佳作用。可以說刀具性能和質(zhì)量直接影響到整體生產(chǎn)效率的高低、加工質(zhì)量的好壞，以及生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟效益，所以國外企業(yè)才有“企業(yè)的紅利在刀刃上”的說法。SEPC 正致力于此。

     圖1. 發(fā)電設(shè)備中典型關(guān)鍵零部件如轉(zhuǎn)子輪槽以及轉(zhuǎn)子嵌線鳩尾槽，屬于耐熱高強度合金鋼、不銹鋼等難加工材料，切削量大、切削負荷重，對數(shù)控刀具的切削性能有很高的要求

     圖2. 對1000MW 及以上的二級發(fā)電機轉(zhuǎn)子來說，整體靜態(tài)撓度大，其本體嵌線槽由于槽深深度大,槽壁薄，剛性差，易引起加工變形，加工困難

                                                 圖3. 典型轉(zhuǎn)子槽型加工步驟

     圖4. 衛(wèi)潔忠，上海發(fā)電機廠工藝處主任工程師