可再生能源正在全面挑戰傳統能源的產出方式，比如2016 年光伏上網價格和風電電價均已出臺下調方案。雖然趨勢如此，但國家能源局近年來的統計數據表明,發電量的七成仍源自火電發電，包括水、風、核電、太陽能等新能源并未對傳統能源形成強勢沖擊。可是,目前國內電力市場已日趨飽和，在國家扶持新能源的政策下，火力發電等傳統發電形式“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

     作為我國制造大型電力設備的主力廠商，上海電氣電站設備有限公司發電機廠（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，主要從事火電、核電、燃機領域的大型發電機成套產品的研發和制造。

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

    我國現有的300MW、600MW、1000MW 水氫冷汽輪發電機效率、年運行小時等參數均已達到國際先進水平，近年國家規定國內能生產的亞臨界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制造業的發展。電站制造業是國家重要的基礎工業之一，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 目前已經形成完善的空冷50MW～200MW 等級、雙水內水冷60MW～340MW 等級、水氫冷200～1000MW 等級等系列產品，在超超臨界1000MW 級火電、核電及燃氣輪發電機等重大項目上實現了歷史性突破，目前正在研發國際上最大容量的1800MW 級核電發電機、1200MW 級火電發電機等產品，以形成新的發電機核心技術，不斷提高企業核心競爭力。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 四極核電發電機和年產量3000 萬千瓦的生產能力。

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

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

     此外發電設備中其他一些典型關鍵零部件如轉子輪槽以及轉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、摩擦系數等有很高的要求。

     對1000MW 及以上的二級發電機轉子來說，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。

     但難點正是關鍵點。控制和減少二極轉子嵌線槽的切削變形，是提高轉子運轉精度、保證發電機運行品質的關鍵。一般來說嵌線槽在加工中發生變形，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，其高精度復雜型面的切削對數控刀具本身的精度也提出了更高的要求。

     難點重重

    機加工是發電機組生產的重要環節，發電機轉子、定子、機座等部件切削量很大，對機床和刀具要求都很高。汽輪發電機轉軸嵌線槽是采用專用可轉位轉子槽盤銑刀，在數控轉子槽銑床上加工而成。由于轉軸材質為高強度合金鋼，切削槽深、銑刀直徑大、切削速快，對刀具綜合性能要求很高。以轉子加工為例，鍛造出的原材料工件首先要經過車削，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，因為牽扯到轉子的動平衡。”這是每個工藝操作人員都所熟稔的。
 

      轉子本體外圓有一圈軸向方向的嵌線槽，業內也稱之為轉子縱樹型輪槽，有時每個轉子的嵌線槽會多達30 多條。發電機轉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。

     要提高產品的性能一般有兩種途徑，一是加大資金投資購買設備，或者求助外協；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位盤銑刀和可轉位鳩尾銑刀為主。

     國內發電機制造技術發展經歷了三個階段，制造工藝也從手工、機械、數顯加工為主，逐步發展到數控智能化加工，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金可轉位刀片方案。但其中一款刀具從定方案到制造、試加工、修改方案，幾次反復試加工總共花了近兩年的時間，最終仍然不符合技術要求，最主要的原因在于整體加工性能不好，工件的表面質量無法保證。了解到相關發電行業的一些成功案例后，具有較豐富經驗的瓦爾特進入了SEPC 的備選名單。

     應用在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。因為轉子槽粗加工加工余量大，要求良好的排屑功能，此外關鍵還不能出現拉鐵圈、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計，極適合用于電機轉子槽粗/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

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

     由于轉子槽底比較大，因此刀具加工時受到的阻力比較大，刀盤的抗震性也會差一點。瓦爾特定制的刀具最初被設計成波浪形，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”，數次在加工現場商討試驗，最終提供出幾近完美的解決方案。現在瓦爾特刀具在SEPC 的應用已經越來越多，只要有新的產品設計都會在第一時間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 訂單最多的拳頭產品，年產臺份數在25～35 臺，每年總的產品制造容量穩定在2000~3000 萬千瓦（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 另一項引以為傲的自主開發產品，至今已累積制造的水冷機組臺份數超過650 臺。目前，SEPC 也已經在研發世界660MW 最大水冷發電機組及1200MW 等級世界最大二極發電機機組。

     隨著中國裝備制造業的發展，未來生產企業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工藝裝備，被稱為 “孿生兄弟”，機床依靠優良的“牙齒”才能發揮最佳作用。可以說刀具性能和質量直接影響到整體生產效率的高低、加工質量的好壞，以及生產技術水平和經濟效益，所以國外企業才有“企業的紅利在刀刃上”的說法。SEPC 正致力于此。

     圖1. 發電設備中典型關鍵零部件如轉子輪槽以及轉子嵌線鳩尾槽，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 及以上的二級發電機轉子來說，整體靜態撓度大，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