1 引言
轉子是工業汽輪機中的核心部件，工作環境惡劣，旋轉速度高、應力集中部位多。一旦出現裂紋，既不能用改變允許方式來阻止裂紋的繼續擴展又不易修復，還容易造成轉子轉動的不平衡。轉子的機械性能由材料決定，通過選擇材料并采用相應的熱處理工藝可得到不同的機械性能以滿足設計要求。而轉子的表面性能（形位公差、幾何精度、表面粗糙度等）由機械加工來實現。表面精度低會影響安裝精度，同時在使用過程中易出現磨損、剝蝕、融合粘結、表面材料轉移或因加工應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，承受著整根轉子的重量和連續的摩擦力，因此軸頸的加工是整臺轉子加工的重中之重。軸頸加工的質量直接影響到汽輪機組運行振動性能。按API612標準要求，轉子軸頸加工的表面粗糙度應≤Ra0.4，圓柱度和電跳量應≤0.006mm。
2 傳統的軸頸表面加工方法
傳統的軸頸表面加工方法有三種：一是軸頸精車后留磨的余量，上外圓磨床進行磨削；二是軸頸精車后，在車床上用砂帶進行手工拋光。這兩種方法只能使表面粗糙度達到Ra0.4~0.8之間，其表面質量不夠理想。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格配置的局限性，不可能所有大小的轉子都能進行磨削。第三種方法是：軸頸精車后進行表面滾壓。在車床上使用高硬度的光滑滾輪，對軸頸表面進行旋轉擠壓，使金屬表面局部產生微小的彈性變形，滾壓加工的軸頸表面粗糙度可達到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下的冷塑性特點，運用高束能對金屬零件的表面進行無研磨劑的研磨、強化和微小的變形處理，使零件表面達到更理想的表面粗糙度要求。同時在零件表面產生壓應力，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，適合不同生產工藝；3）靠能量而不是靠壓力對工件進行加工，可以加工HRC≤65的所有材料；4）超聲波直接深入到材料內部，反復加工業不會產生表層剝落；5）對工件的圓度有一定的修正；6）可以實現對細長件和薄壁件的加工；7）可以消除殘余拉應力并預置壓應力，強化工件表面，提高其尺寸穩定性；8）基本屬于無切削加工，潤滑油可反復使用，無廢棄物排放，能耗低，符合綠色加工和可持續發展的要求。
高束能金屬表面加工技術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，工件的表層金屬產生細微塑性殘余變形，從而達到改善表面性能、形狀和尺寸的目的。由于極微塑性變形的結果，不但工件表層的形狀改變，而且表面層的金屬結構和性能也發生變化，晶粒變細，并沿著變形最大的方向延伸呈纖維狀，工件表面層內形成有利的殘余應力分布。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的應用實例
汽輪機轉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。但加工后表面會產生硬化現象，而且不能多次滾壓，對機床也有一定的損傷。高束能表面加工設備使用后，能夠大大提高轉子軸頸檔的表面質量，取得了顯著的效果。
1.1 加工前準備
機床主軸跳動小于0.01mm，尾座頂尖的跳動＜0.01mm；機床縱向走刀穩定，橫向進給時系統的間隙＜0.01mm；轉子前、后軸頸已留余量精車，表面粗糙度Ra＜3.2；轉子材質和機械性能均勻一致，無竹節紋、毛刺；轉子軸頸材料硬度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；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，當材料和加工參數一定時該變化量為定值。
3）在已經光整過的表面，還可重復進行高束能光整處理，表面硬度基本不變，因此可以修復軸頸被拉毛的轉子；
4）軸頸表層無裂紋和剝落現象，避免出現硬化疲勞的缺陷。
5 結語
目前公司已推廣使用高束能表面加工技術進行軸頸的光整處理，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，能滿足設計要求。而且高束能加工技術對機床損害小，不影響機床的性能，操作簡單方便。