超精度加工在汽輪發電機制造中的應用

王子維

摘 要：通過介紹現階段汽輪發電機生產技術及工藝方法的特點，強調精加工及超精加工在未來生產中對于制造業在同行業競爭的重要性，通過對機床結構、刀具磨具選擇及非標設備的制造等方面給予解決方法，分析常規產品在生產中出現的加工精度所引發的問題，通過介紹超精加工的基礎理論，最終應用其溶入到工藝方法中加以解決。對超精加工在現在以及未來生產活動中如何合理的運用做了簡單的概括。

關鍵詞：超精密加工；汽輪發電機；制造；應用

我國的制造業已進入了高速發展階段，在汽輪發電機制造領域，隨著業主對產品的要求不斷提高，國外制造業巨頭的爭相涌入，使用精加工及超精加工從而大幅度地提高我國汽輪發電機各項使用性能顯得尤為重要。在此期間，先進的設備，人才的培養是不可或缺的，但我們也要掌握正確的工藝方法，使之靈活運用于日常的生產活動中。

從宏觀上來看，汽輪發電機的工藝特點如下：

（1）汽輪發電機的生產模式是單件的、小批量的。即便是在一些大型的發電機生產基地受設備及場地所限也很難做到兩臺或者兩臺以上的同型號汽輪發電機同時投產。

（2）大型零部件的生產通常是單件的，但定子繞組是批量生產的，多種型號的繞組生產過程可以連續不斷的。此外，定子鐵心扇形沖片、轉子槽楔和風扇葉片等的生產批量也是較大的。

（3）汽輪發電機的試生產環節在實際制造過程中是沒有的。首先新機型是直接發往電站進行調試運行的；其設計與工藝文件的整合是在發電機生產一線的車間中完成的。樣機必須在試驗臺經過仔細試驗，這是因為在下一臺電機投產之前還不可能得到樣機運行的結果。

（4）零部件制造的工藝過程是根據工序集中的原則安排的，這完全符合重型電機制造的特點。大而復雜的零件放置、找正和固定的輔助工時占發電機制造總工時的大部分。零部件制造所用的設備，除大型通用機床和可移動的機床外，還需要較大的非標準設備。某些零件（如定子鐵心壓指）以盡可能多的數量同時在機床的工作臺上進行加工，使其尺寸達到完全互換。許多部件（如軸瓦、軸承座、等）的工藝特點是以組裝的形式進行最后機械加工的。

結合以上汽輪發電機在生產環節中的特點，可見其產品對于在機加中精度要求的一次通過率較高，它不會給我們二次加工的機會，故加工精度成為良品、精品的重要標志性參數之一，精加工及超精加工在未來的生產中有著不可替代的作用。

以汽輪發電機中轉子軸加工為例，轉軸的材質是由造價較高的合金鋼經過熱處理工藝鍛制而成的，其在加工中切削量非常大，轉軸本體中的所有的下線槽都必須在大型的轉子銑上完成加工工序，由于這些工序可直接影響轉子的品質，對后續的轉子下線及動平衡試驗起著決定性因素，所以這對于轉子銑的精度提出了較高的要求。由于汽輪發電機轉軸長度一般在10m以上，所以在生產中裝卡成為生產難題，好的裝卡方式可以使轉軸在加工中相對保持穩定，在一定程度上保證了各項尺寸的位置精度。但好的裝卡方式往往需要與之配套使用的非標設備，這對于硬件的要求較高，往往難以滿足。而轉軸加工過程中的切削量是較大的，即使在良好的裝卡情況下依然可能出現轉軸端部的擺動情況，這直接造成了軸頸及聯軸器止口、外圓的跳動超差，甚至是尺寸不符。

對于這種現象，機床的加工精度是重要因素但超精加工工藝方法及精密檢測也可以起到良好的輔助作用。例如現階段較為先進的數控復眼加工技術，由多個視角對加工工件進行尺寸確認后再進行加工，最大限度的保證了工件的各項名義尺寸及相關公差的要求，以及超聲刀架的應用在黑色金屬切削中表現尤為突出。

歐美90年代的轉子軸加工圖紙中就已經出現了公差在0.013mm的技術要求，而就我國的基本國情，能到達此種加工精度的大型機床可能還無法推廣至整個制造業領域，這就要求我們需掌握較為先進的工藝方法及檢測方法來彌補硬件上的不足。

加工方法大致在轉軸加工中大致分為精車及精磨，精車現階段車間中使用較為廣泛的是快速侍服車削，但此種方法往往會造成轉軸端部較大震動，所以在今后的發展趨勢中慢速侍服切削必將得到加強。而在此期間機加中普遍存在的問題也需要得到重視，如：切削形成與斷裂、切削瘤、頻振、彈塑現象、刀具磨損、殘余應力、切削熱等等。

為了更好的控制以上因素，應在檢測手段上符合精加工的部分特性，在加工中機床部件與機床整機、機床運動應得到相應檢測。加工后零件的檢測與標定也可作為輔助參考。特別值得關注的是我們針對機床的檢測中往往總容易忽視運行中的在位線測量。這對于動態加工的精度掌握往往不能起到良好的導向作用。

轉子軸車序的加工工序往往會安排在350t以上的重型數控臥車上進行，而大型機床的裝卡工作尤為重要。

為此一般在加工600MW～1000MW汽輪發電機轉軸時需配制與350t重型數控臥車萬向節成套使用的轉軸精車工具，350t重臥中心架配套使用的靜壓支撐瓦和普通烏金頭等一批專用工具。

對于支撐工具的使用我們應謹慎對待，因為支撐的靜態設計往往非常關鍵，油膜或者汽膜的變化對于精度加工影響較大，所以目前汽（輪發電機轉軸車序加工常規工藝方法為萬向節-雙托架支撐方式，即由萬向聯軸節傳遞力矩，在轉軸汽、勵端軸頸或擋油臺等部位采用中心架支撐的方式，采用這種加工工藝能很好地解決由于機床自身傳動機構（機械部件）間隙等因素對加工精度帶來的負面影響。

百萬級汽輪發電機轉軸軸承跨距約為13130mm，六十萬級汽輪發電機轉軸軸承跨距為10061.2mm，本體部分外圓直徑為1270mm，故其靜撓度較600MW汽輪發電機轉軸更大。由于百萬級汽輪發電機的上述特點，繼續保證機械加工的尺寸和形位公差變得更加困難。百萬級汽輪發電機轉軸勵結構較為細長脆弱，在加工過程中受其自身撓度影響，尺寸和形位公差均很難保證。特別考慮到裝配完成后，集電環和集電環風扇熱套至軸上，受部件自身重量的影響，加工集電環和集電環風扇外圓部位時難度將會更大。針對此種顯現，在百萬級汽輪發電機轉軸車序加工中引入第三支撐的概念。三點支撐，以盡可能減小轉軸撓度對機械加工所帶來的不利影響。按轉軸勵端段尺寸制造專用中心架，并為中心架配備了與350t重型數控臥車導軌接口相配的專用方箱。在車削加工時，將專用中心架及支撐在勵端段適當位置，以滿足接下來的車削任務。

合理的工藝方法可以改善加工效果，卻不能從根本上解決精度問題，加工工具的選擇與使用也非常關鍵。當代制造業精加工已經進入nm時代，如何更加合理的提高加工精度成為提升產品質量的重要因素之一。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術。以用金剛石刀具精密切削為例，金剛石刀具的精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應達到2～4nm，同時應解決其檢測方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關系密切，若切削的厚度欲達到10nm，則刃口鈍圓半徑應為2nm。

再以磨具為例，磨具當前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等，利用細粒度的磨粒和微粉對黑色金屬，硬催材料進行加工，可得到較高加工精度及較低的表面粗糙度。

超精加工技術在汽輪發電機制造中的利用，從某種程度上證明了我國制造業的進步，相信在未來會有很多制造行業引入此種加工技術，例如航天、航空工業中，人造衛星、航天飛機、民用客機等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造衛星用的姿態軸承和遙測部件對觀測性能。此技術的長足進步無論是對于民用產品，亦或是對于國防科技而言都極為重要，相信我們技術人員在自己的業務范圍內勤于思考，善于總結在此種理論的基礎上開發出一套適用于本國國情的技術理論，提高我們的產品質量，最大限度的占有世界市場，中國之崛起將不日而達。