解析水輪機部件機械加工的疑難問題

郭連河

摘要：水輪機的檢修不僅直接影響電站的電能生產(chǎn)，增加運行成本，而且經(jīng)常性的檢修會使機組的性能下降。但檢修工作又是電站運行中必不可少的工作，在注意提高檢修質(zhì)量的同時，必須將主要精力集中在尋求減輕水輪機泥沙磨損和汽蝕破壞的有效措施上。經(jīng)過多年的探索和研究，目前已經(jīng)取得了一些成功的經(jīng)驗，有關(guān)抗磨抗蝕等方面的內(nèi)容有興趣的讀者可參考有關(guān)文獻和資料。為了防止機組發(fā)生過速事故，目前多數(shù)電站是設(shè)置過速限制器、事故電磁閥或事故油泵，并裝設(shè)水輪機主閥或快速閘門。這些裝置都通過機組事故保護回路自動控制。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量;因素;加工精度;誤差

在水輪機的生產(chǎn)裝配過程中，影響水輪機質(zhì)量的因素很多，比如在各部件的機械加工過程中某些因素的影響;在運輸過程中某些因素的影響;裝配過程中受環(huán)境因素及人員素質(zhì)等等因素的影響。水輪機中易受泥沙磨損的零部件主要有：水輪機轉(zhuǎn)輪;轉(zhuǎn)輪上下迷宮環(huán);頂蓋;導(dǎo)葉和導(dǎo)水機構(gòu)的底環(huán)等。轉(zhuǎn)輪中水流速度較高，因而轉(zhuǎn)輪葉片正反兩面均會遭到嚴重的磨損破壞，導(dǎo)葉上、下端面間隙和轉(zhuǎn)輪上、下迷宮環(huán)間隙中，水流速度也較大，因而在形成間隙的兩個結(jié)合面上均會遭受嚴重的磨損破壞。本文談水輪機各部件在機械加工過程中的因素。以備在今后機械加工過程中加以注意。

一、加工原理誤差

1.1采用近似的加工運動造成的誤差

在許多場合，為了得到要求的工件表面，必須在工件或刀具的運動之間建立一定的聯(lián)系。從理論上講，應(yīng)采用完全準確的運動聯(lián)系。但是采用理論上完全準確的加工原理有時使機床或夾具極為復(fù)雜，致使制造困難，反而難以達到較高的加工精度，有時甚至是不可能做到。如在車削或磨削模數(shù)螺紋時，由于其導(dǎo)程t=πm，式中有π這個無理因子，在用配換齒輪來得到導(dǎo)程數(shù)值時，就存在原理誤差。

1.2采用近似的刀具輪廓造成的誤差

用成形刀具加工復(fù)雜的曲面時，要使刀具刃口做得完全符合理論曲線的輪廓，有時非常困難，往往采用圓弧、直線等簡單近似的線型代替理論曲線。

二、機床幾何誤差及磨損其對加工精度的影響

2.1主軸回轉(zhuǎn)誤差

主軸的回轉(zhuǎn)誤差直接影響被加工工件的形狀和位置精度，可分解為徑向跳動、軸向跳動和角度擺動。由于存在誤差敏感方向，加工不同表面時，主軸的徑向跳動所引起的加工誤差也不同。車端面時，主軸的軸向跳動將造成工件端面的平面度誤差，以及端面相對于內(nèi)、外圓的垂直度誤差;車螺紋時，會造成螺距誤差。主軸的軸向跳動對加工外圓或內(nèi)孔的影響不大。主軸的角度擺動對加工誤差的影響與主軸徑向跳動對加工誤差的影響相似，主要區(qū)別在于主軸的角度擺動不僅影響工件加工表面的圓度誤差，而且影響工件加工表面的圓柱度誤差。

2.2導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌在機床中起導(dǎo)向和承載作用，它既是確定機床主要部件相對位置的基準，也是運動的基準。它的各項誤差直接對形狀精度產(chǎn)生影響。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向（誤差敏感方向）上，對加工精度的影響最大。導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對加工精度影響很小，一般可忽略不計。前后導(dǎo)軌的平行度誤差會使工作臺在運動過程中產(chǎn)生擺動，刀尖的運動軌跡為一條空間曲線，使工件產(chǎn)生形狀誤差。

2.3傳動鏈誤差

切削過程中，工件表面的成形運動，是通過一系列的傳動機構(gòu)來實現(xiàn)的。傳動機構(gòu)的傳動元件有齒輪、絲桿、螺母、蝸輪及蝸桿等。這些傳動元件由于其加工、裝配和使用過程中磨損而產(chǎn)生誤差，這些誤差就構(gòu)成了傳動鏈的傳動誤差。傳動機構(gòu)越多，傳動路線越長，則傳動誤差越大。機床傳動鏈誤差是影響表面加工精度的主要原因之一。

三、刀具、夾具的制造誤差及磨損

刀具誤差對加工精度的影響隨刀具的種類不同而不同。一般刀具（如車刀、鏜刀及銑刀等）的制造誤差，對加工精度沒有直接的影響;定尺寸刀具（如鉆頭、鉸刀、拉刀及槽銑刀等）的尺寸誤差，直接影響被加工零件的尺寸精度;成形刀具（成形刀、成形銑刀以及齒輪滾刀等）的誤差，主要影響被加工面的形狀精度。而刀具的磨損會直接影響刀具相對被加工表面的位置，造成被加工零件的尺寸誤差，夾具的作用是使工件相對于刀具和機床具有正確的位置，因此夾具的制造誤差對工件的加工精度有很大影響。夾具的制造誤差由定位誤差、夾緊誤差、夾具的安裝誤差、導(dǎo)引誤差、分度誤差以及夾具的磨損組成。夾具的磨損會引起工件的定位誤差。

四、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差

4.1切削過程中受力點位置變化引起的加工誤差

切削過程中，工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力著力點位置的變化而變化，引起系統(tǒng)變形的差異，使被加工表面產(chǎn)生形狀誤差。

4.2切削力大小變化引起的加工誤差——誤差復(fù)映

工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀，但它在尺寸、形狀以及表面層材料硬度上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時使切削深度不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力的變化，進而引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多。這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映規(guī)律”，所引起的加工誤差稱為“誤差復(fù)映”。除切削力外，傳動力、慣性重力、夾緊力等其它作用力也會使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化，從而引起加工誤差，影響加工精度。

五、工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

5.1機床熱變形對加工精度的影響

機床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化，由于熱源分布的不均勻和機床機構(gòu)的復(fù)雜性，機床的各部件發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機床各部件原有的相互位置關(guān)系，影響加工精度。不同類型的機床由于熱源不同，對加工精度影響也不同。

5.5.2刀具熱變形對加工精度的影響

盡管在切削加工中傳入刀具的熱量只有3%～5%，但由于刀具的尺寸和熱容量小，故仍有很高的溫升，從而引起刀具的熱伸長并造成加工誤差。粗加工時刀具的熱變形對加工精度的影響可忽略不計;對于加工要求較高的零件，刀具的熱變形對加工精度影響較大，使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。例如用高速鋼刀具車削時，刃部的溫度高達700℃～800℃，刀具熱伸長量可達0.03mm～0.05mm。

5.3工件熱變形對加工精度的影響

工件的熱變形主要是由切削熱引起的，熱變形情況與加工方法和是否均勻受熱有關(guān)。

5.3.1.1工件均勻受熱

對于一些簡單的均勻受熱工件，如車、磨軸類件的外圓，待加工后冷卻到室溫時其長度和直徑將有所收縮，由此而產(chǎn)生尺寸誤差;加工盤類零件或較短的軸套類零件，由于加工行程較短，可以近似認為沿工件軸向方向的溫升相等。對于較長工件（如長軸）的加工，開始走刀時，工件溫度較低，變形較小。隨著切削的進行，工件溫度逐漸升高，直徑逐漸增大，因此工件表面被切去的金屬層厚度越來越大，冷卻后不僅產(chǎn)生徑向尺寸誤差，而且還會產(chǎn)生圓柱度誤差;對于軸向精度要求較高的工件（如精密絲杠），其熱變形引起的軸向伸長將產(chǎn)生螺距誤差。

5.3.2.2工件不均勻受熱

當工件受熱不均時，如磨削零件單一表面，由于工件單面受熱而產(chǎn)生向上翹曲變形，加工冷卻后將形成中凹的形狀誤差，這種現(xiàn)象對于加工薄片類零件尤為突出。

結(jié)語：

綜上所述，在水輪機部件的加工過程中必須嚴格控制影響加工的各項因素，確保水輪機的整體裝配質(zhì)量。

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