水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體活塞孔誤差分析及解決辦法

王帥

（遼寧福鞍機(jī)械制造有限公司，遼寧 鞍山 114000）

水輪機(jī)是將水流的能量轉(zhuǎn)換成軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的機(jī)器，能量的轉(zhuǎn)換是借助轉(zhuǎn)輪葉片與水流相互作用來實現(xiàn)的。在水輪發(fā)電機(jī)組中，水輪機(jī)是原動機(jī)，發(fā)電機(jī)為工作機(jī)。現(xiàn)代水輪機(jī)可分為反擊式、沖擊式和可逆式三大類。反擊式水輪機(jī)利用了水流的動能與勢能，水流充滿整個水輪機(jī)流道，水流延轉(zhuǎn)輪外圓周進(jìn)水，從轉(zhuǎn)輪進(jìn)口到出口壓力逐漸減小，根據(jù)轉(zhuǎn)輪內(nèi)水流動的方向和特征及轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)，反擊式水輪機(jī)可分為混流式、軸流式、斜流式、貫流式。軸流式、斜流式和貫流式根據(jù)葉片是否可轉(zhuǎn)動又分為定漿式和轉(zhuǎn)漿式。本文分析的轉(zhuǎn)輪體為軸流轉(zhuǎn)漿式結(jié)構(gòu)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)件，水輪機(jī)的軸流葉片、連接體、泄水錐、活塞桿、接力器缸、連桿、接力器缸蓋等其他零件都裝配在轉(zhuǎn)輪體上。軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)的發(fā)電是通過軸流葉片安裝在轉(zhuǎn)輪體的側(cè)孔中，與轉(zhuǎn)臂裝配，通過活塞桿帶動改變?nèi)~片角度，靈活調(diào)整水輪機(jī)出力大小。為保證水輪機(jī)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性，一般要求轉(zhuǎn)輪體活塞孔、活塞及活塞桿各部有一定的同軸度，轉(zhuǎn)輪體側(cè)孔與葉片軸頭部分有一定的同軸度，轉(zhuǎn)輪體側(cè)孔與轉(zhuǎn)輪體活塞孔各部有一定的垂直度。轉(zhuǎn)輪體活塞孔的行位精度和表面粗糙度的提升能有效提高水輪機(jī)的運(yùn)行精度，提高機(jī)械加工工藝質(zhì)量[1]。

1 工件簡介

本文分析的轉(zhuǎn)輪體基本參數(shù)如下：轉(zhuǎn)輪體高度為2800mm，外型最大輪廓SΦ4000mm，凈重84t。活塞孔最大直徑Φ2800mm，最小直徑Φ800mm，孔的跨距2400mm。轉(zhuǎn)輪體A 基準(zhǔn)活塞孔的直徑：Φ2800H8mm，表面粗糙度為Ra1.6μm，圓柱度0.04mm，相對于A/B基準(zhǔn)孔的同軸度0.05mm，活塞孔的長度為800mm（如下圖1 所示）。

圖1

2 技術(shù)重、難點分析

轉(zhuǎn)輪體1900±0.2 端面的平面度為0.04mm，與活塞腔軸心線A—B 基準(zhǔn)的垂直度為0.05mm，表面粗糙度為Ra3.2μm。活塞孔Φ2800H8 的圓柱度為0.04mm，并要求與活塞腔軸心線A—B基準(zhǔn)的同軸度為0.05mm，表面粗糙度為Ra1.6μm。上述大直徑、長跨距、行位精度要求高的孔系一般選用數(shù)控立車加工，但大部分?jǐn)?shù)控立車在使用一段時間后，機(jī)床幾何精度會下降，主要是車床橫梁磨損導(dǎo)致刀架X軸與水平面產(chǎn)生夾角、卡盤回轉(zhuǎn)平面、刀架在X/Z 平面的傾斜致使不能滿足孔系的圓柱度要求。活塞孔Φ2800H8 的表面粗糙度需要考慮刀架剛性、振動、機(jī)床線速度、卡盤回轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及刀具等問題[2]。

3 工藝方案制定

制定活塞孔加工工藝方案重點考慮四個方面：

1.加工方法和手段。

2.機(jī)床幾何精度檢測。

3.工裝和刀具。

4.工件行位精度檢測。

3.1 加工方法和手段

選擇雙柱8 米數(shù)控立式重型車床一次裝夾加工活塞孔，首先，對轉(zhuǎn)輪體活塞孔進(jìn)行粗加工工序，單邊保留2mm 精加工余量。此次粗加工工序的主要任務(wù)為去除加工零件表面余量，確定加工基準(zhǔn)[3]。其次，對轉(zhuǎn)輪體活塞孔進(jìn)行半精加工工序并進(jìn)行模擬試驗精加工做好加工技術(shù)參數(shù)的記錄工作，確認(rèn)是否能滿足圖紙技術(shù)要求，如不能滿足要求則通過工藝技術(shù)手段進(jìn)行補(bǔ)償至圖紙要求。此次半精加工工序單邊保留0.5mm余量并進(jìn)行探傷缺陷處理工作，此半精加工工序的主要任務(wù)為進(jìn)一步降低加工階段存在的誤差，為下一步精加工做好準(zhǔn)備。最后進(jìn)行精加工工序，根據(jù)半精加工時的模擬試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行最終狀態(tài)的精加工，以便確保所加工零件能夠達(dá)到圖紙設(shè)計中所規(guī)定的表面粗糙度及精度要求。加工完成后采用三維在線檢測手段，檢測并保證孔系的行為誤差，采用表面粗糙度檢測儀對加工表面進(jìn)行表面粗糙度的確認(rèn)[4]。

3.2 機(jī)床幾何精度檢測

刀架加工所需的實際伸出長度在XZ 平面內(nèi)的幾何誤差直接影響活塞孔的圓柱度、垂直度公差。刀架在X 軸橫梁上的移動誤差會直接影響孔系端面的平面度公差，需要對其進(jìn)行檢測調(diào)整，裝夾工件前采用大理石檢測機(jī)床的精度，要求X/Z 垂直1 米長偏差小于等于0.03mm。橫梁與卡盤平行度1 米長偏差小于等于0.03mm，X/Z 軸反向間隙小于等于0.01mm。裝夾工件后根據(jù)活塞孔的實際加工長度確認(rèn)X/Z 的幾何誤差，并評估其能否直接滿足圖紙形位誤差，若不能保證，通過調(diào)整機(jī)床刀架角度或采用技術(shù)手段進(jìn)行補(bǔ)償至圖紙技術(shù)要求[5]。

3.3 工裝和刀具

數(shù)控車床車削平面及里孔時在選擇工裝和刀具應(yīng)考慮四個主要問題：

1.工藝系統(tǒng)剛性和振動的問題。

2.機(jī)床線速度對工件表面粗糙度的影響。

3.選用刀具盡可能的保證尺寸公差及表面粗糙度要求。

4.刀具熱變形對工件表面質(zhì)量的影響。

3.4 孔系行位精度檢測

因機(jī)床本身存在定位和幾何精度誤差，檢測所加工位置的公差要求高的孔系已不合適，因而考慮采用激光跟蹤儀與Polyworks 軟件結(jié)合，對轉(zhuǎn)輪體里孔部位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及三維建模檢測，此檢測方法所得數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)加工中修正誤差。

4 工藝方案實施和效果評價

4.1 機(jī)床幾何精度檢測與評價

1.在機(jī)床XZ 平面，Z 軸相對于X 軸的垂直度直接影響活塞孔的圓柱度和垂直度。

2.采用1 米方形大理檢測尺檢測機(jī)床垂直精度，X/Z 垂直1 米長偏差小于等于0.03mm。

3.采用5 米長方形大理石檢測尺檢測橫梁與卡盤平行度，1 米長偏差小于等于0.03mm；X/Z 軸反向間隙小于等于0.01mm。

裝夾工件后，對活塞孔Φ2800H8 進(jìn)行試切加工，加工后采用內(nèi)徑千分尺及機(jī)床自帶百分表對活塞孔的精度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)活塞孔Φ2800H8 由上至下呈遞增趨勢。針對人、機(jī)、料、法、環(huán)等因素進(jìn)行分析，產(chǎn)生原因為刀片的熱變形所致，刀片在切削中升溫較快，最終引起熱伸長的現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)加工誤差。可采用油霧潤滑機(jī)構(gòu)，在切削過程中，噴油嘴作用在車削車刀上用以減少產(chǎn)生切削熱與刀面上積削瘤的產(chǎn)生幾率，以提高加工表面質(zhì)量并結(jié)合工藝補(bǔ)償手段保證加工質(zhì)量[6]。

4.2 工裝和刀具的選用

1.采用機(jī)夾刀具裝夾修光刃車削刀片，其獨特的刀尖設(shè)計，刃口鋒利、切削阻力小，有效減少刀具的振動。

2.刀片表面經(jīng)特殊處理，減小切削在前刀面上粘結(jié)的可能性，斷屑性能優(yōu)良。

3.刀片重復(fù)定位精度高，機(jī)夾刀具刀片與硬質(zhì)合金刀桿相配套，提高刀具的抗震性，進(jìn)一步保證加工質(zhì)量。

經(jīng)試驗效果看，轉(zhuǎn)輪體1900±0.2 端面的平面度檢測結(jié)果為0.02mm，與活塞腔軸心線A—B 基準(zhǔn)的垂直度為0.03mm，表面粗糙度為Ra2.8μm，滿足技術(shù)要求。活塞孔Φ2800H8 的圓柱度為0.03mm，與活塞腔軸心線A—B 基準(zhǔn)的同軸度為0.03mm，表面粗糙度為Ra3.2μm，行位精度滿足技術(shù)要求，表面粗糙度無法滿足技術(shù)要求。經(jīng)分析，機(jī)床轉(zhuǎn)速無法滿足技術(shù)所需表面粗糙度的線速度[7]。

5 表面粗糙度的解決辦法和效果評價

1.活塞孔Φ2800H8 里孔的加工由于機(jī)床本身轉(zhuǎn)速20 轉(zhuǎn)/分鐘的局限性，車削時的加工線速度無法滿足表面粗糙度的圖紙技術(shù)要求。刀具切削刃的磨損會引發(fā)加工工件的尺寸誤差，降低加工工件的精度，當(dāng)?shù)毒吣p量達(dá)到允許的磨損量時，應(yīng)當(dāng)及時調(diào)整刀具，車削完成后，為提高加工表面的粗糙度，可以采用以下兩種加工方法。

第一種，采用高效經(jīng)濟(jì)的砂帶磨削技術(shù)進(jìn)行精細(xì)磨削。砂帶磨削和拋光工件時，通常只要選擇較低的工件線速度，較小的縱向進(jìn)給量，較高的砂帶線速度即可獲得很小的表面粗糙度值[8]。在采用砂帶磨削加工時，需注意磨削參數(shù)及磨削熱力對加工表面及尺寸的影響。

第二種，采用立車專用滾壓刀加工方式滾壓加工。通過滾壓刀與工件表面進(jìn)行擠壓，利用金屬的塑性變形，使工件表面微小的波峰被壓平，保證工件表面粗糙度。經(jīng)試驗效果良好，可以滿足圖紙技術(shù)要求。

2.刀具熱變形對工件表面質(zhì)量的影響。考慮到刀片的熱容量，刀片在切削中升溫較快，最終引起熱伸長的現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)加工誤差。

此問題的解決方案可采用油霧潤滑機(jī)構(gòu)，在切削過程中，噴油嘴作用在車削車刀上用以減少產(chǎn)生切削熱與刀面上積削瘤的產(chǎn)生幾率，以提高加工表面質(zhì)量。

對以上解決辦法進(jìn)行試驗加工，經(jīng)粗糙度檢測儀進(jìn)行檢測后表面粗糙度為Ra1.4μm，滿足圖紙中技術(shù)要求。

6 結(jié)論

本文通過工藝、專用工裝、刀具、激光跟蹤儀等在線檢測手段，對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體活塞孔的加工進(jìn)行了細(xì)致的分析，針對機(jī)床轉(zhuǎn)速無法滿足車削表面粗糙度所需的線速度情況下提出了解決辦法。通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體活塞孔表面粗糙度解決辦法的實際運(yùn)用操作，實際效果達(dá)到滿足圖紙技術(shù)要求，認(rèn)證了該辦法的可行性，解決了活塞孔表面粗糙度無法滿足技術(shù)要求的難題，對促進(jìn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體整體加工質(zhì)量的提升具體重要意義。