三峽下機架擋油管的加工難點及工藝改進(jìn)

尚培軒

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

1 引 言

近幾年來，隨著我國裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，在機械行業(yè)中有越來越多的產(chǎn)品朝著大型化方向發(fā)展。以我單位哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司為例，從2000 年開始生產(chǎn)具有歷史意義的三峽水利水電工程的70 萬kW 水輪發(fā)電機組以來，陸續(xù)設(shè)計制造了77 萬kW 機組、80 萬kW機組，目前正在研發(fā)100 萬kW 機組，這些機組部件的尺寸、重量，都較之于以前的產(chǎn)品有很大的增加。隨著產(chǎn)品的大型化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，也給產(chǎn)品的制造帶來了一些難題。在三峽產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，在水輪發(fā)電機的大型工件-下機架的加工過程中我們遇到了難題。

2 情況概述

下機架是水輪發(fā)電機組的主要承重部件，由中心體和12 個輻射支臂組焊而成。其中，下機架中心體單件總高4950mm，最大直徑φ7630mm，重241.8t，是焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)半開放腔體，內(nèi)部安裝液壓推力軸承，兼具油箱功能，其具體結(jié)構(gòu)如圖1（半剖）所示。內(nèi)腔的薄壁圓筒為擋油管，它是在工件的其他面加工完成后焊到中心體上再對其進(jìn)行加工的。擋油管的材料為Q235，內(nèi)、外圓需要加工，加工后筒身絕大多數(shù)區(qū)域的壁厚僅為30mm。擋油管內(nèi)徑為φ3350mm，加工長度為1333mm，粗糙度要求達(dá)到Ra3.2，跳動要求達(dá)到0.3mm 以內(nèi)。基于這些結(jié)構(gòu)特點和制造要求，下機架擋油管部分的加工成為了三峽下機架加工中的最難點。

在三峽下機架首臺產(chǎn)品加工時，采用刀尖圓弧R2.4 的硬質(zhì)合金機夾刀片對擋油管進(jìn)行加工，但加工效果很不理想。加工時工件轉(zhuǎn)速不能高，否則工件就發(fā)生振動，產(chǎn)生“蹦刀”的現(xiàn)象。而降下轉(zhuǎn)速，卻有“積屑瘤”產(chǎn)生，造成擋油管表面粗糙度非常差，遠(yuǎn)達(dá)不到圖紙要求。擋油管的加工出現(xiàn)了兩難的局面，在這種情況下不得已將刀具材料改為高速鋼，采用小吃刀量，降低工件轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工。加工時轉(zhuǎn)速不能高，轉(zhuǎn)速高一點，刀刃就會在高切削熱下快速磨損。實際加工時轉(zhuǎn)速僅能達(dá)到1r/min，即使采用進(jìn)口的超硬高速鋼刀具，刀的磨損仍很嚴(yán)重，在整個行程范圍要接3～4 次刀。在這樣的加工狀態(tài)下，雖然勉強將擋油管加工完成，但是操作難度非常大。高速鋼刀具開切削刃時的角度差一點點，都可能使刀具在工作中瞬間“燒刀”，并破壞加工表面。另外，用高速鋼刀具加工轉(zhuǎn)速不能快，吃刀量不能大，這種狀態(tài)下致使擋油管在實際加工中的生產(chǎn)效率極低。

圖1 三峽下機架

3 工藝難點

三峽下機架擋油管部分的加工，有著鮮明的特點。從工件的整體上看，由于擋油管屬于大噸位工件下機架中心體的一部分，因此其加工噸位重。而從工件加工的具體結(jié)構(gòu)上看，其主要特點是徑小、筒高、壁薄加工剛性差。

首先，擋油管的母體-下機架中心體屬于大噸位工件，240 多t 的大型工件在旋轉(zhuǎn)過程中，要求旋轉(zhuǎn)工作臺的靜壓推力軸承油膜必須要有足夠的厚度。油膜高，噸位重，使得工件在旋轉(zhuǎn)車削時易于產(chǎn)生搖晃不穩(wěn)定。

其次，擋油管筒身高、壁厚薄的特點決定了車削時工件的徑向剛度不足。擋油管本身徑向剛度不足，刀具的刀尖圓弧切削接觸工件時，加工時的軸向切削力，尤其是該力在徑向上的分量造成工件有較大的彈性變形。

在粗車環(huán)節(jié)，雖然工件有輕微晃動、彈性變形，但粗車時的吃刀深度大，刀具切削刃能“含在”工件母材中，刀具相對于工件母材能夠相對穩(wěn)定地走刀。但是在精車環(huán)節(jié)，在小吃刀量的情況下，情況卻完全不同。工件在切削力的作用下在徑向產(chǎn)生了彈性變形，造成刀具在走刀時的不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生了“壓不住刀”的現(xiàn)象。這種工件彈性變形和走刀時“壓不住刀”的不穩(wěn)定狀態(tài)，直接造成了工件在加工中產(chǎn)生了不同頻率的振動。振動因子互相影響，振動頻率進(jìn)一步發(fā)展，振動幅度進(jìn)一步擴大。當(dāng)振動頻率發(fā)展達(dá)到系統(tǒng)的固有頻率時就有共振產(chǎn)生，此時的工件振動擺幅最大。工件在這種系統(tǒng)振動狀態(tài)下的加工，切削不穩(wěn)定就會產(chǎn)生“蹦刀”的現(xiàn)象。“蹦刀”的直接后果是：工件已加工表面出現(xiàn)沿圓周分布的蹦刀紋，工件已加工表面粗糙度嚴(yán)重不好。長時間的振動狀態(tài)加工就會使切削刃破壞，從而產(chǎn)生了“打刀”現(xiàn)象。產(chǎn)生“打刀”后，不但工件表面質(zhì)量遭到破壞，嚴(yán)重時還可能危害進(jìn)刀傳動系統(tǒng)，損害機床。由于中心體噸位重、重心高，加工時轉(zhuǎn)速不能太快，這種狀況下設(shè)備許用最大轉(zhuǎn)速為6r/min。而擋油管直徑又較小，因此在加工三峽下機架擋油管部分時，切削線速度就快不了。

切削線速度的計算公式為：v=πdn（v 為切削線速度、d 為切削直徑、n 為轉(zhuǎn)速）。擋油管加工直徑為d=3350mm，在各轉(zhuǎn)速下，計算得出的車削的線速度為：

1r/min 車削v=3.14×3.35×1=10.5m/min

2r/min 車削v=3.14×3.35×1=21m/min

3r/min 車削v=3.14×3.35×1=42m/min

4r/min 車削v=3.14×3.35×1=84m/min

5r/min 車削v=3.14×3.35×1=168m/min

6r/min 車削v=3.14×3.35×1=336m/min

我們知道，塑性材料的加工切削速度在5～120m/min時，工件加工表面極易形成積屑瘤。從以上的計算結(jié)果可以看出擋油管在1～4r/min 車削的范圍內(nèi)加工時也正是容易形成積屑瘤的線速度范圍。因此，產(chǎn)生了“積屑瘤”是擋油管在中低轉(zhuǎn)速狀態(tài)加工時，加工表面質(zhì)量不好的主要原因。

而提高工件轉(zhuǎn)速，在相對高一點的轉(zhuǎn)速加工時，如上述分析的那樣，由彈性變形引起的振動隨著工件轉(zhuǎn)速的提高而逐步發(fā)展，加工時產(chǎn)生了“蹦刀”的現(xiàn)象。因此，產(chǎn)生了“蹦刀紋”是擋油管在相對高轉(zhuǎn)速下狀態(tài)下加工時，加工面表面質(zhì)量不好的主要原因。

4 改進(jìn)措施

針對三峽下機架擋油管加工表面質(zhì)量不好的主要原因，為了改善工件的加工質(zhì)量、提高工件的加工效率。我們在加工工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，主要措施有：

（1）充分利用擋油管在三峽下機架中的具體結(jié)構(gòu)，設(shè)計了8 件簡易支撐工具，該工具在擋油管加工的具體應(yīng)用如圖2 所示。工具中的調(diào)整螺栓是用來調(diào)節(jié)支撐距離和頂緊工件的，預(yù)緊螺母用來防止螺栓松動。螺栓旋出頂緊擋油管時的力度，既要保證有足夠的支撐力，又要保證擋油管不能有過大的變形。為控制擋油管變形，頂緊螺栓時，要用百分表監(jiān)視擋油管的變形情況，防止工件加工后的回復(fù)變形。

（2）將原來的75°刀體改成90°刀體，將刀尖圓弧由R2.4 變?yōu)镽1.2，有效減小了切削力的徑向分量，從而減小了切削時的振動。根據(jù)經(jīng)驗，采用了山特維克公司的CNMG190612-MM 型號的硬質(zhì)合金刀片。雖然該刀片主要用于不銹鋼的精加工，而擋油管的材質(zhì)是低碳鋼，但其加工范圍長，要求刀具有更好的耐磨性，因此，用該型刀片可充分利用其抗磨損特性，使工件得到更加有效的加工。

（3）提高工件轉(zhuǎn)速，避開產(chǎn)生積屑瘤的線速度范圍。實際加工時，將工件轉(zhuǎn)速控制在5r/min，加工后效果理想。

（4）將吃刀深度由0.3mm 增加到了0.6mm，防止了工件彈性變形及振動產(chǎn)生“壓不住刀”的現(xiàn)象。

圖2 應(yīng)用支撐

5 改進(jìn)效果

后續(xù)機組經(jīng)過以上的工藝改進(jìn)，三峽下機架擋油管的加工取得了良好的加工效果。不但工件的表面質(zhì)量和幾何精度達(dá)到了圖紙要求，而且大大提高了生產(chǎn)效率，擋油管的精加工周期由以前的72h 減少為10h。

6 結(jié) 語

三峽下機架在制造過程中，針對擋油管這種薄壁長筒結(jié)構(gòu)在加工中有彈性變形、易于“蹦刀”的情況，做了工藝改進(jìn)，并且取得了良好的效果。希望這些改進(jìn)經(jīng)驗?zāi)軐ν杏兴梃b和啟發(fā)。