水輪機轉輪體活塞孔誤差分析及解決辦法

王帥

（遼寧福鞍機械制造有限公司，遼寧 鞍山 114000）

水輪機是將水流的能量轉換成軸旋轉機械能的機器，能量的轉換是借助轉輪葉片與水流相互作用來實現的。在水輪發電機組中，水輪機是原動機，發電機為工作機。現代水輪機可分為反擊式、沖擊式和可逆式三大類。反擊式水輪機利用了水流的動能與勢能，水流充滿整個水輪機流道，水流延轉輪外圓周進水，從轉輪進口到出口壓力逐漸減小，根據轉輪內水流動的方向和特征及轉輪的結構，反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式、貫流式。軸流式、斜流式和貫流式根據葉片是否可轉動又分為定漿式和轉漿式。本文分析的轉輪體為軸流轉漿式結構的水輪機轉輪的基礎件，水輪機的軸流葉片、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輪體上。軸流轉漿式水輪機的發電是通過軸流葉片安裝在轉輪體的側孔中，與轉臂裝配，通過活塞桿帶動改變葉片角度，靈活調整水輪機出力大小。為保證水輪機運行的可靠性及穩定性，一般要求轉輪體活塞孔、活塞及活塞桿各部有一定的同軸度，轉輪體側孔與葉片軸頭部分有一定的同軸度，轉輪體側孔與轉輪體活塞孔各部有一定的垂直度。轉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的運行精度，提高機械加工工藝質量[1]。

1 工件簡介

本文分析的轉輪體基本參數如下：轉輪體高度為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。轉輪體A 基準活塞孔的直徑：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 技術重、難點分析

轉輪體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控立車加工，但大部分數控立車在使用一段時間后，機床幾何精度會下降，主要是車床橫梁磨損導致刀架X軸與水平面產生夾角、卡盤回轉平面、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、機床線速度、卡盤回轉穩定性及刀具等問題[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 米數控立式重型車床一次裝夾加工活塞孔，首先，對轉輪體活塞孔進行粗加工工序，單邊保留2mm 精加工余量。此次粗加工工序的主要任務為去除加工零件表面余量，確定加工基準[3]。其次，對轉輪體活塞孔進行半精加工工序并進行模擬試驗精加工做好加工技術參數的記錄工作，確認是否能滿足圖紙技術要求，如不能滿足要求則通過工藝技術手段進行補償至圖紙要求。此次半精加工工序單邊保留0.5mm余量并進行探傷缺陷處理工作，此半精加工工序的主要任務為進一步降低加工階段存在的誤差，為下一步精加工做好準備。最后進行精加工工序，根據半精加工時的模擬試驗數據進行最終狀態的精加工，以便確保所加工零件能夠達到圖紙設計中所規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行表面粗糙度的確認[4]。

3.2 機床幾何精度檢測

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，需要對其進行檢測調整，裝夾工件前采用大理石檢測機床的精度，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。裝夾工件后根據活塞孔的實際加工長度確認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，通過調整機床刀架角度或采用技術手段進行補償至圖紙技術要求[5]。

3.3 工裝和刀具

數控車床車削平面及里孔時在選擇工裝和刀具應考慮四個主要問題：

1.工藝系統剛性和振動的問題。

2.機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量的影響。

3.4 孔系行位精度檢測

因機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 軟件結合，對轉輪體里孔部位進行數據采集及三維建模檢測，此檢測方法所得數據可以指導加工中修正誤差。

4 工藝方案實施和效果評價

4.1 機床幾何精度檢測與評價

1.在機床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 進行試切加工，加工后采用內徑千分尺及機床自帶百分表對活塞孔的精度進行檢測，發現活塞孔Φ2800H8 由上至下呈遞增趨勢。針對人、機、料、法、環等因素進行分析，產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象，導致出現加工誤差。可采用油霧潤滑機構，在切削過程中，噴油嘴作用在車削車刀上用以減少產生切削熱與刀面上積削瘤的產生幾率，以提高加工表面質量并結合工藝補償手段保證加工質量[6]。

4.2 工裝和刀具的選用

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

2.刀片表面經特殊處理，減小切削在前刀面上粘結的可能性，斷屑性能優良。

3.刀片重復定位精度高，機夾刀具刀片與硬質合金刀桿相配套，提高刀具的抗震性，進一步保證加工質量。

經試驗效果看，轉輪體1900±0.2 端面的平面度檢測結果為0.02mm，與活塞腔軸心線A—B 基準的垂直度為0.03mm，表面粗糙度為Ra2.8μm，滿足技術要求。活塞孔Φ2800H8 的圓柱度為0.03mm，與活塞腔軸心線A—B 基準的同軸度為0.03mm，表面粗糙度為Ra3.2μm，行位精度滿足技術要求，表面粗糙度無法滿足技術要求。經分析，機床轉速無法滿足技術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 里孔的加工由于機床本身轉速20 轉/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要求。刀具切削刃的磨損會引發加工工件的尺寸誤差，降低加工工件的精度，當刀具磨損量達到允許的磨損量時，應當及時調整刀具，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，采用高效經濟的砂帶磨削技術進行精細磨削。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。經試驗效果良好，可以滿足圖紙技術要求。

2.刀具熱變形對工件表面質量的影響。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象，導致出現加工誤差。

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

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

6 結論

本文通過工藝、專用工裝、刀具、激光跟蹤儀等在線檢測手段，對水輪機轉輪體活塞孔的加工進行了細致的分析，針對機床轉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。通過水輪機轉輪體活塞孔表面粗糙度解決辦法的實際運用操作，實際效果達到滿足圖紙技術要求，認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要求的難題，對促進水輪機轉輪體整體加工質量的提升具體重要意義。