水輪發(fā)電機鏡板加工工藝

■福建南電電機有限公司 （南平 353001） 應恒晶

水輪發(fā)電機鏡板加工工藝

■福建南電電機有限公司 （南平 353001） 應恒晶

摘要：分析了鏡板的作用和技術要求，制定出鏡板的機械加工工藝。在立車上通過精車→砂帶磨削→研磨、拋光的方法使加工鏡面的平面度、平行度以及表面粗糙度都得到可靠保證。

鏡板是水輪發(fā)電機組推力軸承的關鍵部件之一，它和推力軸承瓦構成摩擦副，當軸承運行時，它承受機組的全部軸向負荷。而油膜厚度只有0.03～0.07mm，因此對鏡板的材質、加工精度和表面粗糙度都有較高要求。如果鏡面有傷痕、硬點等缺陷，則可能破壞油膜，甚至造成燒瓦事故；如果鏡面的平面度和表面粗糙度達不到要求，則軸承的承載能力下降，摩擦損耗增加。鏡板上、下兩平面的平行度對安裝時機組擺度的調整和運行穩(wěn)定性有直接影響。因此，鏡板的加工是水輪發(fā)電機制造廠的一項核心技術。

1. 鏡板的技術要求

如圖1所示，鏡板的上平面是通過螺栓孔和銷孔與推力頭把合的結合面，下平面是鏡面（摩擦面），外側圓柱面上有一對裝吊柄用的螺孔。

鏡板多采用45號鍛鋼，對材

質的要求為：①機械性能和化學成分應符合GB/T 699-1999。②兩平面的硬度值應為180～229HBW，鏡面硬度差值不超過30HBW。

對鏡板的機械加工要求有：①鏡面平面度0.01mm（凹）；兩面平行度0.04mm。②鏡面表面粗糙度值Ra=0.2μm，與推力頭結合面表面粗糙度值Ra=0.4μm。

圖1　鏡板

2. 鏡板機械加工工藝分析

鏡板是由上、下兩平面，內、外圓柱面和內螺紋表面組成的結構形狀較簡單的盤類零件。但對其上、下兩平面的技術要求較高，特別是對鏡面的硬度差值、平面度和粗糙度要求更高。鏡板的上、下兩平面是主要表面，鏡面的機械加工是鏡板加工中的主要矛盾，在擬定鏡板機械加工工藝時，要緊緊抓住主要矛盾，綜合考慮以下幾方面內容。

（1）由于鏡板是大型零件（直徑在1 800mm以上）且對上、下兩平面的精度、表面粗糙度等要求都很高，一般的平面磨床無法加工這樣的大型零件。在選擇主要表面加工方法時，綜合分析同行業(yè)的加工經(jīng)驗，比較了各種超精加工方法所能達到的效果后，選擇將鏡板放在立式車床上加工。鏡面的加工方法為：粗車→半精車、精車→砂帶磨削→研磨、拋光；上平面的加工方法為：粗車→半精車、精車→砂帶磨削。

（2）鏡面的精加工放在最后進行，這樣既不會受到其他表面加工或應力分布的影響，又能使鏡面精加工后及時得到油封處理，防止鏡面銹蝕。

（3）鏡板毛坯鍛件加工余量大，切除大量金屬后會引起內應力重新分布而變形，在安排工序時，應將粗車、精車分開進行。

（4）技術要求鏡板兩平面的硬度為180～229HBW，鏡面硬度差不超過30HBW。在兩平面粗加工之后，用硬度計分別檢查兩平面硬度，選擇沒有缺陷、硬度差值較小的平面作為鏡面。

（5）上平面的內螺紋加工一般安排在鏡板上平面粗車后、精車前進行。但它的加工也不宜放在上平面精車之后進行，以免破壞上平面已有的加工精度。銷孔、裝吊柄用的螺孔可適當穿插加工。

鏡板的機械加工工藝流程為：粗車→超聲波探傷→檢查兩平面硬度，選鏡面→劃線→鉆攻上平面的螺孔→鉆攻裝吊柄用的螺孔→半精車、精車、砂帶磨削上平面→與推力頭把合→與推力同鉆鉸銷孔→與推力頭分離、去毛刺→半精車、精車、砂帶磨削、研磨、拋光鏡面→ 檢查→油封處理。

3. 鏡面的精車

為保證鏡面的加工精度，作為后續(xù)超精加工的基礎，精車后的鏡面平面度和兩平面平行度就應該達到技術要求，并要求精車表面粗糙度值達Ra=1.6μm。隨著我國刀具材料和刀具技術的發(fā)展以及國外先進刀具的引進，精車鏡面所需刀具的材料、結構參數(shù)和壽命已不成問題，但是，為達到精車鏡面的平面度和表面粗造度要求，對立式車床精度要求很高：工作臺端面跳動應≤0.02mm，橫梁水平度和直線度分別≤0.02mm/m。精車前必須檢查、調整立車的游隙，可通過試車來調整橫梁水平度；必須先轉動立車工作臺到軸瓦油膜穩(wěn)定后才能進行精車。

精車鏡面及后續(xù)加工都是以鏡板與推力頭的結合面為定位基準面。為減少安裝誤差，達到鏡板兩平面平行度要求，夾具安裝在立式車床上之后，其定位面要進行一次精車和砂帶磨削，其精度和表面粗糙度應不低于鏡板的定位基準面。然后鏡面朝上將鏡板裝入夾具，均勻擰緊螺栓，檢查定位面間應無間隙。

由于精車用的立式車床精度要求較高，不宜用作粗車。因此，粗車后鏡板兩平面各留2mm余量，在精車工序中，先半精車一刀，留0.3～0.5mm余量，選擇合適的刀具，一次走刀完成精車。采用硬質合金可轉位刀具精車鏡板兩平面，一般線速度選100 ～120m/min，進給量在0.2mm/r左右；也有采用8mm寬刃刀，吃刀量0.3mm，進給量2～3mm/r精

車鏡板兩平面。

4. 鏡面的砂帶磨削

砂帶磨削是應用粘滿尖銳磨粒的砂帶，進行多刀多刃切削加工的新型高效磨削工藝。由于砂帶磨削摩擦生熱少，磨粒散熱時間間隔長，可有效地減少工件變形、燒傷。且因砂帶磨削與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用。與車削配合，砂帶磨削加工精度一般可達到IT7～IT6，表面粗糙度值可達Ra=0.8μm。

砂帶磨削鏡板如圖2所示，利用自制砂帶磨頭，安裝在立式車床刀夾上，分精磨和終磨進行，砂帶磨料選用白剛玉（WA）。

圖2　砂帶磨削鏡面

精磨時，砂帶粒度P400，工件速度υw=20m/min，磨削深度ap=0.01～0.03mm，進給量fa=2.00 m m/s，磨削后表面粗糙度值Ra=0.8μm。

然后檢查鏡面的平面度，如果超差，再用砂帶磨頭按上述切削用量進行修正，直至符合設計圖樣要求為止。

終磨時，用精磨使用的砂帶，空刀來回走1～2次，fa=1.00mm/s，磨削后表面粗糙度值可達Ra=0.8μm。

5. 鏡面的研磨和拋光

鏡面分粗研磨—精研磨—拋光3個工步進行。粗研磨的目的是降低表面粗糙度值至Ra≤0.4μm，同時還可以減小平面度偏差；精研磨的目的是進一步降低鏡面表面粗糙度值至Ra≤0.2μm；拋光的目的是獲得光亮光滑鏡面。

如圖3所示，先用酒精將精車后的鏡面洗凈擦干，將研磨劑較均勻地涂在鏡面上。然后把直徑大于鏡板環(huán)寬度的研磨盤置于鏡面上，其工作面靠自重緊貼鏡面。再把與研磨盤用球面軸承聯(lián)接的軸固定在立車刀夾上不動。當立車帶動鏡板轉動時，由于鏡面內外圓線速度差使研磨盤繞自身軸線轉動，其工作面在鏡面上就形成研磨作用。研磨運動使鏡面各點均有相近的被切削條件，任一點的運動軌跡不出現(xiàn)周期性重復。

圖3　研磨鏡面

拋光鏡面與研磨鏡面類似，但拋光盤工作面里層包裹細呢子，外層包裹金絲絨布，浸透混合油（按煤油∶20#機油=1∶1混合過濾）后在其外層均勻噴上拋光劑。由金絲絨布附著拋光劑對鏡面進行拋光。

研磨盤的結構、材質和制造精度是保證鏡面精度的重要因素，它一方面把本身工作面的幾何形狀復映給鏡面，另一方面又是研磨劑的載體。粗研磨盤用灰鑄鐵制作，要求材料組織結構細致均勻，有較高的穩(wěn)定性和耐磨性、較好的嵌存磨料的性能，硬度稍軟于鏡面；精研磨盤主體用普通鋼板制作，工作面澆注25～30mm厚錫基軸承合金。要求軸承合金材料純凈度高，成分均勻、致密、無雜質。兩種研磨盤都要求工作面平面度≤0.005mm，表面粗糙度值Ra≤0.2μm。同時在工作面上開有60°V形螺旋溝槽，槽寬和槽深均約4mm，其螺旋方向應考慮研磨盤旋轉時，研磨劑能向內側循環(huán)移動，與離心力作用相抵消。拋光盤用普通鋼板制作，工作面不開有溝槽。磨料在研磨中起切削作用，研磨加工的效率、精度和表面粗糙度都與磨料有密切的關系。根據(jù)鏡板的材料、硬度選擇白剛玉（WA）研磨微粉作磨料。微粉粒度為粗研磨W28，精研磨W10。

研磨劑調配方法是將煤油、20#機油按1∶1的比例混合過濾后，再按1∶1的比例將混合油和研磨微粉合成稠狀，調勻。拋光劑選用7μm的金剛石噴霧研磨劑。正確選擇研磨壓力和速度可明顯提高研磨效果。粗研磨：壓力0.15～0.20MPa，鏡板線速度40m/min；精研磨：壓力0.10～0.16MPa，鏡板線速度20m/min；拋光：壓力0.04MPa，鏡板線速

度60m/min。研磨和拋光的壓力都來自研磨盤或拋光盤的自重。

研磨時，每隔10～15m i n在鏡面上加一次新的研磨劑，每研磨40～60min需停車檢查鏡面表面粗糙度值，粗研磨要求表面粗糙度值達Ra=0.4μm為止；精研磨要求表面粗糙度值Ra≤0.2μm。

拋光時，每隔5～10 min在鏡面上加一次新的混合油，然后在混合油上較均勻地噴一層金剛石噴霧研磨劑。一般拋光30～50min即可。

更換不同粒度的研磨劑前或研磨、拋光結束后，都要徹底洗凈、擦干鏡面和研磨盤，不得殘留研磨微粉及臟物等。

6. 鏡面平面度檢查

鏡面經(jīng)砂帶磨削后，可在立式車床上用WL11型數(shù)字水平儀（Ⅱ檔分辨率0.001mm/m）檢測平面度。測量時，把帶橋板的水平儀置于鏡面上，按照一定的布線逐漸測量。通過對一些有代表性截面直線度誤差的測量，根據(jù)這些截面的相互關系，按評定原則進行數(shù)據(jù)處理，求得鏡面的平面度誤差。

不具備測量儀器的廠家可用檢定合格的0級平尺借助塞尺的方法進行檢查、判定。由于精車后鏡面的平面度與車床工作臺跳動和橫梁的直線度有關系，因此，用平尺檢查時必須兼顧圓周方向和直徑方向。

鏡面進入拋光階段就不能再用接觸檢測手段進行平面度、表面粗糙度等的檢測，以免損壞鏡面并引起銹蝕。

7. 結語

（1）鏡板的兩平面是主要表面，鏡面的機械加工是鏡板加工中的主要矛盾。在擬定機械加工工藝時，要緊緊抓住這一點，其他問題就迎刃而解了。

（2）精車是鏡面后續(xù)超精加工的基礎，要求精車后的鏡面的平面度0.01mm(凹)，兩平面平行度0.04mm，表面粗糙度值達Ra=1.6μm；砂帶磨削的目的在于降低鏡面表面粗糙度值達Ra≤0.8μm，也可用于修正平面度偏差。最后，通過對鏡面進行粗研磨—精研磨—拋光，可以穩(wěn)定、可靠地獲得符合技術要求、合格的鏡面。

（3）國內同行業(yè)廠家在鏡面精車后多用自制砂輪磨頭磨削。如果磨頭制造精度不高，砂輪不平衡等都會復映在鏡面上，出現(xiàn)鏡面平面度誤差擴大，表面粗糙度達不到磨削效果等缺陷。筆者主張用自制砂帶機磨削。砂帶機結構簡單，制造精度要求不高，且砂帶與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用。用砂帶磨削不僅能很快達到表面粗糙度值要求，而且修正一定偏差范圍內的鏡面平面度比用砂輪磨頭磨削容易得多。另外，選用金剛石噴霧研磨劑作為拋光劑，不需配制，比使用氧化鉻拋光膏更方便、高效。

參考文獻：

[1] 趙志修. 機械制造工藝學[M[. 北京：機械工業(yè)出版社，1984.

[2] 孟少農. 機械加工工藝手冊[M[.北京：機械工業(yè)出版社，1991.

專家點評

大型零件的鏡面一直是機械加工的難點，文章詳細闡述了在立車上通過精車→砂帶磨削→研磨、拋光，最終獲得鏡面的步驟和方法，作者的創(chuàng)新之處在于改進了傳統(tǒng)的平面磨削工藝，主張用自制的砂帶機磨削平面，并給出了具體的磨削參數(shù)，砂帶與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用。不僅能很快達到表面粗糙度要求，而且修正一定范圍內的平面度誤差，比砂輪磨削容易得多。正如作者所說，在擬定機械加工工藝時，要緊緊抓住主要矛盾，動腦筋，想辦法，主要矛盾解決了，其他問題就會迎刃而解。

收稿日期：（20150417）