超精度加工在汽輪發(fā)電機(jī)制造中的應(yīng)用

王子維

摘 要：通過介紹現(xiàn)階段汽輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)及工藝方法的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)精加工及超精加工在未來生產(chǎn)中對(duì)于制造業(yè)在同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重要性，通過對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具磨具選擇及非標(biāo)設(shè)備的制造等方面給予解決方法，分析常規(guī)產(chǎn)品在生產(chǎn)中出現(xiàn)的加工精度所引發(fā)的問題，通過介紹超精加工的基礎(chǔ)理論，最終應(yīng)用其溶入到工藝方法中加以解決。對(duì)超精加工在現(xiàn)在以及未來生產(chǎn)活動(dòng)中如何合理的運(yùn)用做了簡(jiǎn)單的概括。

關(guān)鍵詞：超精密加工；汽輪發(fā)電機(jī)；制造；應(yīng)用

我國(guó)的制造業(yè)已進(jìn)入了高速發(fā)展階段，在汽輪發(fā)電機(jī)制造領(lǐng)域，隨著業(yè)主對(duì)產(chǎn)品的要求不斷提高，國(guó)外制造業(yè)巨頭的爭(zhēng)相涌入，使用精加工及超精加工從而大幅度地提高我國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)各項(xiàng)使用性能顯得尤為重要。在此期間，先進(jìn)的設(shè)備，人才的培養(yǎng)是不可或缺的，但我們也要掌握正確的工藝方法，使之靈活運(yùn)用于日常的生產(chǎn)活動(dòng)中。

從宏觀上來看，汽輪發(fā)電機(jī)的工藝特點(diǎn)如下：

（1）汽輪發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)模式是單件的、小批量的。即便是在一些大型的發(fā)電機(jī)生產(chǎn)基地受設(shè)備及場(chǎng)地所限也很難做到兩臺(tái)或者兩臺(tái)以上的同型號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)同時(shí)投產(chǎn)。

（2）大型零部件的生產(chǎn)通常是單件的，但定子繞組是批量生產(chǎn)的，多種型號(hào)的繞組生產(chǎn)過程可以連續(xù)不斷的。此外，定子鐵心扇形沖片、轉(zhuǎn)子槽楔和風(fēng)扇葉片等的生產(chǎn)批量也是較大的。

（3）汽輪發(fā)電機(jī)的試生產(chǎn)環(huán)節(jié)在實(shí)際制造過程中是沒有的。首先新機(jī)型是直接發(fā)往電站進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行的；其設(shè)計(jì)與工藝文件的整合是在發(fā)電機(jī)生產(chǎn)一線的車間中完成的。樣機(jī)必須在試驗(yàn)臺(tái)經(jīng)過仔細(xì)試驗(yàn)，這是因?yàn)樵谙乱慌_(tái)電機(jī)投產(chǎn)之前還不可能得到樣機(jī)運(yùn)行的結(jié)果。

（4）零部件制造的工藝過程是根據(jù)工序集中的原則安排的，這完全符合重型電機(jī)制造的特點(diǎn)。大而復(fù)雜的零件放置、找正和固定的輔助工時(shí)占發(fā)電機(jī)制造總工時(shí)的大部分。零部件制造所用的設(shè)備，除大型通用機(jī)床和可移動(dòng)的機(jī)床外，還需要較大的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。某些零件（如定子鐵心壓指）以盡可能多的數(shù)量同時(shí)在機(jī)床的工作臺(tái)上進(jìn)行加工，使其尺寸達(dá)到完全互換。許多部件（如軸瓦、軸承座、等）的工藝特點(diǎn)是以組裝的形式進(jìn)行最后機(jī)械加工的。

結(jié)合以上汽輪發(fā)電機(jī)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的特點(diǎn)，可見其產(chǎn)品對(duì)于在機(jī)加中精度要求的一次通過率較高，它不會(huì)給我們二次加工的機(jī)會(huì)，故加工精度成為良品、精品的重要標(biāo)志性參數(shù)之一，精加工及超精加工在未來的生產(chǎn)中有著不可替代的作用。

以汽輪發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子軸加工為例，轉(zhuǎn)軸的材質(zhì)是由造價(jià)較高的合金鋼經(jīng)過熱處理工藝鍛制而成的，其在加工中切削量非常大，轉(zhuǎn)軸本體中的所有的下線槽都必須在大型的轉(zhuǎn)子銑上完成加工工序，由于這些工序可直接影響轉(zhuǎn)子的品質(zhì)，對(duì)后續(xù)的轉(zhuǎn)子下線及動(dòng)平衡試驗(yàn)起著決定性因素，所以這對(duì)于轉(zhuǎn)子銑的精度提出了較高的要求。由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度一般在10m以上，所以在生產(chǎn)中裝卡成為生產(chǎn)難題，好的裝卡方式可以使轉(zhuǎn)軸在加工中相對(duì)保持穩(wěn)定，在一定程度上保證了各項(xiàng)尺寸的位置精度。但好的裝卡方式往往需要與之配套使用的非標(biāo)設(shè)備，這對(duì)于硬件的要求較高，往往難以滿足。而轉(zhuǎn)軸加工過程中的切削量是較大的，即使在良好的裝卡情況下依然可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸端部的擺動(dòng)情況，這直接造成了軸頸及聯(lián)軸器止口、外圓的跳動(dòng)超差，甚至是尺寸不符。

對(duì)于這種現(xiàn)象，機(jī)床的加工精度是重要因素但超精加工工藝方法及精密檢測(cè)也可以起到良好的輔助作用。例如現(xiàn)階段較為先進(jìn)的數(shù)控復(fù)眼加工技術(shù)，由多個(gè)視角對(duì)加工工件進(jìn)行尺寸確認(rèn)后再進(jìn)行加工，最大限度的保證了工件的各項(xiàng)名義尺寸及相關(guān)公差的要求，以及超聲刀架的應(yīng)用在黑色金屬切削中表現(xiàn)尤為突出。

歐美90年代的轉(zhuǎn)子軸加工圖紙中就已經(jīng)出現(xiàn)了公差在0.013mm的技術(shù)要求，而就我國(guó)的基本國(guó)情，能到達(dá)此種加工精度的大型機(jī)床可能還無(wú)法推廣至整個(gè)制造業(yè)領(lǐng)域，這就要求我們需掌握較為先進(jìn)的工藝方法及檢測(cè)方法來彌補(bǔ)硬件上的不足。

加工方法大致在轉(zhuǎn)軸加工中大致分為精車及精磨，精車現(xiàn)階段車間中使用較為廣泛的是快速侍服車削，但此種方法往往會(huì)造成轉(zhuǎn)軸端部較大震動(dòng)，所以在今后的發(fā)展趨勢(shì)中慢速侍服切削必將得到加強(qiáng)。而在此期間機(jī)加中普遍存在的問題也需要得到重視，如：切削形成與斷裂、切削瘤、頻振、彈塑現(xiàn)象、刀具磨損、殘余應(yīng)力、切削熱等等。

為了更好的控制以上因素，應(yīng)在檢測(cè)手段上符合精加工的部分特性，在加工中機(jī)床部件與機(jī)床整機(jī)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)應(yīng)得到相應(yīng)檢測(cè)。加工后零件的檢測(cè)與標(biāo)定也可作為輔助參考。特別值得關(guān)注的是我們針對(duì)機(jī)床的檢測(cè)中往往總?cè)菀缀鲆曔\(yùn)行中的在位線測(cè)量。這對(duì)于動(dòng)態(tài)加工的精度掌握往往不能起到良好的導(dǎo)向作用。

轉(zhuǎn)子軸車序的加工工序往往會(huì)安排在350t以上的重型數(shù)控臥車上進(jìn)行，而大型機(jī)床的裝卡工作尤為重要。

為此一般在加工600MW～1000MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸時(shí)需配制與350t重型數(shù)控臥車萬(wàn)向節(jié)成套使用的轉(zhuǎn)軸精車工具，350t重臥中心架配套使用的靜壓支撐瓦和普通烏金頭等一批專用工具。

對(duì)于支撐工具的使用我們應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，因?yàn)橹蔚撵o態(tài)設(shè)計(jì)往往非常關(guān)鍵，油膜或者汽膜的變化對(duì)于精度加工影響較大，所以目前汽（輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸車序加工常規(guī)工藝方法為萬(wàn)向節(jié)-雙托架支撐方式，即由萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)傳遞力矩，在轉(zhuǎn)軸汽、勵(lì)端軸頸或擋油臺(tái)等部位采用中心架支撐的方式，采用這種加工工藝能很好地解決由于機(jī)床自身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（機(jī)械部件）間隙等因素對(duì)加工精度帶來的負(fù)面影響。

百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承跨距約為13130mm，六十萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸承跨距為10061.2mm，本體部分外圓直徑為1270mm，故其靜撓度較600MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸更大。由于百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)的上述特點(diǎn)，繼續(xù)保證機(jī)械加工的尺寸和形位公差變得更加困難。百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸勵(lì)結(jié)構(gòu)較為細(xì)長(zhǎng)脆弱，在加工過程中受其自身?yè)隙扔绊?，尺寸和形位公差均很難保證。特別考慮到裝配完成后，集電環(huán)和集電環(huán)風(fēng)扇熱套至軸上，受部件自身重量的影響，加工集電環(huán)和集電環(huán)風(fēng)扇外圓部位時(shí)難度將會(huì)更大。針對(duì)此種顯現(xiàn)，在百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸車序加工中引入第三支撐的概念。三點(diǎn)支撐，以盡可能減小轉(zhuǎn)軸撓度對(duì)機(jī)械加工所帶來的不利影響。按轉(zhuǎn)軸勵(lì)端段尺寸制造專用中心架，并為中心架配備了與350t重型數(shù)控臥車導(dǎo)軌接口相配的專用方箱。在車削加工時(shí)，將專用中心架及支撐在勵(lì)端段適當(dāng)位置，以滿足接下來的車削任務(wù)。

合理的工藝方法可以改善加工效果，卻不能從根本上解決精度問題，加工工具的選擇與使用也非常關(guān)鍵。當(dāng)代制造業(yè)精加工已經(jīng)進(jìn)入nm時(shí)代，如何更加合理的提高加工精度成為提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技術(shù)。以用金剛石刀具精密切削為例，金剛石刀具的精密刃磨，其刃口鈍圓半徑應(yīng)達(dá)到2～4nm，同時(shí)應(yīng)解決其檢測(cè)方法，刃口鈍圓半徑與切削厚度關(guān)系密切，若切削的厚度欲達(dá)到10nm，則刃口鈍圓半徑應(yīng)為2nm。

再以磨具為例，磨具當(dāng)前主要采用金剛石微粉砂輪超精密磨削，這種砂輪有磨料粒度、粘接劑、修整等問題，通常，采用粒度為W20～W0.5的微粉金剛石，粘接劑采用樹脂、銅、纖維鑄鐵等，利用細(xì)粒度的磨粒和微粉對(duì)黑色金屬，硬催材料進(jìn)行加工，可得到較高加工精度及較低的表面粗糙度。

超精加工技術(shù)在汽輪發(fā)電機(jī)制造中的利用，從某種程度上證明了我國(guó)制造業(yè)的進(jìn)步，相信在未來會(huì)有很多制造行業(yè)引入此種加工技術(shù)，例如航天、航空工業(yè)中，人造衛(wèi)星、航天飛機(jī)、民用客機(jī)等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造衛(wèi)星用的姿態(tài)軸承和遙測(cè)部件對(duì)觀測(cè)性能。此技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步無(wú)論是對(duì)于民用產(chǎn)品，亦或是對(duì)于國(guó)防科技而言都極為重要，相信我們技術(shù)人員在自己的業(yè)務(wù)范圍內(nèi)勤于思考，善于總結(jié)在此種理論的基礎(chǔ)上開發(fā)出一套適用于本國(guó)國(guó)情的技術(shù)理論，提高我們的產(chǎn)品質(zhì)量，最大限度的占有世界市場(chǎng)，中國(guó)之崛起將不日而達(dá)。