水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)精加工防變形技術(shù)

馬　超，柏長(zhǎng)友，李瀟冉

（寧夏共享精密加工有限公司，寧夏　銀川 750021）

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)精加工防變形技術(shù)

馬超，柏長(zhǎng)友，李瀟冉

（寧夏共享精密加工有限公司，寧夏銀川 750021）

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)的材料為馬氏體不銹鋼，下環(huán)是水輪機(jī)中技術(shù)含量最高，制造難度最大，制造周期最長(zhǎng)的部件。由于下環(huán)噸位重、直徑大、壁薄，在加工過程中極易變形，通過多方面的分析與確認(rèn)，下環(huán)防變形的措施有裝卡防變形、加工過程熱應(yīng)力釋放放變形、吊運(yùn)防變形、翻轉(zhuǎn)防變形等。

下環(huán)；薄壁；防變形

水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。在大多數(shù)情況下，這種機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，因此水輪機(jī)是為水能利用和發(fā)電服務(wù)的。

水輪機(jī)及輔機(jī)是重要的水電設(shè)備，是水力發(fā)電行業(yè)必不可少的組成部分，是充分利用清潔可再生能源實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的重要設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展與我國(guó)水電行業(yè)的發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)。在我國(guó)電力需求的強(qiáng)力拉動(dòng)下，我國(guó)水輪機(jī)及輔機(jī)制造行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，其經(jīng)濟(jì)規(guī)模及技術(shù)水平都有顯著提高。

隨著研究的不斷深入，水輪機(jī)技術(shù)在很多方面取得了較大的改革和更新，但是其基本結(jié)構(gòu)和性能并沒有很大的變化。大型化水輪機(jī)的研究及應(yīng)用是降低基礎(chǔ)投資和生產(chǎn)費(fèi)用，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率的重要途徑，因此水輪機(jī)的大型化是水力發(fā)電業(yè)和制造業(yè)的重要發(fā)展研究課題。大型水電機(jī)組水輪機(jī)的核心部件是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由上冠，下環(huán)，葉片三種鑄件組焊而成，為全不銹鋼整體鑄焊結(jié)構(gòu)，是水輪機(jī)中技術(shù)含量最高，制造難度最大，制造周期最長(zhǎng)的部件。但是水輪機(jī)的大型化也帶來了一系列的問題，由于下環(huán)噸位重、直徑大、壁薄，在翻件、吊運(yùn)方面極易引起變形。根據(jù)此問題，研究變形原因，針對(duì)變形原因采取相應(yīng)措施，提高正常加工效率。因此，只有嚴(yán)格控制其精加工過程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，才能保證零件加工質(zhì)量，滿足顧客終檢要求，與顧客實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期合作，提升公司信譽(yù)與競(jìng)爭(zhēng)力。

1　總體設(shè)計(jì)方案

項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案主要包括工藝準(zhǔn)備、車小端序、車大端序、后序幾大方面，在車序中主要包括零件的裝卡方式以及零件在切削過程中的刀具及刀具參數(shù)的選擇；在后序中主要包括零件的吊運(yùn)等專業(yè)技術(shù)操作內(nèi)容。由技術(shù)人員完成相關(guān)模型、工藝及程序的編制，通過過程控制和關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)來保證產(chǎn)品質(zhì)量。其中車大端時(shí)的裝卡、加工應(yīng)力釋放、及吊運(yùn)為水輪機(jī)下環(huán)精加工的關(guān)鍵點(diǎn)。

通過多方面的分析與確認(rèn)，薄壁件變形的影響因素有：裝卡導(dǎo)致變形；加工過程中熱應(yīng)力釋放導(dǎo)致變形；吊運(yùn)導(dǎo)致變形；翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致變形。

2　實(shí)施過程

2.1裝卡防變形研究

常規(guī)產(chǎn)品裝卡方法是，采用擰緊一個(gè)卡爪將工件整體推動(dòng)，工件找正后，并將四個(gè)卡爪卡緊，直至卡爪不能再擰動(dòng)為止。但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)壁薄，按照其他常規(guī)產(chǎn)品裝卡方法裝卡時(shí)，卡壓一邊，對(duì)角處移動(dòng)量與卡壓處移動(dòng)量不一致，導(dǎo)致將工件卡壓成橢圓，半徑方向變形可達(dá)1.5mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于±0.25公差要求。水電類產(chǎn)品所有的面均是加工面，在加工一些面時(shí)，是無法使用壓板的，尤其是型線面，只能靠均布的四個(gè)卡爪及工件自重將工件固定在工作臺(tái)上。為了解決此問題，小端面墊圓鋼珠，卡壓一處，工件能由滑動(dòng)變成滾動(dòng)，減少卡壓變形，并將百分表放置到卡爪位置測(cè)量變形量，變形量不超過0.1mm。如圖1所示。

圖1　水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)裝卡

2.2加工過程中熱應(yīng)力釋放防變形研究

加工完的平面，放置8h后，不做任何處理，應(yīng)力釋放，高低差為0.95mm。應(yīng)力有兩方面的來源：一是加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力；二是熱處理時(shí)未釋放完的應(yīng)力。針對(duì)以上兩方面應(yīng)力來源制定了相應(yīng)措施。在精加工時(shí)必須使用切削液，型線面在還有2mm加工量時(shí)松卡爪0.5H～1H，并激振，釋放加工應(yīng)力。這樣就可以提高加工效率。激振是用專用激振器吸附在工件上，激振器錘擊工件。如做震動(dòng)時(shí)效，需要將工件從機(jī)床上卸下來，這樣就會(huì)存在吊運(yùn)變形、二次裝卡變形、二次裝卡誤差等一系列問題。所以在不卸工件的情況下使用激振方法，提高了效率，并保證了質(zhì)量。

2.3吊運(yùn)防變形研究

目前市場(chǎng)上最常用吊具是吊鉤、吊環(huán)、吊帶、起重吸盤、夾鉗、貨叉等。但由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)壁薄，全為加工面，而且有刃口，按照鋼絲繩四點(diǎn)吊運(yùn)方法，工件徑向受力，工件徑向受力后容易變形，直徑越大，變形越大，而且使用吊鉤或吊環(huán)容易機(jī)損；雖然使用吊帶時(shí)可防止機(jī)損，但刃口容易將吊帶割損傷，且工件容易變形。使用這些普通的吊具吊運(yùn)工件時(shí)，要求較高的面的尺寸就會(huì)超差，從而導(dǎo)致再次上機(jī)床返修，造成資源的浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)了專用吊運(yùn)工裝，此吊運(yùn)工裝將傳統(tǒng)的柔性吊鏈改為剛性的吊架，將吊鉤改為T型吊爪。吊爪是可拆卸的，并能在吊架上自由滑動(dòng)，以適用于各種尺寸的工件吊運(yùn)。通過吊架及吊爪，使工件在吊運(yùn)過程中徑向不受力，故能有效地防止工件變形及機(jī)損，如圖2所示。

圖2　專用吊運(yùn)工裝

2.4工藝流程防變形研究

由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)是全加工面，無吊把，翻活時(shí)用鋼絲繩吊一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，所以會(huì)因工件自重導(dǎo)致變形，以直徑為4000mm的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)為例，吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)后，變形量可達(dá)到0.67mm。通過工藝流程優(yōu)化，型線面與外側(cè)圓弧面在一次裝卡的情況下加工完成，精度要求高的型線面最后精加工，且精加工完后不再翻轉(zhuǎn)，如檢測(cè)、包裝及發(fā)運(yùn)，確保型線面尺寸在公差范圍內(nèi)。

2.5模擬仿真

零件的工藝全過程都是采用虛擬制造技術(shù)，利用UG、SolidWorks、CAXA、CIMCOEdit等軟件相互配合、完成零件的三維建模、工藝的編寫、程序的編制。

首先需要技術(shù)人員使用UG或SolidWorks等三維軟件實(shí)現(xiàn)顧客圖紙向三維模型及二維圖紙的轉(zhuǎn)變。然后使用CAXA編程功能實(shí)現(xiàn)車床的程序編制，在參數(shù)設(shè)置時(shí)考慮刀具圓角對(duì)加工軌跡的影響，合理優(yōu)化進(jìn)退刀方式，并將加工方式轉(zhuǎn)化為機(jī)床能識(shí)別的代碼。利用中間數(shù)據(jù)庫(kù)將已經(jīng)生成的工藝文件和程序文件傳輸至現(xiàn)場(chǎng)，操作工即可直接應(yīng)用。

3　推廣應(yīng)用前景

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下環(huán)從吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)、找平、找正，再到粗加工、精加工，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行質(zhì)量控制，有效減少了質(zhì)量問題數(shù)，保證加工質(zhì)量符合顧客終檢要求，目前此流程已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。這種加工及吊運(yùn)方法準(zhǔn)確、可靠，加工后檢測(cè)結(jié)果表明此種關(guān)鍵過程技術(shù)的研發(fā)與控制可以滿足顧客圖紙要求，有效保證工件質(zhì)量。前期所做的技術(shù)積淀將為更大型的零件加工提供更好的技術(shù)指導(dǎo)。

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