燈泡貫流式內(nèi)外環(huán)導(dǎo)葉軸孔加工工藝研究

姚 軍

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，四川 德陽 618000）

內(nèi)、外配水環(huán)是水力發(fā)電貫流式機組導(dǎo)水機構(gòu)中最為關(guān)鍵的零部件。其過流面板厚30mm，屬于大型薄壁件。在加工中存在變形大、尺寸精度不易保證、特別是內(nèi)外配水環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔位置精度難以控制。

國外如日本，是利用五軸聯(lián)動龍門銑加工的。由于受機床工作臺的限制，對大型工件采用分瓣結(jié)構(gòu)，增加了制造難度。

文章立足于現(xiàn)有加工設(shè)備，通過改進加工工藝，以解決導(dǎo)葉軸孔的位置精度為重點，達到提高加工質(zhì)量，降低勞動強度，提高效率的目標(biāo)。

1 導(dǎo)葉內(nèi)、外配水環(huán)特征分析

燈泡貫流式機組的導(dǎo)水機構(gòu)從進水到出水方向是軸向貫通的。它由內(nèi)、外配水環(huán)、導(dǎo)葉、軸承、拐臂及保護裝置等組成，其中外配水環(huán)如圖1所示。

圖1 外配水環(huán)

1.1 主要尺寸

內(nèi)配水環(huán)大端直徑Φ2480mm，高1255mm；外配水環(huán)大端直徑Φ5738mm，高1630mm，內(nèi)、外配水環(huán)的過流面上分別的有16-Φ70 H7、16-Φ250 H7的導(dǎo)葉軸孔，各孔在圓周方向均布，孔軸線與配水環(huán)導(dǎo)葉中心線成60°空間夾角。

1.2 基本要求

（1）各對軸孔的中心線應(yīng)與該球面向心。

（2）各軸孔中心線在空間的交點與導(dǎo)葉外環(huán)過流面球面的球心重合，同時應(yīng)保證導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)裝配后，兩者的球心在空間重合。

（3）各軸孔在過流面上形成的中心高與導(dǎo)葉外環(huán)大端面的高度應(yīng)相等，以保證導(dǎo)葉裝配后空間夾角一致。

（4）內(nèi)、外配水環(huán)（以下簡稱內(nèi)、外環(huán)）在裝配時，要保證內(nèi)、外環(huán)上所對應(yīng)的導(dǎo)葉軸孔中心線不得錯位，才能便于套筒的順利裝入，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)水機構(gòu)的組成

1.3 加工主要難點

因內(nèi)、外環(huán)屬于薄壁零件，裝配時一旦發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外環(huán)軸孔的中心線錯位則無法補救。如何才能保證這些孔的中心線在裝配時重合，是目前必須要解決的技術(shù)難題。經(jīng)過仔細(xì)分析，提供了內(nèi)、外環(huán)三種解決方案：同鏜工藝、單鏜工藝及數(shù)控工藝。

2 導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)軸孔同鏜工藝

同鏜的基本思路是：因裝配位置是內(nèi)環(huán)位于外環(huán)之中，外環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔大于內(nèi)環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔，先加工外環(huán)上的孔，通過專用夾具，模擬內(nèi)外環(huán)零件的裝配關(guān)系，以外環(huán)作為“鉆模板”，加工內(nèi)環(huán)上的孔，保證外環(huán)導(dǎo)葉軸孔與內(nèi)環(huán)導(dǎo)葉軸孔的中心線重合，實現(xiàn)內(nèi)、外環(huán)零件順利裝配。

2.1 加工工藝與機床選擇

考慮到零件的外形特征、幾何尺寸、批量，同時也為了降低成本，提高效率，加工機床選擇Φ6.3M立車及Φ200落地鏜床。

2.2 專用夾具及專機設(shè)計

（1）工具胎的設(shè)計。工具胎的作用是通過分度環(huán)止口定位、螺釘把緊，將導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)連接起來形成內(nèi)、外環(huán)組合件，模擬出內(nèi)外環(huán)零件的裝配關(guān)系。基本要求是：工具胎的高度與座環(huán)內(nèi)外環(huán)的高度差一致，使導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)導(dǎo)葉軸孔的加工狀態(tài)與其裝配狀態(tài)一致，從而最大限度地消除了加工和裝配之間的形位誤差。

圖3 斜孔專用加工設(shè)備

（2）專用斜孔加工設(shè)備。內(nèi)、外環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔與導(dǎo)葉中心線成空間60°，斜孔加工設(shè)備的主軸軸線與水平線設(shè)計成30°夾角，如圖3所示。

2.3 外環(huán)導(dǎo)葉軸孔的加工

軸孔加工前，先將外環(huán)過流面（軸孔所在表面，包括內(nèi)環(huán)零件）在Φ6.3M立車上粗精車好。

（1）工裝的準(zhǔn)備。回轉(zhuǎn)工作臺放在Φ200鏜床落地平臺上，其上固定支撐墊，找平、壓緊，復(fù)查找正情況。在外環(huán)下方墊上，將分度環(huán)（在靠近外圓處加工出16個Φ50的銷孔）壓緊在轉(zhuǎn)臺上，用百分表找正分度環(huán)止口，使其與回轉(zhuǎn)中心一致。

（2）工件的安裝。外環(huán)大端向下安裝在固定支撐墊上，以外環(huán)球面來校正斜孔設(shè)備是否向心，找正并壓緊工件。

（3）專用斜孔加工設(shè)備的安放。專用的30°斜孔加工設(shè)備放在外環(huán)外邊，用水平儀找正導(dǎo)軌面，再在鏜桿上裝上百分表，以外環(huán)球面來校正斜孔設(shè)備的主軸軸線是否向心，找正后壓緊設(shè)備。

（4）導(dǎo)葉軸孔的加工。各導(dǎo)葉軸孔位置是由分度環(huán)上的16個Φ50的銷孔位置決定的。裝定位銷鏜好第一孔，轉(zhuǎn)動工作臺，裝下一個銷并鏜下一個軸孔，直至全部導(dǎo)葉軸孔鏜完。整個鏜孔過程中均要百分表監(jiān)視。

2.4 內(nèi)環(huán)導(dǎo)葉軸孔的加工

（1）內(nèi)外環(huán)的裝配。鉗工通過專用工具胎將導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)連接起來，放在分度環(huán)止口內(nèi)，并用螺釘把緊，形成與實際工作狀態(tài)一樣的內(nèi)、外環(huán)組合件，如圖4所示。

圖4 組合件的安裝

（2）組合件的安裝與找正。組合件安裝位置同前，專用的30°斜孔設(shè)備放在導(dǎo)葉外環(huán)外邊，在內(nèi)外兩環(huán)之間安裝支撐滑座。找正分兩步，一是找正組合件，找正方法同前；二是找正斜孔設(shè)備，要求斜孔設(shè)備的主軸軸線調(diào)整到與外環(huán)上的某一個Φ250 H7孔軸線同軸。

（3）內(nèi)環(huán)導(dǎo)葉軸孔的加工。在滑座里裝上鏜桿，用劃針以外環(huán)球面為基準(zhǔn)大致找正滑座，此時將鏜桿與斜孔設(shè)備用萬向節(jié)連接起來，再在鏜桿上裝上百分表以內(nèi)外環(huán)球面為基準(zhǔn)精找正滑座，并壓緊滑座。依次以外環(huán)上的16-Φ250 H7孔作為“鉆模板”，加工內(nèi)環(huán)上的導(dǎo)葉軸孔。

2.5 導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)軸孔同鏜優(yōu)缺點分析

經(jīng)過導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝，內(nèi)、外環(huán)上的16個導(dǎo)葉軸孔中心線誤差均在允許范圍內(nèi)，套筒能順利裝入，導(dǎo)葉開啟靈合、自如，達到了設(shè)計要求。

該方案優(yōu)點最大程度保證了內(nèi)、外環(huán)導(dǎo)葉軸孔的中心線重合，但也存在明顯不足：①找正困難，接影響內(nèi)、外環(huán)導(dǎo)葉軸孔同心度；②需要一個專用連接胎，工裝成本高；③工人勞動強度大，效率低。

3 內(nèi)、外環(huán)導(dǎo)葉軸孔單鏜工藝

（1）基本思路。由于導(dǎo)葉內(nèi)、環(huán)的外形尺寸大，整體剛性差，要盡量減少裝夾次數(shù)，以避免變形出現(xiàn)較大位置偏差。經(jīng)分析，內(nèi)、外環(huán)的過流面及導(dǎo)葉軸孔在同一裝卡狀態(tài)下完成加工的可能性是存在的。根據(jù)這一思路，選擇公司特有的Φ12.5M立車作為加工設(shè)備。

（2）工藝方案。該立車自帶內(nèi)外花盤，即Φ4M內(nèi)花盤、Φ8M外花盤。兩花盤可以獨立轉(zhuǎn)動，同時也可以連鎖在一起旋轉(zhuǎn)，即一個花盤轉(zhuǎn)動，另一個花盤不動。如果將導(dǎo)葉外環(huán)放置于Φ12.5M立車外花盤上，先將其過流面精車完后，外環(huán)不動，將斜孔鏜削設(shè)備放置在內(nèi)花盤上，以導(dǎo)葉外環(huán)球面作為找正基準(zhǔn)，就可實現(xiàn)葉外環(huán)導(dǎo)葉斜軸孔的加工，如圖5所示。

圖5 Φ12.5M立車加工葉外環(huán)

（3）方案實施。以外環(huán)零件為例：①粗、精車外環(huán)過流面。精車外環(huán)小端、工件翻身、粗、精車外環(huán)過流面。②檢查并調(diào)整中心高度。以導(dǎo)葉外環(huán)過流面為基準(zhǔn)，根據(jù)理論高度與圖紙角度60°，調(diào)整鏜孔設(shè)備，使其鏜桿與導(dǎo)葉外環(huán)球面上下、左右向心，并壓緊鏜孔設(shè)備。③在外環(huán)大端面上同一節(jié)圓上固定16個等直徑的分度環(huán)，弦距誤差0.05mm，點焊分度環(huán)。④將立車內(nèi)花盤瑣緊，在立車刀架上固定一個百分表，監(jiān)視分度環(huán)，并記下其讀數(shù)。⑤鏜完第一孔時，外環(huán)和外花盤一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的位置以上述所記錄的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。這樣就保證了16個導(dǎo)葉軸孔的位置精度。內(nèi)環(huán)零件與之相似，不再贅述。

（4）導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)軸孔單鏜優(yōu)缺點分析。這種工藝方案完全能解決大型導(dǎo)葉外環(huán)的加工，孔的位置精度也得到了保證。但實施過程復(fù)雜，尤其是鏜孔設(shè)備找正困難，勞動強度大，效率較低。

4 內(nèi)、外環(huán)導(dǎo)葉軸孔數(shù)控工藝

主要加工機床：Φ22M數(shù)控立車。

4.1 Φ22M數(shù)控立車特點

Φ22M數(shù)控立車除了車削基本功能外，還帶有垂直刀架和萬能銑頭，具有鏜銑功能。萬能頭在垂直平面內(nèi)可以旋轉(zhuǎn)0°～90°，很方便實現(xiàn)所需的角度要求。

4.2 方案實施

工件一次裝夾，兩步實施：車過流面、鏜削導(dǎo)葉軸孔。下面僅對鏜削導(dǎo)葉軸孔工藝加工以說明。

（1）粗鏜導(dǎo)葉外環(huán)導(dǎo)葉軸孔。當(dāng)導(dǎo)葉外環(huán)過流面精車完后，在立車垂直刀架上裝上萬能頭，將銑頭在垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)至與水平面成30°，并夾緊，如圖6所示。按圓線找正，由數(shù)控程序控制立車花盤分度導(dǎo)葉軸孔。垂直刀架粗鏜16個導(dǎo)葉軸孔，單邊留5mm余量。

圖6 Φ22M立車加工導(dǎo)葉外環(huán)

（2）半精鏜導(dǎo)葉軸孔。以已加工的球面為基準(zhǔn)，確定導(dǎo)葉軸孔的向心度，半精鏜各孔?？诅M完后，復(fù)查第一個導(dǎo)葉軸孔的位置誤差并作好記錄，作為精鏜孔時的誤差補償。

（3）導(dǎo)葉軸孔的中心高的控制。根據(jù)理論中心高，通過移動垂直刀架位置來調(diào)整實際高度，并將第一個孔作為其余導(dǎo)葉軸孔的基準(zhǔn)。

（4）精鏜導(dǎo)葉軸孔。精確調(diào)整工件導(dǎo)葉中心高，參照所紀(jì)錄的分度誤差，由數(shù)控程序進行誤差補償，精鏜所有導(dǎo)葉軸孔。

4.3 優(yōu)缺點分析

通過實際加工，這種工藝方法簡單、精度好、質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、工人勞動強度低。

Φ12.5M立車加工同樣大的導(dǎo)葉外環(huán)需要16天，而在Φ22M立車只需10天，大大縮短了加工周期。當(dāng)然，帶有垂直刀架和萬能銑頭，具有鏜銑功能的Φ22M數(shù)控立車，其投資也是相當(dāng)大的。

5 結(jié)語

3種方案表明：①在沒有大型數(shù)控設(shè)備的條件下，采用專用斜孔加工設(shè)備加工大、小貫流機組內(nèi)外環(huán)導(dǎo)葉軸孔的工藝方案是可行的；②在大型數(shù)控立車、特別是帶萬能銑鏜頭的大型數(shù)控立車上加工導(dǎo)葉軸孔，其位置精度完全由數(shù)控程序和機床精度來保證。這種工藝方法應(yīng)該是最佳工藝方法。

大、小貫流機組工藝的開發(fā)、探索，走過了艱辛而漫長的道路，通過不斷的工藝創(chuàng)新和實踐，貫流機組導(dǎo)葉內(nèi)、外環(huán)的加工技術(shù)已達到了比較先進的水平，具體采用何種工藝方案，還需視具體情況而定。

［1］隋松梅，王照娣，姜世昌，等.貫流機組內(nèi)外配水環(huán)及導(dǎo)葉加工工藝研究［J］.大電機技術(shù)，1999，（3）：33-37.

［2］徐利君，楊桀彬，王康生，等.水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律對蝸殼末端壓力的影響［J］.水電能源科學(xué)，2017，35（9）:131-134.

［3］付豐旗，周文凱.響洪甸電站水泵水輪機和蝴蝶閥制造技術(shù)研究［J］.東方電機，2002，30（2）：131-137.

［4］李嵩松.大型數(shù)控機床附件銑頭設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機床，2012，（5）：141-144+146

［5］趙月娥，文懷興.五軸聯(lián)動高速主軸銑頭的設(shè)計與運動仿真［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，（6）：77-79+83

［6］李繼堂.全自動萬能銑頭的設(shè)計［J］.機械制造，2012，（9）：10-13.

［7］楊順田，侯忠坤.拉矯機弧形段上底座的數(shù)控加工［J］.機床與液壓，2013，41（2）：56-59.