解析水輪機(jī)部件機(jī)械加工的疑難問題

郭連河

摘要：水輪機(jī)的檢修不僅直接影響電站的電能生產(chǎn)，增加運(yùn)行成本，而且經(jīng)常性的檢修會(huì)使機(jī)組的性能下降。但檢修工作又是電站運(yùn)行中必不可少的工作，在注意提高檢修質(zhì)量的同時(shí)，必須將主要精力集中在尋求減輕水輪機(jī)泥沙磨損和汽蝕破壞的有效措施上。經(jīng)過多年的探索和研究，目前已經(jīng)取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)，有關(guān)抗磨抗蝕等方面的內(nèi)容有興趣的讀者可參考有關(guān)文獻(xiàn)和資料。為了防止機(jī)組發(fā)生過速事故，目前多數(shù)電站是設(shè)置過速限制器、事故電磁閥或事故油泵，并裝設(shè)水輪機(jī)主閥或快速閘門。這些裝置都通過機(jī)組事故保護(hù)回路自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量;因素;加工精度;誤差

在水輪機(jī)的生產(chǎn)裝配過程中，影響水輪機(jī)質(zhì)量的因素很多，比如在各部件的機(jī)械加工過程中某些因素的影響;在運(yùn)輸過程中某些因素的影響;裝配過程中受環(huán)境因素及人員素質(zhì)等等因素的影響。水輪機(jī)中易受泥沙磨損的零部件主要有：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪;轉(zhuǎn)輪上下迷宮環(huán);頂蓋;導(dǎo)葉和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的底環(huán)等。轉(zhuǎn)輪中水流速度較高，因而轉(zhuǎn)輪葉片正反兩面均會(huì)遭到嚴(yán)重的磨損破壞，導(dǎo)葉上、下端面間隙和轉(zhuǎn)輪上、下迷宮環(huán)間隙中，水流速度也較大，因而在形成間隙的兩個(gè)結(jié)合面上均會(huì)遭受嚴(yán)重的磨損破壞。本文談水輪機(jī)各部件在機(jī)械加工過程中的因素。以備在今后機(jī)械加工過程中加以注意。

一、加工原理誤差

1.1采用近似的加工運(yùn)動(dòng)造成的誤差

在許多場合，為了得到要求的工件表面，必須在工件或刀具的運(yùn)動(dòng)之間建立一定的聯(lián)系。從理論上講，應(yīng)采用完全準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系。但是采用理論上完全準(zhǔn)確的加工原理有時(shí)使機(jī)床或夾具極為復(fù)雜，致使制造困難，反而難以達(dá)到較高的加工精度，有時(shí)甚至是不可能做到。如在車削或磨削模數(shù)螺紋時(shí)，由于其導(dǎo)程t=πm，式中有π這個(gè)無理因子，在用配換齒輪來得到導(dǎo)程數(shù)值時(shí)，就存在原理誤差。

1.2采用近似的刀具輪廓造成的誤差

用成形刀具加工復(fù)雜的曲面時(shí)，要使刀具刃口做得完全符合理論曲線的輪廓，有時(shí)非常困難，往往采用圓弧、直線等簡單近似的線型代替理論曲線。

二、機(jī)床幾何誤差及磨損其對(duì)加工精度的影響

2.1主軸回轉(zhuǎn)誤差

主軸的回轉(zhuǎn)誤差直接影響被加工工件的形狀和位置精度，可分解為徑向跳動(dòng)、軸向跳動(dòng)和角度擺動(dòng)。由于存在誤差敏感方向，加工不同表面時(shí)，主軸的徑向跳動(dòng)所引起的加工誤差也不同。車端面時(shí)，主軸的軸向跳動(dòng)將造成工件端面的平面度誤差，以及端面相對(duì)于內(nèi)、外圓的垂直度誤差;車螺紋時(shí)，會(huì)造成螺距誤差。主軸的軸向跳動(dòng)對(duì)加工外圓或內(nèi)孔的影響不大。主軸的角度擺動(dòng)對(duì)加工誤差的影響與主軸徑向跳動(dòng)對(duì)加工誤差的影響相似，主要區(qū)別在于主軸的角度擺動(dòng)不僅影響工件加工表面的圓度誤差，而且影響工件加工表面的圓柱度誤差。

2.2導(dǎo)軌誤差

導(dǎo)軌在機(jī)床中起導(dǎo)向和承載作用，它既是確定機(jī)床主要部件相對(duì)位置的基準(zhǔn)，也是運(yùn)動(dòng)的基準(zhǔn)。它的各項(xiàng)誤差直接對(duì)形狀精度產(chǎn)生影響。導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度誤差將直接反映在被加工工件表面的法線方向（誤差敏感方向）上，對(duì)加工精度的影響最大。導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度誤差對(duì)加工精度影響很小，一般可忽略不計(jì)。前后導(dǎo)軌的平行度誤差會(huì)使工作臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生擺動(dòng)，刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條空間曲線，使工件產(chǎn)生形狀誤差。

2.3傳動(dòng)鏈誤差

切削過程中，工件表面的成形運(yùn)動(dòng)，是通過一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)元件有齒輪、絲桿、螺母、蝸輪及蝸桿等。這些傳動(dòng)元件由于其加工、裝配和使用過程中磨損而產(chǎn)生誤差，這些誤差就構(gòu)成了傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)越多，傳動(dòng)路線越長，則傳動(dòng)誤差越大。機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差是影響表面加工精度的主要原因之一。

三、刀具、夾具的制造誤差及磨損

刀具誤差對(duì)加工精度的影響隨刀具的種類不同而不同。一般刀具（如車刀、鏜刀及銑刀等）的制造誤差，對(duì)加工精度沒有直接的影響;定尺寸刀具（如鉆頭、鉸刀、拉刀及槽銑刀等）的尺寸誤差，直接影響被加工零件的尺寸精度;成形刀具（成形刀、成形銑刀以及齒輪滾刀等）的誤差，主要影響被加工面的形狀精度。而刀具的磨損會(huì)直接影響刀具相對(duì)被加工表面的位置，造成被加工零件的尺寸誤差，夾具的作用是使工件相對(duì)于刀具和機(jī)床具有正確的位置，因此夾具的制造誤差對(duì)工件的加工精度有很大影響。夾具的制造誤差由定位誤差、夾緊誤差、夾具的安裝誤差、導(dǎo)引誤差、分度誤差以及夾具的磨損組成。夾具的磨損會(huì)引起工件的定位誤差。

四、工藝系統(tǒng)受力變形引起的誤差

4.1切削過程中受力點(diǎn)位置變化引起的加工誤差

切削過程中，工藝系統(tǒng)的剛度隨切削力著力點(diǎn)位置的變化而變化，引起系統(tǒng)變形的差異，使被加工表面產(chǎn)生形狀誤差。

4.2切削力大小變化引起的加工誤差——誤差復(fù)映

工件的毛坯外形雖然具有粗略的零件形狀，但它在尺寸、形狀以及表面層材料硬度上都有較大的誤差。毛坯的這些誤差在加工時(shí)使切削深度不斷發(fā)生變化，從而導(dǎo)致切削力的變化，進(jìn)而引起工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使得零件在加工后還保留與毛坯表面類似的形狀或尺寸誤差。當(dāng)然工件表面殘留的誤差比毛坯表面誤差要小得多。這種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映規(guī)律”，所引起的加工誤差稱為“誤差復(fù)映”。除切削力外，傳動(dòng)力、慣性重力、夾緊力等其它作用力也會(huì)使工藝系統(tǒng)的變形發(fā)生變化，從而引起加工誤差，影響加工精度。

五、工藝系統(tǒng)受熱變形引起的誤差

5.1機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響

機(jī)床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化，由于熱源分布的不均勻和機(jī)床機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床的各部件發(fā)生不同程度的熱變形，破壞了機(jī)床各部件原有的相互位置關(guān)系，影響加工精度。不同類型的機(jī)床由于熱源不同，對(duì)加工精度影響也不同。

5.5.2刀具熱變形對(duì)加工精度的影響

盡管在切削加工中傳入刀具的熱量只有3%～5%，但由于刀具的尺寸和熱容量小，故仍有很高的溫升，從而引起刀具的熱伸長并造成加工誤差。粗加工時(shí)刀具的熱變形對(duì)加工精度的影響可忽略不計(jì);對(duì)于加工要求較高的零件，刀具的熱變形對(duì)加工精度影響較大，使加工表面產(chǎn)生形狀誤差。例如用高速鋼刀具車削時(shí)，刃部的溫度高達(dá)700℃～800℃，刀具熱伸長量可達(dá)0.03mm～0.05mm。

5.3工件熱變形對(duì)加工精度的影響

工件的熱變形主要是由切削熱引起的，熱變形情況與加工方法和是否均勻受熱有關(guān)。

5.3.1.1工件均勻受熱

對(duì)于一些簡單的均勻受熱工件，如車、磨軸類件的外圓，待加工后冷卻到室溫時(shí)其長度和直徑將有所收縮，由此而產(chǎn)生尺寸誤差;加工盤類零件或較短的軸套類零件，由于加工行程較短，可以近似認(rèn)為沿工件軸向方向的溫升相等。對(duì)于較長工件（如長軸）的加工，開始走刀時(shí)，工件溫度較低，變形較小。隨著切削的進(jìn)行，工件溫度逐漸升高，直徑逐漸增大，因此工件表面被切去的金屬層厚度越來越大，冷卻后不僅產(chǎn)生徑向尺寸誤差，而且還會(huì)產(chǎn)生圓柱度誤差;對(duì)于軸向精度要求較高的工件（如精密絲杠），其熱變形引起的軸向伸長將產(chǎn)生螺距誤差。

5.3.2.2工件不均勻受熱

當(dāng)工件受熱不均時(shí)，如磨削零件單一表面，由于工件單面受熱而產(chǎn)生向上翹曲變形，加工冷卻后將形成中凹的形狀誤差，這種現(xiàn)象對(duì)于加工薄片類零件尤為突出。

結(jié)語：

綜上所述，在水輪機(jī)部件的加工過程中必須嚴(yán)格控制影響加工的各項(xiàng)因素，確保水輪機(jī)的整體裝配質(zhì)量。

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