大型水輪機(jī)主軸車削加工質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)控制

胥海波，付封旗，尹仲凱

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽618000）

1 大型主軸車削加工設(shè)備能力與特點(diǎn)

一般大型水輪機(jī)主軸長徑比值較大，很難在立車上進(jìn)行主軸車削加工。我公司目前所有水輪機(jī)主軸幾乎全在重型臥車上加工，具備大型主軸車削能力的重型設(shè)備主 要 包 括18 m 重 型 臥 車、17 m 重 型 臥 車、WSD210 及S3150。最大車削直徑φ4900 mm，最大裝卡直徑φ3500 mm，最大承重350 t，4種設(shè)備的主要參數(shù)如表1所示，基本上能滿足目前所有大型水輪機(jī)主軸車削加工。

表1 大型主軸加工重型臥車主要參數(shù)

機(jī)床附件方面：中心架最大支撐直徑φ2600 mm，單個(gè)中心架最大承重150 t，其中部分重型臥車為靜壓瓦中心架，部分為鎢金瓦中心架。

2 大型水輪機(jī)主軸結(jié)構(gòu)及要求

2.1 結(jié)構(gòu)

目前大型水輪機(jī)主軸大多為35鋼、45鋼或20SiMn材料，一般采用鍛造毛坯、“分段鍛造+組焊”的制造工藝，如溪洛渡、官地、小灣、瀑布溝、錦屏等水電站。整鍛的大型主軸受鍛壓設(shè)備能力限制，成本也較高，制造廠家較少采用。

為在滿足機(jī)組性能的前提下，最大限度利用材料，降低自重，大型水輪機(jī)主軸一般為中空結(jié)構(gòu)[1]，軸身中部設(shè)計(jì)有與水導(dǎo)軸承配合的滑轉(zhuǎn)子（滑轉(zhuǎn)子是指在軸身某個(gè)位置凸出來的一個(gè)圓筒形結(jié)構(gòu)，與主軸為整體鍛造或焊接形成一體），部分主軸軸身上還設(shè)計(jì)有與上導(dǎo)軸承配合的滑轉(zhuǎn)子，即主軸軸身上設(shè)計(jì)雙滑結(jié)構(gòu)，如吉布水輪機(jī)。主軸兩端帶把合法蘭，根據(jù)法蘭位置可分為內(nèi)、外法蘭兩種結(jié)構(gòu)。三峽水輪機(jī)主軸采用內(nèi)法蘭，多數(shù)主軸采用外法蘭結(jié)構(gòu)；法蘭與轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)主軸聯(lián)接，采用軸向銷（套）定位和傳扭。

2.2 要求

水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)主軸及轉(zhuǎn)子裝配聯(lián)接組成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分，并與軸承、密封等部套緊密配合，主軸制造精度直接關(guān)系著機(jī)組密封性能、軸瓦油溫、止漏環(huán)間隙、噪聲和振動(dòng)等關(guān)鍵指標(biāo)，因此主軸的尺寸精度、粗糙度、形位公差等要求相對較高，表2所示為絕大多數(shù)大型水輪機(jī)主軸加工基本要求。

表2 主軸形位公差 mm

對于主軸整體加工而言，最重要的加工部位是法蘭和軸孔。法蘭的重要指標(biāo)包括自身的平面度、外圓圓度、與滑轉(zhuǎn)子及另一端法蘭外圓的同軸度、端面與中心線的垂直度等。軸孔是水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)主軸聯(lián)結(jié)傳扭的核心結(jié)構(gòu)，主要包括圓度、位置度等核心指標(biāo)。因此法蘭端面跳動(dòng)、垂直度及聯(lián)軸孔位置度要求是法蘭加工質(zhì)量的關(guān)鍵。滑轉(zhuǎn)子外圓粗糙度、圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)和同軸度要求是滑轉(zhuǎn)子加工的關(guān)鍵。部分水輪機(jī)主軸軸身外圓與基準(zhǔn)也具有較高的同軸度要求。

滑轉(zhuǎn)子內(nèi)腔及中心孔一般在單件成型時(shí)完成，主軸整體加工時(shí)不再加工，其余車削表面粗糙度要求Ra3.2～1.6，部分主軸滑轉(zhuǎn)子部位達(dá)Ra0.8。

3 水輪機(jī)主軸車削加工關(guān)鍵點(diǎn)控制

目前我公司加工大型水輪機(jī)主軸主要采用兩種支撐方式：一卡一托和雙托。一卡一托是在主軸車削加工時(shí)用車床卡盤夾持主軸一端法蘭外圓，用中心架支承在主軸另一端軸身或法蘭外圓位置，主軸受力為簡支梁狀態(tài)。雙托是加工時(shí)用2 個(gè)中心架支撐主軸，主軸的質(zhì)量全部通過中心架承載在機(jī)床床身導(dǎo)軌上，機(jī)床床頭箱和卡盤不夾持主軸，即不承受主軸重力載荷，卡盤僅通過萬向節(jié)和過渡法蘭與主軸聯(lián)結(jié)并傳遞轉(zhuǎn)矩[2]。

不管采用何種支撐方式，設(shè)備精度基本可以滿足主軸形位公差要求，但在實(shí)際加工過程中，部分主軸偶爾也會(huì)出現(xiàn)尺寸超差情況，并通過適當(dāng)工藝處理后讓步使用，這樣既沒有完全保證產(chǎn)品質(zhì)量，又增加了處理成本，最重要的是拖延產(chǎn)品交貨周期，給客戶造成不好印象。因此，在主軸車削加工時(shí)必須對關(guān)鍵工序進(jìn)行控制，規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化車削過程，從技術(shù)的角度最大限度降低主軸加工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過公司幾十年的探索，對于大型主軸車削加工，我公司已形成了一套完善的解決方案和質(zhì)量保證體系，本文主要對車削加工過程中的架口加工和車削找正兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行介紹。

3.1 架口加工

架口是主軸軸身或法蘭上預(yù)加工的一段環(huán)帶，與臥車中心架配合，用于車削過程中支撐主軸。不管采用一卡一托還是雙托方式，車削加工均以架口為基準(zhǔn)，架口精度直接關(guān)系著主軸各部位的圓跳動(dòng)公差，因此主軸車削加工的首要關(guān)鍵點(diǎn)便是架口加工。

3.1.1 架口要求

主軸在正式車削前一般需要加工2個(gè)架口，分別位于主軸兩端靠近法蘭的位置，如因特殊需要也可以將主軸法蘭外圓直接作為架口。架口主要要求如表3所示。

主軸架口加工可在立車或臥車上完成，對于長徑比值較大的主軸，架口的加工和修正適合在臥車上采用一卡一托或雙托的方式進(jìn)行。架口加工時(shí)以滑轉(zhuǎn)子內(nèi)腔或中心孔作為初始基準(zhǔn)，盡量保證主軸設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)重合，減小主軸軸線偏移。

3.1.2 一卡一托加工架口

主軸為毛坯狀態(tài)，吊上臥車后無法精確找正，但在床頭卡盤處可以打表檢查主軸法蘭區(qū)域，并調(diào)整到對點(diǎn)零對零狀態(tài)（即打表檢測的每一點(diǎn)數(shù)據(jù)和180°對稱點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)值相等）。越靠近床頭部位，跳動(dòng)值越小，因此一卡一托加工架口時(shí)刀架盡量靠近床頭，依靠機(jī)床卡盤的旋轉(zhuǎn)精度來保證架口加工圓度、同軸度等指標(biāo)。如一主軸需加工分別位于主軸軸身兩端的A、B兩處架口。主要工藝流程為：

1）主軸吊上臥車，卡盤裝夾一端法蘭，中心架支撐在需要加工的架口B位置（尚未加工），調(diào)整卡盤端主軸法蘭外圓對點(diǎn)零對零后，加工架口A，如圖1所示。

2）主軸掉頭，卡盤裝夾B端法蘭外圓，中心架支撐于架口A處，調(diào)整卡盤端主軸法蘭外圓對點(diǎn)零對零，加工架口B，以消除未加工架口B的圓跳誤差，如圖2所示。

表3 主軸架口要求

圖1 主軸架口A 加工

圖2 主軸架口B 加工

3）反復(fù)修正架口A和架口B。架口圓度、同軸度很難一次加工就達(dá)到要求，架口A首次加工時(shí)，架口B圓度較差或基本沒有圓度，因此制作的架口A會(huì)存在較大跳動(dòng)值（越靠近B位置跳動(dòng)值越大）。故在完成架口B加工時(shí)，須再次掉頭修正架口A；而第二次修正架口A是在加工好的架口B的基礎(chǔ)之上完成的，所以第二次修正的架口A會(huì)比首次架口A的圓度值要小。第二次修正完架口A后再掉頭精修架口B，如此反復(fù)進(jìn)行，直至架口A和架口B的圓跳動(dòng)、同軸度及粗糙度達(dá)到工藝要求。一般來說，3～4次能使架口精度達(dá)0.015～0.020 mm，滿足精車要求。

3.1.3 雙托加工架口

雙托加工架口是兩中心架直接支撐在需要車修的架口外圓處，采用彈簧刀在中心架部位直接車修架口。此種方式主軸不需要反復(fù)掉頭，但修正時(shí)間相對較長，因此采用雙托方法加工架口的主軸較少，對于圓度誤差較小或在車削過程中需要重新修正架口時(shí)更適用，若架口的圓度偏差較大，則很難或者無法用雙托方式完成架口修正。

3.1.4 立車加工架口

少數(shù)直徑較大且長徑比值較?。?～1.5）的主軸可選擇在立車上進(jìn)行架口加工。立車上加工架口可一次裝夾完成所有架口車削，能較好地保證架口同軸度及圓跳動(dòng)要求，但受立車轉(zhuǎn)速、加工高度等限制，制作的架口質(zhì)量并不高。

3.2 車削找正

除架口加工外，車削找正也是影響主軸加工質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

3.2.1 車削找正要求

車削找正時(shí)，理論上要求主軸中心線與臥式車床卡盤水平中心線完全重合，但實(shí)際上是無法達(dá)到的，也很難測量主軸中心線位置。對于長度達(dá)數(shù)米且公差要求較高的大型主軸，難度更高。實(shí)際加工過程中，只有通過間接測量的方法控制主軸與設(shè)備的相對位置，使測量結(jié)果高于主軸設(shè)計(jì)圖樣要求的形位公差值，以保證車削質(zhì)量。

3.2.2 控制措施

根據(jù)主軸加工選用的支撐方式不同，找正方法也略有差別，下面以一卡一托方式和雙托方式進(jìn)行說明。

3.2.2.1 一卡一托

主軸架口制作完成后，原位不動(dòng)，打表復(fù)查架口，符合要求后進(jìn)行正式車削。但是一卡一托裝夾存在一定的局限性，主軸不能在一個(gè)工位完成所有表面精車，在第一個(gè)支撐工位完成車削后主軸必須掉頭，進(jìn)行原卡盤端處的法蘭柱面和端面位置的加工。因此一卡一托方式需要在主軸掉頭后進(jìn)行二次找正，二次找正非常關(guān)鍵，主要控制措施如下：

1）床頭找正。主軸掉頭后，卡盤裝夾在已加工法蘭外圓位置，此時(shí)床頭端法蘭端面及外圓已精車。首先，用內(nèi)徑千分尺測量卡盤表面與主軸法蘭端面同一圓線的距離，圓周方向均勻檢查8點(diǎn)，應(yīng)對稱相等。其次，在卡盤附近架百分表，檢查主軸法蘭外圓，整圓誤差不超過0.015 mm，且調(diào)整至對點(diǎn)零對零狀態(tài)。最后，復(fù)核主軸法蘭背面圓跳動(dòng)值，整圓誤差不超過0.015 mm。

2）床尾找正。內(nèi)徑千分尺測量架口外圓與中心架小圓弧平面（中心架上的工藝基準(zhǔn)）之間距離，至少測量3點(diǎn)，檢查是否相等。

3）床身找正。雖然床頭和床尾都已找正，但對于即將進(jìn)行精車的主軸還不夠。床頭、床尾的找正精度相對不夠高，部分主軸在按以上方法找正并精加工后仍然會(huì)出現(xiàn)主軸軸向竄動(dòng)、異響等異?，F(xiàn)象，不但影響主軸精加工質(zhì)量，對機(jī)床本身也會(huì)造成一定程度的損傷。因此在床頭、床尾找正后，需進(jìn)一步檢查主軸軸身是否與機(jī)床中心線平行。最直接的方法就是檢查主軸母線，但因大型主軸結(jié)構(gòu)不一，軸身直徑各處不同，多數(shù)主軸無法通過直接測量母線找正，此時(shí)可采取如下措施：a.在主軸軸身上找兩段環(huán)帶，盡量靠近上、下法蘭位置，然后分別在同一刀架位置進(jìn)刀加工，加工完成后用外徑千分尺檢查兩段軸身的直徑，通過直徑差值評估軸線偏差。b.根據(jù)車間長期加工經(jīng)驗(yàn)，主軸精車前必須空轉(zhuǎn)30 min及以上，并在法蘭端面架設(shè)百分表，監(jiān)控主軸有無軸向方向竄動(dòng)，未發(fā)生軸向竄動(dòng)再進(jìn)行精車。

3.2.2.2 雙托

主軸不需要掉頭可在架口完成后直接進(jìn)行所有表面車削加工。架口加工完成后原位復(fù)查架口、主軸母線等是否符合工藝要求，合格后便可精車。但此時(shí)主軸架口處柱面是無法精車的，需要在其余表面全部精車完成后，調(diào)整主軸架口位置，二次找正后再進(jìn)行主軸原架口柱面位置的精車。此時(shí)需根據(jù)主軸精加工尺寸更換中心瓦架，復(fù)查新架口圓度值并按一卡一托床身找正方法檢查主軸整個(gè)姿態(tài)與原架口位置車削時(shí)姿態(tài)是否一致，合格后方可精車原架口柱面。

一般情況下，采用雙托方式精車主軸時(shí)會(huì)把架口位置選擇在主軸形位公差要求較低的地方，這樣即使二次找正后存在較大誤差，也不會(huì)影響主軸車削質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文著眼于大型水輪機(jī)主軸車削加工過程，從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的角度，介紹了主軸車削加工兩大關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)：架口加工、車削找正。拋開車削刀具及切削參數(shù)影響，抓好以上兩個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)，是確保整個(gè)大型水輪機(jī)主軸制造質(zhì)量的前提條件。