中小型水轮机主轴加工新工艺

本文以一台出口机组的水轮机主轴加工为例，介绍一种新的主轴加工工艺。交检标准为美国电器电子工程师学会标准(简称IEEE)。
该水轮机主轴和中间轴都为4锻造实心轴。重量分别为2.1t和2.4t(主轴、中间轴的结构尺寸见图1,图2)。主轴转轮侧法兰为止口定位，通过宽度 140mm键与转轮传递扭矩；另一侧法兰由销钉螺栓与中间轴联接。主轴精度要求很高，与一般轴区别为：两端法兰外侧面与轴中心线垂直度为0.01mm,轴颈外径相对于轴线平行度0.01mm,法兰止口直径公差在0.013mm以内。中间轴的精度要求与主轴相同。
主轴、中间轴的单根轴的摆度，主轴与中间轴连接后的组合轴摆度都要达到IEEE标准。
1 加工难点及工艺分析
主轴、中间轴的加工难度由两方面原因造成：一是由于垂直度、平行度及摆度值精度过高；二是由于结构特殊及材料影响。
从结构上看：主轴法兰端面开有宽大键槽及把合孔，势必造成加工过程中的断续切削和冲击力；从材料上看：试棒实测力学性能及硬度偏高，这些都将对切削加工构成影响。
解决上述难点，需从加工基本条件和工艺方法两方面入手。加工基本条件包括机床精度、刀具选择和切削参数。

机床精度高可以消除机床本身误差对工件 13精度影响。要求的机床精度主要表现在：机床主轴轴承的轴向窜动小于0.01mm,径向跳动小于0.01mm,尾座套筒轴线对溜板移动的平行度小于 0.01mm,横向溜板移动对主轴轴线垂直度小于0.01mm/300mm,机床大溜板移动对机床主轴轴线平行度小于0.02mm/1000mm。
刀具选择，刀片定位精度高、抗冲击、耐磨性好，可减小因主轴键槽和把合孔的存在造成断续切削和冲击力产生的不利影响，减少切屑瘤带来的不利因素。在轴身和法兰面加工中分别采取YT5焊接刀具(相当于ISO标准的P30牌号)，及以色列的依斯卡尔WNMG432PP IC635刀片，效果良好。
切削参数的选择要控制好，避开形成切屑瘤的切削速度及zui后一刀的切速、切深、进刀量二者匹配关系。
加工工艺合理性对保证两轴精度至关重要。如按常规加工工艺虽然也能保证工件精度，但有以下弊端：为架中心架，工件需反复调个修架子口，费工费时；配备钨金爪的润滑装置；由于中心架占位妨碍刀架移动导致法兰面止口、法兰端面、轴身三者不能在一次装夹中加工到位，可操作性差，此为工艺zui忌讳的。则可采用“夹-顶 -以中间轴为基准精车主轴”的新工艺。该工艺优点为：工件能在一次装夹中除卡盘处外所有表面都可加工到位：直接利用机床精度；可操作性好；以精车后的中间轴为基准精车主轴再找整体轴的摆度与单根主轴精车后联轴找整体轴摆度，两者相比前者实质上变成一根整轴的中间轴主轴加工，因此前者的精度裕度大，可靠性高；后者在精度上没有裕度，一旦摆度超差修复十分困难。
2 “夹-顶-以中间轴为基准精车主轴”工艺
工艺流程

中间轴加工
夹紧主轴侧法兰，尾顶针顶另一端法兰，找正主轴侧法兰外圆及其内端面跳动量小于0.01mm,同时调整发动电机侧法兰，通过修正顶针孔使之跳动量也控制在 0.01mm之内，精车凡能加工到的各面，测量发电机侧法兰垂直度。工件调转，夹-顶方法、找正及精车同工件调转180°前相同。
主轴半精车
主轴在半精车时必须将与中间轴联接的内止口及法兰外端面精车到尺寸，并测得已精车面摆度及垂直度合格，其余面尺寸精度及表面粗糙度虽有余量但都要达到精车标准。
为确保主轴精车后的法兰端面垂直度，在半精车前必须将键槽粗铣，但又要保留作为基准的顶针孔，因此键槽粗铣时，其中间部位保留一段，待精加工时全部加工到尺寸。主轴在半精车后与中间轴把合，测摆度，作为精车主轴时的依据。

主轴精车、联轴找摆度主轴的zui终精车是在与中间轴同钻铰联轴销孔后组成整体状态下进行的，找正要求是以主轴半精车后与中间轴联成整体的摆度值为基准，精车主轴。精车主轴后的联轴摆度测量见图4。
3 结论
经测量表明，两轴所有摆度值在测点比IEEE标准规定数多的情况下全部达到IEEE标准。两轴所有形位公差、尺寸公差都达到设计要求。
经电站并网发电运行，实践证明该新工艺对完成两段主轴精加工是行之有效的，尤其对保证机组轴系的摆度具有重要作用，对于类似结构的中小型水轮机轴的加工具有实践性强、精度可靠性高的特点，便于推广。