桐子林轴流式转轮体制造工艺研究

唐勇

（哈尔滨电机厂有限责任公司制造工艺部，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 基本参数

转轮体直径：SΦ4242mm。转轮体高度：3235mm。叶片轴孔直径：Φ1450mm。叶片数量：5片。转轮体重量：99吨。

2 主要研究内容

本课题的研究内容及方法主要包括两个方面：（1）转轮体外球面加工工艺研究。（2）转轮叶片轴孔加工工艺研究。

3 具体内容分析

3.1 转轮体外球面的加工

根据现有的设备情况，转轮体外球面的加工可选用两种机床，一种是带数控功能的新型立车，一种是普通立车，不带数控功能。对于没有数控功能的立车，我们只能采用传统的靠模加工方法，这就需要制造一套靠模和靠模刀架，加工时靠模刀架走靠模加工球面；而具有数控功能的立车可直接编程加工。

3.1.1 转轮体外球面的靠模加工工艺

利用靠模的加工方法如图1所示，具体加工工艺：转轮体反放在立车卡盘上，找正；装靠模和靠模刀架；靠模按转轮体找正相对一致；靠模刀架走靠模加工球面。

方案分析：此方案必须制作一套靠模及靠模刀架。对于桐子林水轮机转轮体，其转轮体球面高度达2500mm，则根据理论计算，靠模的大小在2600mm×800mm，而且这么大的靠模必须增加支撑以防止其变形；对于这个靠模来说，其他机组的转轮尺寸也很难与其相吻合，也就是说，靠模无法再使用。这样就决定了靠模加工的工装制造费用将是很大的。在加工过程中，为了不使立车刀架碰到转轮体，靠模刀架上的滑动刀杆至少为（2×球面高度+刀架宽度），对于直径4m的转轮来说，刀杆长度为1800mm左右。在加工过程中由于刀杆较长滑动会产生不水平而产生变形，靠模也因受力产生变形，这就使转轮球面加工精度变低。由上分析可以看出，靠模加工转轮体外圆的加工方案并不是一个很理想的加工方案。其成本将是很高而精度却较低。

图1 靠模加工

3.1.2 转轮体外球面的数控加工工艺

转轮体外球面利用数控立车加工，具体加工工艺：转轮体倒放在数控立车卡盘上，找正；按程序加工球面。

方案分析：此方案不用制作任何工装，完全能使用机床现有的刀架对球面进行加工。而且数控程序为转轮体中心截面，即为加工圆弧的程序，数控编程也比较简单。从加工刀具上来说，也可以省去一套特制的靠模刀架，从而使用立车自带的刀架，仅需再使用一个长度足够的普通小刀架即可，保证加工到转轮最低点时立车刀架不会碰到转轮上。

3.1.3 加工方案对比

对于以上两种方案，我们可以做一下比较：

从以上比较我们可以得出结论：靠模方法加工转轮体外球面的方法是一种比较原始的加工方法，虽然操作比较简便，加工效率较高，但由于需要制作较大的工装，所以其成本远比利用数控加工的方法高，而且他的加工精度也比较低。所以对于有数控机床的生产厂家来说，还是安排在数控立车上加工更好。对于有大型不带数控功能的立车，我们建议对立车进行数控功能改造，使其更适合国内及国际水电加工的发展要求，而且其长远的经济效益也是可观的。

3.2 转轮体叶片轴孔加工工艺研究

对于水轮机实际运行要求来说，转轮体叶片轴孔的尺寸直接影响到整个转轮的受力和出力，这就提出了转轮叶片的尺寸轴孔加工的重点：（1）每个叶片轴孔中心线必须水平一致，这样能保证叶片的受力大小一致；（2）叶片轴孔中心线应与转轮体球面最高点截面水平一致，这样能保证叶片与转轮体的间隙一致，在叶片全关时叶片肩部不会碰到转轮体上研伤转轮体。

加工工艺分析：叶片轴孔的加工我们采用立车加工时，直接在转轮体上刻转轮体球面最高点的水平线，精车完毕后划线加工的方法。

转轮体经过粗车平面及球面、粗镗叶片轴孔后进入半精车序。在半精车完毕后，我们通过数控找球面最高点，在转轮体上用尖刀刻出转轮体球面最高点的水平线（普通靠模加工的立车，以靠模上刻的水平中心线对刀，在转轮体上刻出最高点的水平线），此水平线就是叶片轴孔中心的节圆线。在划转轮叶片轴孔加工线时，以此水平线为基准线。半精镗叶片轴孔完毕后，将球面上的叶片轴孔中心线引至叶片轴孔内，防止在精车时，中心线被车掉。

在精车时，仍以所刻水平中心线为基准找水平（普通靠模加工的立车，也应将靠模上所刻的水平中心线以此线找水平）。或将转轮直接放在已经车好的等高垫筒上，以此水平中心线找数控程序的零点（球面最高点），其他高度方向上的尺寸也以此线为基准进行精车。精车完毕尖刀重新补刻出水平中心线与原线一致。

精车完毕，仍以所刻水平中心线为基准，划线，精镗叶片轴孔。

从上面的加工程序我们可以看出，立车刻线已经完全能保证我们前面所说的叶片轴孔加工的两个重点的要求。划线仅对叶片轴孔分度上有一些精度上的影响。通过精细划线，我们完全能保证轴孔分度的弦长误差在1mm以内。水轮机在叶片全开运行时，叶片倾角一般在0-3°以内，基本是水平的，水平方向误差1mm对两个叶片之间开度影响基本为0。

这里有一点要提到的是，精镗叶片轴孔时，也可选用普通镗床和数控镗床，对于直径Φ1350mm叶片轴孔来说，需要配备有效长度700mm以上的滑枕，而滑枕较长对镗出的叶片轴孔的圆度也有较大影响，其加工效率也比较低。

4 工艺及经济效益分析

随着水力发电技术的迅速发展和全球性的水利大开发，水电制造业成为一种蒸蒸日上的行业。水电制造业作为一种精细的机械制造行业，其制造工艺技术必然走在各种机械制造业的最前端。引进新技术、新工艺、新设备，提高效率、降低成本是发展的必然之路。

[1]刘有余.超常规轴流式转轮叶片水力设计方法研究[D].兰州：兰州理工大学，2004.