解析水轮机部件机械加工的疑难问题

郭连河

摘要：水轮机的检修不仅直接影响电站的电能生产，增加运行成本，而且经常性的检修会使机组的性能下降。但检修工作又是电站运行中必不可少的工作，在注意提高检修质量的同时，必须将主要精力集中在寻求减轻水轮机泥沙磨损和汽蚀破坏的有效措施上。经过多年的探索和研究，目前已经取得了一些成功的经验，有关抗磨抗蚀等方面的内容有兴趣的读者可参考有关文献和资料。为了防止机组发生过速事故，目前多数电站是设置过速限制器、事故电磁阀或事故油泵，并装设水轮机主阀或快速闸门。这些装置都通过机组事故保护回路自动控制。

关键词：质量;因素;加工精度;误差

在水轮机的生产装配过程中，影响水轮机质量的因素很多，比如在各部件的机械加工过程中某些因素的影响;在运输过程中某些因素的影响;装配过程中受环境因素及人员素质等等因素的影响。水轮机中易受泥沙磨损的零部件主要有：水轮机转轮;转轮上下迷宫环;顶盖;导叶和导水机构的底环等。转轮中水流速度较高，因而转轮叶片正反两面均会遭到严重的磨损破坏，导叶上、下端面间隙和转轮上、下迷宫环间隙中，水流速度也较大，因而在形成间隙的两个结合面上均会遭受严重的磨损破坏。本文谈水轮机各部件在机械加工过程中的因素。以备在今后机械加工过程中加以注意。

一、加工原理误差

1.1采用近似的加工运动造成的误差

在许多场合，为了得到要求的工件表面，必须在工件或刀具的运动之间建立一定的联系。从理论上讲，应采用完全准确的运动联系。但是采用理论上完全准确的加工原理有时使机床或夹具极为复杂，致使制造困难，反而难以达到较高的加工精度，有时甚至是不可能做到。如在车削或磨削模数螺纹时，由于其导程t=πm，式中有π这个无理因子，在用配换齿轮来得到导程数值时，就存在原理误差。

1.2采用近似的刀具轮廓造成的误差

用成形刀具加工复杂的曲面时，要使刀具刃口做得完全符合理论曲线的轮廓，有时非常困难，往往采用圆弧、直线等简单近似的线型代替理论曲线。

二、机床几何误差及磨损其对加工精度的影响

2.1主轴回转误差

主轴的回转误差直接影响被加工工件的形状和位置精度，可分解为径向跳动、轴向跳动和角度摆动。由于存在误差敏感方向，加工不同表面时，主轴的径向跳动所引起的加工误差也不同。车端面时，主轴的轴向跳动将造成工件端面的平面度误差，以及端面相对于内、外圆的垂直度误差;车螺纹时，会造成螺距误差。主轴的轴向跳动对加工外圆或内孔的影响不大。主轴的角度摆动对加工误差的影响与主轴径向跳动对加工误差的影响相似，主要区别在于主轴的角度摆动不仅影响工件加工表面的圆度误差，而且影响工件加工表面的圆柱度误差。

2.2导轨误差

导轨在机床中起导向和承载作用，它既是确定机床主要部件相对位置的基准，也是运动的基准。它的各项误差直接对形状精度产生影响。导轨在水平面内的直线度误差将直接反映在被加工工件表面的法线方向（误差敏感方向）上，对加工精度的影响最大。导轨在垂直平面内的直线度误差对加工精度影响很小，一般可忽略不计。前后导轨的平行度误差会使工作台在运动过程中产生摆动，刀尖的运动轨迹为一条空间曲线，使工件产生形状误差。

2.3传动链误差

切削过程中，工件表面的成形运动，是通过一系列的传动机构来实现的。传动机构的传动元件有齿轮、丝杆、螺母、蜗轮及蜗杆等。这些传动元件由于其加工、装配和使用过程中磨损而产生误差，这些误差就构成了传动链的传动误差。传动机构越多，传动路线越长，则传动误差越大。机床传动链误差是影响表面加工精度的主要原因之一。

三、刀具、夹具的制造误差及磨损

刀具误差对加工精度的影响随刀具的种类不同而不同。一般刀具（如车刀、镗刀及铣刀等）的制造误差，对加工精度没有直接的影响;定尺寸刀具（如钻头、铰刀、拉刀及槽铣刀等）的尺寸误差，直接影响被加工零件的尺寸精度;成形刀具（成形刀、成形铣刀以及齿轮滚刀等）的误差，主要影响被加工面的形状精度。而刀具的磨损会直接影响刀具相对被加工表面的位置，造成被加工零件的尺寸误差，夹具的作用是使工件相对于刀具和机床具有正确的位置，因此夹具的制造误差对工件的加工精度有很大影响。夹具的制造误差由定位误差、夹紧误差、夹具的安装误差、导引误差、分度误差以及夹具的磨损组成。夹具的磨损会引起工件的定位误差。

四、工艺系统受力变形引起的误差

4.1切削过程中受力点位置变化引起的加工误差

切削过程中，工艺系统的刚度随切削力着力点位置的变化而变化，引起系统变形的差异，使被加工表面产生形状误差。

4.2切削力大小变化引起的加工误差——误差复映

工件的毛坯外形虽然具有粗略的零件形状，但它在尺寸、形状以及表面层材料硬度上都有较大的误差。毛坯的这些误差在加工时使切削深度不断发生变化，从而导致切削力的变化，进而引起工艺系统产生相应的变形，使得零件在加工后还保留与毛坯表面类似的形状或尺寸误差。当然工件表面残留的误差比毛坯表面误差要小得多。这种现象称为“误差复映规律”，所引起的加工误差称为“误差复映”。除切削力外，传动力、惯性重力、夹紧力等其它作用力也会使工艺系统的变形发生变化，从而引起加工误差，影响加工精度。

五、工艺系统受热变形引起的误差

5.1机床热变形对加工精度的影响

机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布的不均匀和机床机构的复杂性，机床的各部件发生不同程度的热变形，破坏了机床各部件原有的相互位置关系，影响加工精度。不同类型的机床由于热源不同，对加工精度影响也不同。

5.5.2刀具热变形对加工精度的影响

尽管在切削加工中传入刀具的热量只有3%～5%，但由于刀具的尺寸和热容量小，故仍有很高的温升，从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。粗加工时刀具的热变形对加工精度的影响可忽略不计;对于加工要求较高的零件，刀具的热变形对加工精度影响较大，使加工表面产生形状误差。例如用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达700℃～800℃，刀具热伸长量可达0.03mm～0.05mm。

5.3工件热变形对加工精度的影响

工件的热变形主要是由切削热引起的，热变形情况与加工方法和是否均匀受热有关。

5.3.1.1工件均匀受热

对于一些简单的均匀受热工件，如车、磨轴类件的外圆，待加工后冷却到室温时其长度和直径将有所收缩，由此而产生尺寸误差;加工盘类零件或较短的轴套类零件，由于加工行程较短，可以近似认为沿工件轴向方向的温升相等。对于较长工件（如长轴）的加工，开始走刀时，工件温度较低，变形较小。随着切削的進行，工件温度逐渐升高，直径逐渐增大，因此工件表面被切去的金属层厚度越来越大，冷却后不仅产生径向尺寸误差，而且还会产生圆柱度误差;对于轴向精度要求较高的工件（如精密丝杠），其热变形引起的轴向伸长将产生螺距误差。

5.3.2.2工件不均匀受热

当工件受热不均时，如磨削零件单一表面，由于工件单面受热而产生向上翘曲变形，加工冷却后将形成中凹的形状误差，这种现象对于加工薄片类零件尤为突出。

结语：

综上所述，在水轮机部件的加工过程中必须严格控制影响加工的各项因素，确保水轮机的整体装配质量。

参考文献：

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[2]文九巴.机械工程材料[M].2版.北京：机械工业出版社，2009，93-94

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