复合支柱绝缘子芯体的加工研究

黄亚州

（北玻电力复合材料有限公司，山东 枣庄 277500）

0 引言

我国的能源资源需求存在远距离、逆向分布特性，东部地区的经济迅速发展促使电力能源消耗急剧增加，这就需要设计和开发应用高效率、大容量、远距离的特高压输电技术。我国从2004年底进行了特高压交流输电、特高压直流输电技术的研究，掌握了过电压抑制、外绝缘配置、电磁环境控制等关键技术，研制出变压器、开关、串补装置，以及换流变、换流阀、平波电抗器和直流控制保护等核心设备[1-2]。支柱绝缘子是这些核心设备中的重要组成部分，其主要由两端金属法兰、芯体及硅橡胶伞裙组成，如图1所示。因此支柱绝缘子的稳定、可靠性将直接影响着这些核心设备。

图1 支柱绝缘子示意图

目前，变电站中支柱绝缘子主要由陶瓷、复合材料/硅橡胶等材料组成。随着输送电压等级的提高，由于复合材料/硅橡胶制品具有强度高、质量轻、耐腐蚀、耐热性能好、绝缘性好等优良的综合性能，其应用范围及比重也越来越大。同时，由于复合支柱绝缘子芯体存在硬度高，加工余量大，精度要求高，切削时产品表面易烧蚀，刀具磨损较快等问题。为此，针对其材料的特性选择适当的加工方法及刀具，以解决复合支柱绝缘子芯体加工的问题。

1 复合支柱绝缘子芯体的特性

复合支柱绝缘子芯体主要是通过卷绕单向玻璃纤维布高温真空浸渍环氧树脂、再固化成型的柱体。表1列出了芯体的主要性能指标及影响加工性能的相关项目。

表1 绝缘子芯体主要性能指标

2 芯体的加工工艺

车削加工是芯体加工的主要工序，包括粗车、精车和切槽，因此对加工刀具及切削参数的选择显得尤为重要。根据前期的研究及实际生产证明，刀具选用YG3X综合经济效益较优。由于预制的芯体外径加工余量大、不规则，所以粗车采用双刀切削（见图2），以此降低车削次数，提高加工效率。图3为刀具的几何角度图，为提升刀具的耐磨性及芯体的表层质量，表2列出了芯体车削加工刀具刃磨时的参数。

表2 芯体车削刀具选取参数表

图2 芯体粗加工双刀示意

图3 刀具几何角度

如图4为其中一种芯体，对于复合材料芯体而言，其尺寸公差、形位公差及表观光洁度要求较高，为提高芯体的加工效率且满足高精度、优异的表层质量，也对切削速度、进给量、切削深度进行了系统的研究与实践，表3与表4分别列出了不同直径芯体的粗、精加工主要参数选取[3]。

表3 芯体粗加工设备参数选择（芯体长度取1.5m～3.2m）

表4 芯体精加工设备参数选择（芯体长度取1.5m～3.2m）

图4 芯体加工示意图

研究及实际生产表明，刀具及切削参数的选择对芯体质量影响明显，通过分析可知切削力及切削热是导致加工缺陷产生的主要原因。当加工刀具的刃磨、切削参数的选择不恰当时，芯体表观粗糙且刀纹明显，材料发生分层现象，材料表面形成撕裂缺陷，未被切断的纤维形成毛刺缺陷。另外，加工过程中产生的切削热较高时，将导致复合材料层间强度急速降低，芯体的表面出现发黄、烧伤现象。表5列出了不同直径、不同参数选择时加工出的芯体表观状态，也将直接影响加工精度[4-5]。

表5 不同参数下芯体表观状态

通过表5中的图片显示可知，在较大前角，较大后角，较小副偏角，走刀量较小的情况下芯体加工后的表面状态最好。由于芯体外表的粗糙度除影响产品的表观质量，还严重影响其加工精度的控制，图5也列出了粗糙度与走刀量的影响曲线。

图5 走刀量与表面粗糙度关系

3 芯体的试样加工

由于支柱绝缘子在特高压设备中的重要性，芯体为其重要组成部分，为确保芯体质量的可靠性，需要在每件或每批次产品两端取样，做电性能测试；其中试样的加工方法及状态，将直接影响测试结果。经研究及实践表明，采用焊接、电镀金刚石颗粒的盘踞或带锯，颗粒的粒度选取46#（315μm～400μm），且刀具上有齿状凸起部分，再在切削的过程中加水冷却，加工出来的试片表面光洁度较高，试片本体损伤较小，表面粗糙度能高达1.6μm，大大提升了试片的质量。

4 结语

芯体是支柱绝缘子的主承载结构，特高压领域用的复合支柱绝缘子，由于其绝缘要求和承载要求均很高，因此高刚度大直径芯体设计、成型与加工技术是复合支柱绝缘子的关键技术之一。

复合支柱绝缘子的芯体为玻璃纤维增强塑料，又由于其精度及表层的高要求，不能按传统加工金属材料的方法去实施，应合理地选择刀具材质、参数及确定切削参数。经过长期的研究及生产实践，归纳出了复合绝缘芯体加工刀具的刃磨参数、切削参数的选择，最终实现了减少刀具的磨损，降低了加工成本，提高了加工效率，提升了产品、试样质量的目的。