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摘要：随着科学技术的进步发展，水轮机应用广泛，其中在水轮机组，主轴是转动部套的重要部件。本文凭以三峡水轮机主轴加工工艺为基础，主要介绍了大型水轮机主轴的结构特点、机械加工工艺技术及新工艺技术的应用，并对先进的工艺技术、先进的工艺装备做了较为详细的说明介绍。
关键词：水轮机；主轴；加工工艺；加工难点
引言
在水轮机机组中，主轴是机组的转动部件、也是最重要的部件之一，它的上端与发电机主轴、下端与水轮机转轮相连接。它不仅承受水力动载荷所引起的轴向应力和弯曲应力，还要承受工作状态的扭曲应力，主轴具有足够的强度，以保证在任何转速直至最大飞逸转速都能安全运转而没有有害的震动和变形。目前大型主轴采用锻焊接结构，并对制造中的难点进行了充分的分析、论证，通过主轴的成功制造，获得了宝贵的经验。以下主要介绍主轴的机械加工工艺新技术。
1水轮机简述
水轮机利用水流的动能和势能，通过主轴连接到发电机带动转子转动而发电，是水轮机产生电能的原动部件。转轮体与主轴靠联轴螺栓紧固，并由销子传递扭矩，其侧孔与叶片轴头部分的配合精度直接关系到轴系的同轴度和机组运行的稳定性、可靠性。
2主轴的机械加工工艺新技术
2.1主轴结构尺寸及加工特点
大型水轮机主轴通常采用的结构是中空结构，连接方式为内法兰结构。主轴为锻焊结构，法兰采用低合金钢ASTMA668CLASSELevelB煅造而成，轴身采用抗撕裂钢板S355J2G3-Z35卷焊制成。目前主轴的外径尺寸是所有水轮机中最大的，主轴长度为5960mm，毛坯件重量112吨，加工后最大直径Φ4000mm。
经过充分论证后，大型主轴需采用18M巨型数控卧车加工，该卧车除具有当今最先进的数控技术外，还配有大尺寸测量系统，内孔加工工具安装固定系统。其最大承重250吨，工件加工范围Φ600-Φ4500mm，最大加工工件长度18000mm，机床主轴中心孔的同轴度为0.007mm，是加工等大型机组主轴最好性能车床。发兰轴孔的加工在数控镗床，利用镗模加工。
主轴焊接整体后主要加工工艺过程。划检→粗镗→半精车→全面的UT探伤→精车→半精镗、精镗两端轴孔（包括按镗模加工）→铲磨→清理→涂漆。
2.2主轴内孔的加工
大型的水轮机设备的中空式结构形态中，要针对主轴的内控进行相应的加工和改造是非常困难的，问题就出现在其内孔的孔深度很大，因此就需要开展相应的深孔改造和加工工艺技术，而且更为关键是对于加工工具进行选用的问题，包括刀杆、刀架以及支撑部件等必需工具，这些工具种类较多，而且都对应着关键的加工程序和具体的实施环节，比如刀杆的作用就在于能够在加工中处理和应对挠度以及刚度等控制情况，如果在处理大型的主轴加工过程中，就要配备相应的液压式的乌金结构性质的托瓦，还要准备好支撑结构工具，要准确的分辨各种工具在加工过程中的相对运动关系，确保加工精度达到规定的设计标准。
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2.3主轴发兰轴孔的加工工艺
为便于主轴与转轮连接和拆卸及互换行性等要求，主轴与转轮连接通常为销钉螺杆连接，轴孔加工精度要求高，且与发电机轴采用法兰连接。
2.3.1层切技术（三维进刀法镗孔）的应用。通过对主轴轴孔及数控镗床情况的具体分析，对层切刀具加工能力的分析，改进轴孔加工工艺。粗加工轴孔时，机床走圆弧差补，采用层切刀加工。通过试验对比，采用刀片数为5的Φ100层切刀加工，其走刀速度为3000mm/分钟，机床主轴旋转速度为500转-600转/分钟，吃刀深度为1mm－1.5mm，虽然刀杆较长，孔较深，但镗杆稳定，排屑情况最好。单边留1mm-2mm余量精加工时，采用硬质合金的镗刀精加工。采用层切刀加工盲孔效果良好，避免了以往盲孔不易清根的现象。轴孔质量满足要求，提高效率3倍。
2.3.2与发电机大轴把合轴孔的加工工艺。传统工艺是水轮机轴与发电机轴把合在一起后，在卧车同找两轴摆度合格后，同加工定位把合孔。大型机组发电机轴和水轮机轴长度尺寸均较长，厂内进行两轴连接同找摆度和同钻铰联轴孔，操作困难，加工周期长，难度巨大，故工艺新技术采用工地装配同加工的工艺方法：即在安装间水轮机主轴立放，将主轴找正，合格后装发电机大轴，按两轴精加工园测尺找正，检测同轴度，确认合格后，同镗销孔。利用专业加工设备加工加工定位销孔。
2.4与发电机大轴把合轴孔的加工工艺在传统的加工流程中，先要把发电设备的轴把以及主轴组合起来以后，利用卧车的准确摆度达到规范的标准以后，再开展定位加工，在实际的操作中会发现无论是大型的水轮机设备还是发电机，它们的主轴长度的大小和尺寸都是很长的，那么在利用卧车进行定位校准和精准摆度的过程中就遇到很多问题和困难，影响到加工的精度和进度，而且加工的难度大大提升，因此在现阶段的加工操作中通常会采取一种新的技术方法，在工地现场进行装设配套并且再进行加工的模式，这样能够避免很多问题和麻烦，同时确保主轴加工的精度和效率满足生产设计的相关要求。
3加工工艺分析
主轴在加工制造的过程中人们发现其所设置的形位公差指标太小，主轴的结构很特别，具有其他部件不具有的特殊情况，这就给加工带来了更高的标准和难度，而且主轴所需要的原材料的材质也不利于进行加工操作。
3.1根据上述中的问题进行分析和研究，在使用的机床所表现出的加工精度受到限制的情况下，首先要解决误差问题，所选用的道具要坚固耐用，尽量消除外界不良因素的影响，注意切削作业中的冲击力得到良好的控制。
3.2加工工艺的合理性对保证主轴精度到关重要，如按常规加工工艺虽然也保证工件精度，但是修正顶针孔控制内止口跳动量比较费时。因此为了减小装夹误差，劈两端中心孔及半精车内止口后再精车转轮端法兰外舌平面及止口，然后校正主轴转轮端法兰，外圆及平面，控制跳动在0.01mm以内，再精车内止口及轴身各档尺寸。
3.3滚压参数：该主轴由于轴承档表面粗糙度要求低，因此必须采用滚压工具来保证工件表面的粗糙度，滚压工具是一种采用表面光滑的高硬度材质制成的滚压轮，利用此滚压工具，将工件表面材料处粗糙面上凸峰产生塑性流动，并填补到凹谷中，从而改变工件表面质量状况的精密加工方法，表面粗糙度与滚压力的关系为一曲线关系，且存在一个最佳滚压力当压力过小时工件表面塑性变形不够充分，使表面粗糙度不能显著降低，但是当滚压力超过某一数值继续平大时，过度的加工硬化作用会使工件表面产生起斑起皮现象，使表面粗糙度迅速增大，由于主轴总长为4034mm，刚性差，常规加工容易产生振动，影响主轴表面粗糙度。为此，在车削轴承档时，为了使工件在滚压前取得较低的表面粗糙度，在工件放适当余量后利用电动磨具对工件进行抛光至尺寸上限（即粗糙度达到Ra3.2以上），采用刀量为0.1mm线速度为40m/min进行滚压，解决了导油孔对压刀的冲击，避免损坏压刀，并保证了工件的质量。
结语
主轴的加工工艺得到了各种技术手段的丰富和强化，其技术水平代表了加工的精度和各种性能指标的需求，因此在水轮机的主轴制造和加工工作中，一定要注重其性能的稳定性和安全性，不断提升质量和品质，提高核心竞争能力。
参考文献
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论文作者:宋健,苏川
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/28
标签：主轴论文; 加工论文; 水轮机论文; 工件论文; 加工工艺论文; 表面论文; 发电机论文; 《建筑学研究前沿》2018年第32期论文;