模型转轮上冠及泄水锥流道曲面整体加工方法

乔 鹏 任鹏远

哈尔滨电机厂有限责任公司 黑龙江 哈尔滨150040

引言

在水轮机研发过程中,水轮机水力模型试验是水轮机性能研究、设计制造及运行的重要手段,以往模型转轮的加工方法为上冠、联轴法兰、泄水锥全部为单件加工至图纸要求,再由钳工进行装配,这种加工方法存在三点弊端:1上冠与联轴法兰为间隙配合,由于存在装配误差,导致上冠流道曲面与联轴法兰内孔之间存在不同轴现象;2上冠单件加工时受夹紧力影响会产生微量的变形,影响上冠流道曲面的加工精度与形位公差;3上冠与泄水锥单件加工时受到尺寸公差带、装夹变形以及加工刀具刀尖圆角影响,装配后的流道表面连接光顺难以保证,需要钳工进行手工修顺,不仅影响工件的形位精度与尺寸公差,还降低了工作效率与产品外观质量。因此研发新的模型转轮上冠及泄水锥流道曲面整体加工方法迫在眉睫。

1 模型转轮结构介绍

模型转轮作为水轮机最为核心的部件,由上冠、泄水锥、联轴法兰、叶片和下环组装而成。本文重点介绍上冠、泄水锥和联轴法兰三个部分的加工方法。以往这几个件的加工方法为数控车床把全部尺寸精车到位,然后通过铣床进行相关的铣槽和钻孔加工,各个部位全部加工到最终尺寸,然后上冠与联轴法兰通过止口定位和螺钉把合的方式组装一起,泄水锥也是通过连接螺钉与上冠把合组装到一起。采用该工艺方法一直存在缺点,由于模型转轮精度要求高同轴度0.01 mm 以内,由于加工时各个工件存在偏差,并且采用组装的方法存在安装间隙无法消除,所以会造成上冠与泄水锥的结合面存在错牙,并且上冠、泄水锥和联轴法兰三者之间的同轴度偏差较大,虽然后序通过手工打磨消除了错牙,但是流道光顺性被破坏,并且同轴度超差不利于后序叶片的组装和加工,可能会影响水利试验结果,因此对模型转轮各个部件的装配过程进行分析,发现上冠、联轴法兰和泄水锥三部分可以尝试组装到一起后进行精车,这样就能解决存在错牙和同轴度差的问题,因此我们下面提出一种新的加工方法并且设计新式的工装工具。

2 模型转轮上冠及泄水锥流道曲面整体加工分析

经过对以往的实际经验进行分析总结,发现问题主要是同轴度差、错牙和加工变形,针对以上难点我们进行具体分析研究提出解决方案,新的工艺思路为取消单件精加工后组装,采用组装后进行整体精加工,具体方法为模型转轮上冠与泄水锥部件除流道表面预留加工余量外,其余按图纸要求加工到位。将上冠、联轴法兰、泄水锥连同涨套一起安装到芯轴上如图1所示,已内孔为基准对流道表面进行整体精车加工,同时为了保证内控的重复定位精度设计了一套芯轴和涨套组合的工装结构。具体工艺技术方案如下:

2.1 上冠加工:上冠单件加工时流道曲面预留2 mm 加工余量;

2.2 泄水锥加工:泄水锥单件加工时流道曲面预留2 mm 加工余量;

2.3 涨套加工:加工芯轴涨套,保证涨套外圆与内孔锥面同轴度≤0.005 mm,外圆与端面垂直度≤0.005 mm;

2.4 芯轴加工:将芯轴装夹至数控卧车卡盘上,加工芯轴锥面,保证芯轴与数控卧车卡盘旋转中心同轴,同轴度必须保证≤0.005 mm;

2.5 把合上冠与联轴法兰:将上冠与联轴法兰进行装配,通过螺钉把合固定;

2.6 将上冠与联轴法兰通过涨套固定在芯轴上:将涨套安装到联轴法兰中,并将已经把合固定的上冠和联轴法兰以及涨套安装到芯轴上,通过上冠连接螺栓固定;

2.7 将泄水锥安装到上冠上:将泄水锥安装到上冠上,通过垫圈、连接螺栓将泄水锥把合固定到上冠上;

图1 整体加工工装示意图

3 技术效果

以往采用的加工方法存在的装配误差、装夹变形,同轴度差等技术缺陷,新的工艺方法是先将上冠和泄水锥流道曲面部分预留加工余量,再将上冠与联轴法兰进行把合装配后,通过芯轴轴套将上冠与联轴法兰整体把合固定在芯轴上,最后将泄水锥把合固定在上冠上,对上冠与泄水锥流道曲面进行整体加工的方法。新设计的工装芯轴和涨套结构经过多次实际检验,重复定位精度0.01 mm 以内,该工装不仅保证了新的技术方法成功应用,同时为后序叶片组装后的精车提供保障,在精车时重复使用该套工装,极大地保证了转轮最终的尺寸和形位公差精度。新的技术方法解决了上冠与联轴法兰间、上冠与泄水锥间由于装配误差带来的不同轴和结合面错牙现象,还解决了上冠单件加工时受装夹变形影响无法保障加工精度的问题,保证了上冠与泄水锥衔接尺寸的一致性,使得流道更加光顺,且操作简单、效果显著。新的加工方法最大限度消除了上冠与泄水锥流道面衔接不光顺的问题,取消了手工修磨操作,避免了手工修磨的不确定性,提高了产品质量。

4 结论

随着设计水平的不断进步,工艺技术也要不断提高,才能更好地实现设计理念让产品更加真实的反应设计水平,同时工艺技术不断进步才能推动制造业不断发展,才能满足新时代对产品质量更高的要求。本文介绍的技术方法适用于混流式、可逆式模型转轮上冠与泄水锥过流面加工及轴流式水轮机模型转轮转轮体与泄水锥过流曲面的加工,经过不断地多次实践加工检验,该技术方案完全解决了以往发现的问题,并且经过不断完善改进,技术方案已经非常成熟,易于推广、通用性强。该工艺方法大幅提升了加工精度和流道光洁度,间接提高了水力试验性能,增强我公司今后同台对比项目竞争力。