超精度加工在汽轮发电机制造中的应用

王子维

摘 要：通过介绍现阶段汽轮发电机生产技术及工艺方法的特点，强调精加工及超精加工在未来生产中对于制造业在同行业竞争的重要性，通过对机床结构、刀具磨具选择及非标设备的制造等方面给予解决方法，分析常规产品在生产中出现的加工精度所引发的问题，通过介绍超精加工的基础理论，最终应用其溶入到工艺方法中加以解决。对超精加工在现在以及未来生产活动中如何合理的运用做了简单的概括。

关键词：超精密加工；汽轮发电机；制造；应用

我国的制造业已进入了高速发展阶段，在汽轮发电机制造领域，随着业主对产品的要求不断提高，国外制造业巨头的争相涌入，使用精加工及超精加工从而大幅度地提高我国汽轮发电机各项使用性能显得尤为重要。在此期间，先进的设备，人才的培养是不可或缺的，但我们也要掌握正确的工艺方法，使之灵活运用于日常的生产活动中。

从宏观上来看，汽轮发电机的工艺特点如下：

（1）汽轮发电机的生产模式是单件的、小批量的。即便是在一些大型的发电机生产基地受设备及场地所限也很难做到两台或者两台以上的同型号汽轮发电机同时投产。

（2）大型零部件的生产通常是单件的，但定子绕组是批量生产的，多种型号的绕组生产过程可以连续不断的。此外，定子铁心扇形冲片、转子槽楔和风扇叶片等的生产批量也是较大的。

（3）汽轮发电机的试生产环节在实际制造过程中是没有的。首先新机型是直接发往电站进行调试运行的；其设计与工艺文件的整合是在发电机生产一线的车间中完成的。样机必须在试验台经过仔细试验，这是因为在下一台电机投产之前还不可能得到样机运行的结果。

（4）零部件制造的工艺过程是根据工序集中的原则安排的，这完全符合重型电机制造的特点。大而复杂的零件放置、找正和固定的辅助工时占发电机制造总工时的大部分。零部件制造所用的设备，除大型通用机床和可移动的机床外，还需要较大的非标准设备。某些零件（如定子铁心压指）以尽可能多的数量同时在机床的工作台上进行加工，使其尺寸达到完全互换。许多部件（如轴瓦、轴承座、等）的工艺特点是以组装的形式进行最后机械加工的。

结合以上汽轮发电机在生产环节中的特点，可见其产品对于在机加中精度要求的一次通过率较高，它不会给我们二次加工的机会，故加工精度成为良品、精品的重要标志性参数之一，精加工及超精加工在未来的生产中有着不可替代的作用。

以汽轮发电机中转子轴加工为例，转轴的材质是由造价较高的合金钢经过热处理工艺锻制而成的，其在加工中切削量非常大，转轴本体中的所有的下线槽都必须在大型的转子铣上完成加工工序，由于这些工序可直接影响转子的品质，对后续的转子下线及动平衡试验起着决定性因素，所以这对于转子铣的精度提出了较高的要求。由于汽轮发电机转轴长度一般在10m以上，所以在生产中装卡成为生产难题，好的装卡方式可以使转轴在加工中相对保持稳定，在一定程度上保证了各项尺寸的位置精度。但好的装卡方式往往需要与之配套使用的非标设备，这对于硬件的要求较高，往往难以满足。而转轴加工过程中的切削量是较大的，即使在良好的装卡情况下依然可能出现转轴端部的摆动情况，这直接造成了轴颈及联轴器止口、外圆的跳动超差，甚至是尺寸不符。

对于这种现象，机床的加工精度是重要因素但超精加工工艺方法及精密检测也可以起到良好的辅助作用。例如现阶段较为先进的数控复眼加工技术，由多个视角对加工工件进行尺寸确认后再进行加工，最大限度的保证了工件的各项名义尺寸及相关公差的要求，以及超声刀架的应用在黑色金属切削中表现尤为突出。

欧美90年代的转子轴加工图纸中就已经出现了公差在0.013mm的技术要求，而就我国的基本国情，能到达此种加工精度的大型机床可能还无法推广至整个制造业领域，这就要求我们需掌握较为先进的工艺方法及检测方法来弥补硬件上的不足。

加工方法大致在转轴加工中大致分为精车及精磨，精车现阶段车间中使用较为广泛的是快速侍服车削，但此种方法往往会造成转轴端部较大震动，所以在今后的发展趋势中慢速侍服切削必将得到加强。而在此期间机加中普遍存在的问题也需要得到重视，如：切削形成与断裂、切削瘤、频振、弹塑现象、刀具磨损、残余应力、切削热等等。

为了更好的控制以上因素，应在检测手段上符合精加工的部分特性，在加工中机床部件与机床整机、机床运动应得到相应检测。加工后零件的检测与标定也可作为辅助参考。特别值得关注的是我们针对机床的检测中往往总容易忽视运行中的在位线测量。这对于动态加工的精度掌握往往不能起到良好的导向作用。

转子轴车序的加工工序往往会安排在350t以上的重型数控卧车上进行，而大型机床的装卡工作尤为重要。

为此一般在加工600MW～1000MW汽轮发电机转轴时需配制与350t重型数控卧车万向节成套使用的转轴精车工具，350t重卧中心架配套使用的静压支撑瓦和普通乌金头等一批专用工具。

对于支撑工具的使用我们应谨慎对待，因为支撑的静态设计往往非常关键，油膜或者汽膜的变化对于精度加工影响较大，所以目前汽（轮发电机转轴车序加工常规工艺方法为万向节-双托架支撑方式，即由万向联轴节传递力矩，在转轴汽、励端轴颈或挡油台等部位采用中心架支撑的方式，采用这种加工工艺能很好地解决由于机床自身传动机构（机械部件）间隙等因素对加工精度带来的负面影响。

百万级汽轮发电机转轴轴承跨距约为13130mm，六十万级汽轮发电机转轴轴承跨距为10061.2mm，本体部分外圆直径为1270mm，故其静挠度较600MW汽轮发电机转轴更大。由于百万级汽轮发电机的上述特点，继续保证机械加工的尺寸和形位公差变得更加困难。百万级汽轮发电机转轴励结构较为细长脆弱，在加工过程中受其自身挠度影响，尺寸和形位公差均很难保证。特别考虑到装配完成后，集电环和集电环风扇热套至轴上，受部件自身重量的影响，加工集电环和集电环风扇外圆部位时难度将会更大。针对此种显现，在百万级汽轮发电机转轴车序加工中引入第三支撑的概念。三点支撑，以尽可能减小转轴挠度对机械加工所带来的不利影响。按转轴励端段尺寸制造专用中心架，并为中心架配备了与350t重型数控卧车导轨接口相配的专用方箱。在车削加工时，将专用中心架及支撑在励端段适当位置，以满足接下来的车削任务。

合理的工艺方法可以改善加工效果，却不能从根本上解决精度问题，加工工具的选择与使用也非常关键。当代制造业精加工已经进入nm时代，如何更加合理的提高加工精度成为提升产品质量的重要因素之一。加工工具主要是指刀具、磨具及刃磨技术。以用金刚石刀具精密切削为例，金刚石刀具的精密刃磨，其刃口钝圆半径应达到2～4nm，同时应解决其检测方法，刃口钝圆半径与切削厚度关系密切，若切削的厚度欲达到10nm，则刃口钝圆半径应为2nm。

再以磨具为例，磨具当前主要采用金刚石微粉砂轮超精密磨削，这种砂轮有磨料粒度、粘接剂、修整等问题，通常，采用粒度为W20～W0.5的微粉金刚石，粘接剂采用树脂、铜、纤维铸铁等，利用细粒度的磨粒和微粉对黑色金属，硬催材料进行加工，可得到较高加工精度及较低的表面粗糙度。

超精加工技术在汽轮发电机制造中的利用，从某种程度上证明了我国制造业的进步，相信在未来会有很多制造行业引入此种加工技术，例如航天、航空工业中，人造卫星、航天飞机、民用客机等，在制造中都有大量的精密和超精密加工的需求，如人造卫星用的姿态轴承和遥测部件对观测性能。此技术的长足进步无论是对于民用产品，亦或是对于国防科技而言都极为重要，相信我们技术人员在自己的业务范围内勤于思考，善于总结在此种理论的基础上开发出一套适用于本国国情的技术理论，提高我们的产品质量，最大限度的占有世界市场，中国之崛起将不日而达。