水轮机主轴制造工艺及加工方法

水轮机主轴的加工难点及工艺分析
杭州杭发集团公司徐忠
摘要：目前我厂生产有混流式（立式，卧式），轴流定浆式等型号水轮机组，各种型号上的主轴是水轮机中最关键另件，其加工误差及尺寸精度历来是水轮机加工中一个难题，特别是定浆轴流式的主轴加工，难度大，行形公差及粗糙度等要求高。

必需采取一定工艺措效才能满足加工要求，本文针对我们在生产中遇到问题及解决方法进行论述（附图2例）。

关键词：水轮机主轴加工工艺滚压，刀具。

一、前言：
水轮机是将水流付出的水能转换转轮机械能，使转轮和主轴克服各种阻力而连续运转起来的机器，再由机械能通过发电机转子变为电能。

大型水轮机为竖轴式，中小型水轮机可以是横轴式。

横轴水轮机主轴的一端由弹性联轴器连接，而另一端则靠法兰与键与转轮连接，大型竖轴的主轴通常在轴身两端制成两法兰，一端法兰与水轮的转轮固定，另一端法兰与发电机轴联接（横向再用圆柱销定牢）。

水轮机主轴要承受水轮机重量，水推力，轴承径向力，拉应力和扭应力，各只把合螺栓应受剪切力等组合作用力，因而主轴在水轮机中起到相当关键另件，它的材料通常采用35#，45#或20SiMn（锻造），其主轴的加工尺寸精度，粗糙度，形位公差等要求较高。

二、正文：
1，本文以轴流定式水轮机主轴为例（竖轴，如图1示），浅淡主轴的加工工艺，该主轴材料为锻钢45#（实心轴），主轴一端法兰面与转轮连接，主轴另一端法兰面与发电机轴连接，两端都采用凹凸止口定位，并用连轴
螺栓进行联接，然后用横圆柱销将各体定位牢。

主轴与转轮，主轴与发电机轴都靠法兰面连接面产生摩擦力传递扭矩。

主轴的加工，其尺寸精度要求高，与一般主轴的区别为：两端法兰外侧面，内外止口，法兰外圆相对于轴身水导轴承档跳动必须保证在0.02mm以内，且法兰直径公差在0.02mm以内（包括作好主轴的两端中心，其两端中心孔必需做得非常准确，作车削与安装基准用）。

2，加工工艺分析：主轴的加工难度由两方面原因造成，一是由于主轴的形位公差过小，二是由于它本身的结构特殊，从结构上看，主由毛坯由于是45#锻造实心轴，而且水导轴承档内腔要加工成30X180端面槽，难度大，轴承档外园均布8-Ф13导油孔势必造成加工过程中的断续切削力，并影响工件的表面质量，从材料上看，试棒实测力学性能硬度偏高，这些都将对切削加工构成影响。

为解决上述难点，需以加工条件和工艺方法两方面入手，加工基本条件包括机床精度，刀具选择和切削参数。

1）由于机床精度已在安装时限制，无法消除机床本身的误差（如机床振动，尾部顶尖误差）。

i.刀具选择：刀具选择抗冲击，耐磨性好，可减小因轴承档导油
孔存在而造成的断续切削和冲击力产生的不利影响，减少切屑
瘤带来的不利因素。

在轴身和法兰面加工中分别采用YT15焊
接刀具，和WNMG4225刀片，效果良好。

但在加工轴承档内
腔时，由于宽度小，长度长，一般割刀难以达到加工要求,为此
把刀杆设计成如图2示
在加工过程中刀子伸出较长，刚性差，且平面槽又不利于排屑的
顺畅，虽然工件有中心架来增强刚性。

但用YT刀还是容易引起
振动和崩刀，因此我把白钢刀磨成左，中，右三把切槽刀镶焊在
刀杆上,轮流车削，顺利完成轴承档端面槽的加工。

2）切削参数选择恰当，避开形成切屑瘤的切削速度，最后一刀的切速，切深，进刀量二者匹配关系。

3）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（这样消除了机床精度的影响，特别是尾座顶尖误差,使之主轴的各项跳动均达到要求。

）
4）滚压参数：
V = 80 ∽ 120米/分
滚压余量0.01 ∽0.015 mm
滚压前粗糙度为Ra3.2 ∽ Ra1.6 滚压后达到粗糙度为Ra0.8 走刀量: 粗压为0.5 ∽ 0.6毫米/转
精压为为0.2 ∽ 0.3毫米/转
注: 以滚压1 ∽ 2为宜。

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），再采用刀量为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。

三、结论
经测量表明，此主轴所有的形位公差，尺寸公差都达到设计要求与发
电机把合找摆度也符合设计要求。

四、结束语
经过几年的生产实践和接触，使我了解了水轮机的构造特别是在一些主轴，发电机轴对加工工艺上有了自己的一些经验和技术水平。

参考文献：
1）«水轮机理论与结构»浙江机电职业学院
2）«水机设计手册»哈尔滨大电机研究所编
3）«机械制造月刊»。