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[摘要]在水轮机组中，各种型号上的主轴是最关键的部件，其加工误差及尺寸精度历来是水轮机加工中一个难题，特别是大型内法兰结构的主轴加工，难度大，形位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。
[关键词] 水轮机 主轴 加工工艺 加工难点
中图分类号：TK730.6文献标识码：A 文章编号：
引言
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機重量，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。本文以大型内法兰结构的主轴为例，论述了主轴的加工工艺。
1.主轴的机械加工工艺新技术
1.1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ASTM A668 CLASSE Level B煅造而成，轴身采用抗撕裂钢板S355J2G3-Z35 卷焊制成。目前三峡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-Φ4500 mm，最大加工工件长度18000 mm，机床主轴中心孔的同轴度为0.007 mm，是加工大型机组主轴最好性能车床。法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。
1.2主轴内孔的加工
中空结构的大型主轴内孔加工的难点在于：主轴内孔加工是深孔加工，刀具切削金属运动时是连续切削运动和断续切削运动的混合运动。内孔加工的关键问题是工具的选择，即深孔刀杆、支撑架及其工装夹具的制造加工。深孔刀杆及其工装夹具包括：刀座、刀杆、小刀架、上压盖、支撑架等部件，其中，刀杆加工解决了刀杆的挠度、刚度及刀杆的偏心等问题。针对大型主轴具体尺寸，配置专用的液压乌金托瓦，双架子支撑，不再进行配制堵板、修车架子口的工作，中心架支撑点夹角小于180°，且各自与铅垂线的夹角小于90°，溜板可一次通过工件的全部长度，加工轴身无需调头，不存在二次装夹找正，保证跳动的精度。支撑架的制造加工充分考虑了支撑架与刀杆具有相对旋转运动；支撑架与刀杆具有相对直线运动；支撑架与主轴内孔具有的相对运动。
1.3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。
1.4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，并用联轴螺栓进行联接，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。
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。
2.1由于机床精度已在安装时限制，无法消除机床本身的误差。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。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。
2.2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。
2.3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。
2.4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進行抛光至尺寸上限（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。
3.结束语
水轮机主轴加工技术充分体现了高效、精确和规范等特性，主轴加工水平的提高使水轮机整体质量上了一个新台阶，大大增强了产品的竞争力。
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
[关键词] 水轮机 主轴 加工工艺 加工难点
中图分类号：TK730.6文献标识码：A 文章编号：
引言
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機重量，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。本文以大型内法兰结构的主轴为例，论述了主轴的加工工艺。
1.主轴的机械加工工艺新技术
1.1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ASTM A668 CLASSE Level B煅造而成，轴身采用抗撕裂钢板S355J2G3-Z35 卷焊制成。目前三峡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-Φ4500 mm，最大加工工件长度18000 mm，机床主轴中心孔的同轴度为0.007 mm，是加工大型机组主轴最好性能车床。法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。
1.2主轴内孔的加工
中空结构的大型主轴内孔加工的难点在于：主轴内孔加工是深孔加工，刀具切削金属运动时是连续切削运动和断续切削运动的混合运动。内孔加工的关键问题是工具的选择，即深孔刀杆、支撑架及其工装夹具的制造加工。深孔刀杆及其工装夹具包括：刀座、刀杆、小刀架、上压盖、支撑架等部件，其中，刀杆加工解决了刀杆的挠度、刚度及刀杆的偏心等问题。针对大型主轴具体尺寸，配置专用的液压乌金托瓦，双架子支撑，不再进行配制堵板、修车架子口的工作，中心架支撑点夹角小于180°，且各自与铅垂线的夹角小于90°，溜板可一次通过工件的全部长度，加工轴身无需调头，不存在二次装夹找正，保证跳动的精度。支撑架的制造加工充分考虑了支撑架与刀杆具有相对旋转运动；支撑架与刀杆具有相对直线运动；支撑架与主轴内孔具有的相对运动。
1.3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。
1.4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，并用联轴螺栓进行联接，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。
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。
2.1由于机床精度已在安装时限制，无法消除机床本身的误差。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。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。
2.2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。
2.3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。
2.4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進行抛光至尺寸上限（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。
3.结束语
水轮机主轴加工技术充分体现了高效、精确和规范等特性，主轴加工水平的提高使水轮机整体质量上了一个新台阶，大大增强了产品的竞争力。
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