大型薄壁件―转轮室精加工分析

【摘 要】在大型薄壁件-转轮室的加工中，有很多因素影响工件的最终加工质量。本文通过清远等电站转轮室车加工的过程跟踪，对各类影响因素进行分析，找出了影响工件质量的关键因素，并依此采取相应的措施，减少其对加工精度的不利影响，使得加工出来的产品能满足零件精度的要求，同时提供了一种加工大型薄壁件同类产品的通用方法。

【关键词】加工精度；影响因素；受力分析；措施方法

0 引言

转轮室是贯流式水轮发电机组中重要的结构件之一，它通常是由两种材质（碳钢和不锈钢）的钢板分成两瓣组装焊接而成，其内壁为过流面，多由球面、弧面、锥面和柱面组成的复杂曲面（见图1），须经数控立车加工成型；一般为分瓣结构，每瓣通常为180°，通过法兰面相对用螺栓把合在一起形成一整体。转轮室一般尺寸大，壁薄、刚度差、易变形，内腔的加工精度要求高。以往加工大型薄壁件的经验是在加工的过程中小进给、小切深、低转速，并且反复的释放应力。这样虽然能保证零件的精度要求，但却大大地增加了大型机床的占用时间，提高了制造成本，而且制造周期长，不能满足生产的需要。那么，怎样的加工过程既能满足工件的加工精度要求，又能减少占用大型数控车床的时间，缩短制造周期呢？本文通过对影响工件加工精度的各种因素进行分析，找出影响工件质量的关键因素，并依此采取相应的措施，满足保证加工精度和提高生产效率的需要。

图1 转轮室加工图

1 影响转轮室加工精度的各方面因素

工艺系统中的各组成部分，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直接影响工件的加工精度。也就是说，在加工过程中工艺系统会产生各种误差，从而改变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系而影响零件的加工精度。这些误差与工艺系统本身的结构状态和切削过程有关，产生加工误差的主要因素包括：系统的几何误差、工艺系统的受力变形、工艺系统的热变形、工件残余应力引起的误差。

工艺系统的热变形的情况较为复杂，因加工转轮室，经常采用很低的转速、较小的切深和进给，较大的散热面积等，因此切削热对工件的加工精度的影响很小，本文不作详细的分析。

转轮室为焊接件在转入加工车间之前，进行了去应力退火，因此工件因焊接产生残余应力已基本消除，对工件的加工精度的影响较小，本文也不作详细的分析。

1.1 系统的几何误差

1.1.1 加工原理误差。在转轮室的加工过程中，因为采用数控立车进行加工，给出了关键点的坐标，包括：直线的端点，圆弧的起止点及半径。涉及的指令仅为G01和G02（或G03），因此不存在近似的刀具轮廓，也就不存在此类误差。

1.1.2 机床的几何误差。加工转轮室用的机床是双立柱数控立车，相关的几何精度为横梁两侧导轨的平行度、工作台的平面度、工作台的端面跳动，横梁相对于工作台的垂直度、垂直刀架在横梁上移动对工作台平行度、垂直刀架滑动相对于工作台的垂直度，各坐标轴的重复定位精度、反向间隙。机床的这些几何精度对于工件的加工精度影响很大，因此在加工工件之前要认真检查一下这些误差值是否在允许范围之内。

1.1.3 刀具的制造误差及磨损。转轮室精加工的刀具选用的是机夹式数控刀片，因些当刀具磨损时可马上更换，刀具的制造误差也很小，对工件的加工精度的影响很小。

1.1.4 夹具误差。在转轮室的加工中，使用的是通用夹具和定位元件。即将等高块放在工作台上，先车加工等高块平面，使其等高，将工件放于等高块上，在滑枕上安放百分表，在基准平面上打表找正，找好平面后，再通过调整工作台上的卡爪，用百分表打表找正内孔，每次装夹都重新找正，由于采用直接找正法找正、加工，因此定位误差、夹紧误差、夹具的安装误差都不存在。而对刀误差则与机床的重复定位精度有关，下面具体的分析一下对刀误差。

为了减少加工中的对刀误差，在加工内腔的过程中刀杆不更换，只更换刀片。当刀片磨损后，将刀杆沿径向退刀，更换刀片后再回到离开的位置。因使用数控机夹刀片，当磨损很小时就马上转角或更换，所以换刀产生的误差仅为机床的X轴的反向间隙，分厂八米立车反向间隙为0.01mm，因此对刀误差即为0.01mm.

1.2 工艺系统的受力变形

1.2.1 由于切削力着力点位置变化引起的工件形状误差

由于转轮室壁薄，尺寸大，刚性差，加工中刀杆的悬伸很长，其工件和刀具的变形大大超过机床、夹具的变形量。因此，机床和夹具的受力变形可以忽略不计，工艺系统的变形主要取决于工件和刀杆的变形，由工件的装夹方式可知，当加工工件的最上端时，工件的变形量最大，刀杆的变形量最小；当加工工件最下端刀杆处于最大悬伸时，工件的变形量小，刀杆的变形量最大。

首先，利用切削力计算的经验公式可计算工件所受的各个方向的切削力。

在进行清远转轮室精车加工过程中所使用的刀具及切削参数为：工件材质是1Cr18Ni9Ti，；车刀几何参数γ0=18°，kr=90°，rε=0.5mm；切削速度vc=1.83m/s，切削深度ap=1.0mm，进给量f=0.4mm/r。

根据经验公式计算三个切削分力为：

主切削力Fz=916N

切深抗力Fy=591.8N

进给抗力Fx=1119.66N

在上述三个分力的作用下，工件和刀具的受力变形情况为：

当刀杆处于最上端时，即加工工件最上端时，工件离装夹位置远，刚性较差，在切深抗力Fy的作用下变形量最大，而进给抗力Fx与工件轴线平行，跟工件的刚性关系不大，主切削力切于加工表面，主要取决于刀具强度及刀杆刚性，所以此时主切削力与进给抗力导致工件的变形量很小。

当刀杆的伸出长度为2500mm，即加工工件内腔中下部时，工件离装夹位置距离近，刚性较好，可是刀杆刚性较差，所以此时刀具在主切削力作用下变形大，但刀具沿主切削力方向的变形在进给切向，对于加工工件直径方向尺寸精度影响很小，因此虽然刀杆的位移相对较大，但并不是影响工件加工精度的敏感方向，而此时，由于刀杆伸长，刚性较差，在切深抗力的作用下导致工件直径方向出现“让刀现象”，这种让刀将直接影响工件在直径方向的尺寸精度，也就是说切深方向是工件变形的敏感方向。

综上所述，降低工件以及刀具在切深方向上的变形量，即减小切深抗力Fy或提高工件的刚性是提高工件加工精度的主要措施。

1.2.2 由惯性力引起的加工误差

切削加工中，高速旋转的零部件（包括夹具、工件和刀具）的不平衡将产生离心惯性力FQ，这个离心力在每一转中不断地改变着方向，因此，它在Y方向的分力有时和切削力方向相同，有时则相反，从而使工艺系统的受力变形也随之变换而产生加工误差。如图2所示，车削一个不平衡的工件，当离心力FQ与切削力FY方向相反时，将工件推向刀具，增加了实际切削深度（如图2-1）；当离心力FQ与切削力FY方向相同时，将工件推离刀具，减小了实际切削深度（如图2-2）

（2-1） （2-2）

图2 旋转体不平衡所引起的加工误差

如前所述，轮室通常是由两种材质（碳钢和不锈钢）的钢板分两瓣组装焊接而成，其内壁为过流面，多由球面、弧面、锥面和柱面组成的复杂曲面，往往会存在两瓣不对称的情况，故而存在不平衡重量，势必造成直径加工误差，也是影响转轮室加工加工精度的主要因素之一。

2 减少工艺系统几何误差及受力变形应采取的措施

根据前面的分析，若想减少工艺系统的受力变形，应从减少切削力在误差敏感方向的分力，即切深分力Fy的值；减少惯性力；提高工件的刚度三个主要方面入手。

2.1 刀具几何参数的选择

1）前角γ0对切削力的的影响如图3示。在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大，切屑易于从前刀面流出，切削变形小，从而使切削力下降，前角对切削力在三个方向的分力的影响趋势是相同的，因此加工中尽量采用大的前角的刀片。由于采用机夹可转位刀片进行加工，因此在挑选刀片的时候，应重点考虑刀片前角的大小，然而过大的前角又将导致耐用度下降，同时切削温度将增高，前角的选用范围宜在12°～20°之间。

图3 前角对切削力的影响

2）主偏角Kr对切削力的影响如图4示。主偏角对切深抗力Fy的影响较大。随着主偏角的增加进给抗力Fx增加，而切深抗力Fy减小。当Kr=90°，切深抗力Fp=0。在采用90°主偏角的车刀加工时，由于工件的内表面是内弧形，如果采用主偏角为90°正方形车刀加工时将产生过切现象，因此，加工中采用菱形的刀片，避免过切现象发生。

3）刃倾角λs对切削力的影响，如图5示为刃倾角对三个方向切削分力的影响。从图中可见，刃倾角对切深抗力影响较大，当λs从正值变为负值，切深抗力Fy将增加，进给抗力Fx将减小，主切削力不变。所以车削刚性较差的转轮室选择正的刃倾角，取值范围一般在0°～10°之间。

图4 主偏角对切削力的影响

图5 刃倾角对切削力的影响

4）刀尖圆弧对切削力的影响如图7示。刀尖圆弧半径大小将影响切削刃上的圆弧部分长度和影响平均主偏角。在切削深度ap，进给量f，主偏角Kr一定的情况下，增大刀尖圆弧半径，刀刃曲线部分长度增大，如图6示，切削刃平主偏角减小，使切屑断面形状中宽度增加，而厚度减小，从而使切削变形增加，所以切削力也增加，其中切深抗力明显增加，进给抗力降低，所以加工刚性较差的转轮室选择较小的刀尖圆弧半径，取值范围一般在0-0.5mm之间。

图6 刀尖圆弧半径增大时刀刃曲线部分长度增大

图7 刀尖圆弧对切削力的影响

综上所述，为了减小切深方向的切削力，所使用的刀具应具有大的前角（12°～20°之间。）、大的主偏角（90°）和大的刃倾角（0°～10°之间），较小的刀尖圆弧（小于0.5mm），这样就可以降低切削力，减少工件的变形，提高工件的加工精度。

2.2 切削用量的选择

切削深度和进给量对切削面积的影响相同，但对单位切削力的影响不同。切削深度增加时单位切削力不变，进给量增加时，单位切削力减小，当切削面积相等时，为了减少切削力，可以选择大的进给量（0.4-2mm），小的切削深度（0.5-1mm），这样既能够减小切削力的值，又能够提高切削的速度。

如图8示，切削速度对切削力的影响呈波浪形变化，切削速度小于50m/min的范围内，随着速度的增加，积屑瘤由小变大又变小，切削力则随之由大变小又变大。切削速度大于50/min时，随着切削速度的增大，切削力减小。这是因为切削速度增高后，摩擦系数减小，变形系数减小。另一方面，切削速度增加，切削温度也增高，使被加工材料的强度与硬度降低，也将导致切削力降低。因为转轮室为大型薄壁件，刚性差，加工中易变形，温度升高更易导致工件变形，加之装夹时不能采用较大的径向力，因此加工中的转速不能达到很高，一般在3-4r/min，切削速度应在60-80m/min之间。

图8 切削速度对切削力的影响

2.3 减小惯性力的措施

2.3.1 在工件不平衡对称点焊上平衡块，使工件达到静平衡。

2.3.2 装焊时、分半加工时，尽量保证两半对称。

2.4 提高工件刚性的措施

为了减小工件的变形，在同样的切削力的条件下，提高工件本身的刚性也可以达到同样的目的。提高工件的刚性的措施有：

2.4.1 粗加工时，在工件的内腔下部装焊工艺拉筋，加工工件内腔的上部，待上部加工完后，再在上部装焊工艺拉筋，割掉下部拉筋，将工件翻身，加工内腔未加工部位。但精加工时不允许带着拉筋加工。

2.4.2 在工件外壁上增加一些加强筋，尤其是沿轴线方向的加强筋可大大提高工件的刚性。

2.4.3 精加工前，在工件的下端法兰上预先钻加工4个把合孔，将螺栓穿在把合孔上，每两个螺栓上焊接一个拉筋，可增加工件的刚性，又不损伤精加工后的工件表面。

2.4.4 减少工件翻身次数，在精车加工一端面时车刻该端面上的各孔分度圆线，工件不翻身，整体上钻床进行孔加工后，再翻身加工另一端面。

3 结论

大型薄壁类零件广泛地应用于水电、风电等新能源领域，具有广阔的前景。随着大型数控立车的广泛应用使得加工此类产品的加工难点大大降低。本文通过对影响转轮室加工精度的各种因素进行分析，找到了影响加工精度的主要因素，并采取相应措施，保证了工件的加工精度，也提高了生产效率。

3.1 先调整机床的几何精度，它是加工出合格工件的前提。

3.2 使用的刀具应具有大的前角（12°～20°之间。）、较小的刀尖圆弧（小于等于0.5mm），安装在大的主偏角（90°）和大的刃倾角（0°～10°之间）的刀座上，以减小切深方向的切削力，减少工件的变形。

3.3 选用小的切削深度（0.5-1mm），大的进给量（0.4-2mm），大的切削速度（60-80m/min）。

3.4 装焊平衡块，减少工件的不平衡质量，降低惯性力对加工精度的影响。

3.5 在适当的地方装焊拉筋，提高工件自身的刚性。

【参考文献】

[1]陈日曜，主编.金属切削原理[M].

[2]顾崇衔，主编.机械制造工艺学[M].