高精度中心架底座箱體孔系精度分析與控制

陳金花 楊 鳴 陳國(guó)琤 陸成虹 王志濱 邵 鵬

（杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江杭州310022）

隨著我公司生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高參數(shù)、大功率汽輪機(jī)機(jī)組日益增多，公司現(xiàn)有的機(jī)床設(shè)備已不能滿足生產(chǎn)需要。特別是質(zhì)量超過(guò)10 t的轉(zhuǎn)子，由于質(zhì)量大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，前后軸頸跳動(dòng)量要求在0.006 mm內(nèi)，采用一夾一頂（一端用車(chē)床卡盤(pán)夾緊，一端用頂針頂緊）或一夾一托（一端用車(chē)床卡盤(pán)夾緊，一端用中心架托?。┑膫鹘y(tǒng)工藝方式很難保證，因此采用了新的轉(zhuǎn)子加工工藝“一聯(lián)雙托”（一端用萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，再用兩個(gè)中心架托?。┓椒?。公司能采用此新工藝方法加工大型轉(zhuǎn)子的機(jī)床有青海車(chē)銑中心。而要想實(shí)現(xiàn)“一聯(lián)雙托”的加工工藝，具有滿足該工藝方案要求的液壓支撐系統(tǒng)是一個(gè)重要前提。該液壓支撐系統(tǒng)包括液壓泵站和可變軸徑的靜壓中心架。但青海車(chē)銑中心沒(méi)有單獨(dú)的液壓泵站，沒(méi)有液壓中心架，也無(wú)法改造現(xiàn)有的中心架，因此需要重新設(shè)計(jì)制造可變軸徑的靜壓中心架。

可變軸徑的靜壓中心架要求能在重載荷下靈活調(diào)節(jié)，在加工轉(zhuǎn)子時(shí)又能鎖緊且保持足夠的剛性，因此該中心架包括支承機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)和底座箱體，其中底座箱體是與機(jī)床導(dǎo)軌相連，安裝著一些軸承、軸、齒輪等零部件的基礎(chǔ)零件，其把這些零部件連接成一個(gè)整體，并使這些零部件保證正確的相互位置，彼此能協(xié)調(diào)地工作。因此，箱體的加工精度，將直接影響中心架的裝配質(zhì)量，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的使用性能和壽命。對(duì)于底座箱體來(lái)說(shuō)，主要的加工要素是孔系和平面，而孔系的精度又是其中的關(guān)鍵，可能會(huì)影響箱體內(nèi)部零部件的裝配精度、工作精度、使用性能和使用壽命。因此，底座箱體的孔系精度需要一定的控制措施。

1 底座箱體中各孔系

孔系是指箱體上一系列有相互位置精度要求的內(nèi)孔的總和，孔系可分為交叉孔系、同軸孔系和平行孔系。在此中心架底座箱體中這3類(lèi)孔系均存在，如圖1、圖2所示，主支撐軸孔與大蝸桿的軸承孔、主支撐軸孔與兩個(gè)側(cè)支撐孔之間屬于交叉孔系，大蝸桿的兩軸承孔間屬于同軸孔系，而齒輪軸、蝸桿軸的軸承孔間屬于平行孔系。因此這些孔系之間同時(shí)存在著垂直度、同軸度、平行度、位置度等形位公差的要求，加工工藝性需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中就考慮和體現(xiàn)。

2 孔系精度及工藝性分析

為了便于主蝸輪副的安裝，底座箱體分成上下兩半，使用螺栓連接緊固，如圖1所示，這同時(shí)也給加工帶來(lái)了困難，尤其是對(duì)主支撐軸孔的加工。由于主支撐軸是支撐轉(zhuǎn)子的主要支點(diǎn)，精度要求非常高，分成上下兩半后對(duì)主支撐軸孔的同軸度和垂直度保證增加了很大的難度。同時(shí)主支撐軸的升降經(jīng)過(guò)了三級(jí)傳遞，傳遞過(guò)程中會(huì)將誤差累積，從而影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。因此設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮各孔系的精度，同時(shí)也要考慮加工和安裝精度，考慮加工工藝性。首先分析各孔所屬的孔系，然后確定各孔系及孔系之間的形位精度要求。

（1）交叉孔系

上半箱體中主支撐軸孔與兩側(cè)支撐軸孔之間屬于平面交叉孔系，如圖3所示，此3個(gè)孔安裝重要的支撐軸，而且三孔中心要交于一點(diǎn)，因此此3個(gè)孔的加工存在困難，但卻非常重要。下半箱體中的主支撐軸孔與大蝸桿的軸承孔、與齒輪軸的軸承孔之間屬于空間交叉孔系，如圖4所示。由于主支撐軸孔作為重要要素，其中心必須坐落在機(jī)床主軸的中心線上，因此在保證主支撐軸孔位置精度的前提下，其他與主支撐軸有配合關(guān)系的孔均需以主支撐軸孔的中心為基準(zhǔn)。另外如圖4所示主支撐軸孔靠近箱體右側(cè)，因此右側(cè)大蝸桿軸的軸承座孔精度對(duì)主軸的精度影響較大。先確定右側(cè)軸承座孔的位置精度，其余相關(guān)孔與右側(cè)軸承座孔存在位置度公差要求。小蝸桿軸的軸承座孔與蝸輪軸孔之間屬于交叉孔系。由于蝸輪連接的軸下端連著齒輪，此齒輪是與機(jī)床齒條嚙合，從而使得整個(gè)中心架可以沿著導(dǎo)軌平移。因此與主支撐軸孔沒(méi)有直接關(guān)系，只要以導(dǎo)軌面為基準(zhǔn)確定蝸輪軸孔位置精度，然后其他相關(guān)孔與此孔確定形位公差即可。

（2）同軸孔系

上下半箱體的主支撐軸孔間屬于同軸孔系，另外每一個(gè)軸所需放置的兩軸承座孔之間都屬于同軸孔系，在加工中需要保證各自的同軸度要求。

（3）平行孔系

一個(gè)同軸孔與另外相關(guān)的同軸孔之間屬于平行孔系，只要保證一組同軸孔中的一個(gè)孔與另一組同軸孔的其中一個(gè)孔平行即可。

（4）工藝孔

在圖2所示右側(cè)開(kāi)的工藝窗口屬于工藝孔，在加工、裝配中可以作為觀察孔，在對(duì)刀時(shí)和裝配時(shí)起到了非常重要的作用。

通過(guò)對(duì)各孔進(jìn)行孔系分類(lèi)后，分析各孔所安裝的零部件功能，抓主要矛盾，在保證重要孔的尺寸精度及形位精度的前提下，其他相關(guān)孔與重要孔之間建立形位公差要求，從而降低了加工和測(cè)量難度，保證了很好的工藝性。

3 孔系精度控制

由于要求加工后的轉(zhuǎn)子軸頸跳動(dòng)要求小于0.006 mm，因此在設(shè)計(jì)孔系的形位公差時(shí)按5級(jí)精度要求控制。根據(jù)此精度等級(jí)要求，再分析各孔所處的孔系和工藝性后，加工工藝和加工方法就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單、清晰，首先確定加工定位基準(zhǔn)，然后根據(jù)孔系的分布、重要性分析加工工藝。

3.1 孔系加工定位基準(zhǔn)選擇

選擇基準(zhǔn)主要是為最大限度地保證被加工零件的最終加工精度完全符合設(shè)計(jì)要求。箱體加工定位基準(zhǔn)的選擇，直接關(guān)系到箱體上平面與平面之間、孔與平面之間、孔與孔之間的尺寸精度和位置精度要求。在選擇基準(zhǔn)時(shí)，首先要遵守“基準(zhǔn)重合”和“基準(zhǔn)同一”的原則，考慮定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)能否重合，一旦選擇定位基準(zhǔn)后，盡量以同一基準(zhǔn)為基準(zhǔn)。在中心架底座箱體中，與機(jī)床兩導(dǎo)軌面接觸的兩平面為設(shè)計(jì)主基準(zhǔn)面，如基準(zhǔn)A;與導(dǎo)軌側(cè)面接觸的面為副基準(zhǔn)面，如基準(zhǔn)B。

3.2 重要孔系的加工精度控制

（1）同軸孔系加工:從圖3和圖4可知，主支撐軸孔是最重要的加工要素，由于孔系的加工將會(huì)被安排在鏜床上，因此在加工主支撐軸孔時(shí)，可先將上下半箱體合為一體，夾緊上半箱體定位，主、副基準(zhǔn)面A、B一刀落，通過(guò)鏜床主軸的平移找到主支撐軸孔的中心位置，先鏜準(zhǔn)下半箱體的主支撐軸孔，然后拆下下半箱體，上半箱體不動(dòng)，再鏜準(zhǔn)上半箱體主支撐軸孔。這樣既可避免改變裝夾帶來(lái)的位置誤差，又可避免鏜桿由于伸出太長(zhǎng)使得剛性變小，從而可很好地保證上下半箱體主支撐軸孔的同軸度要求。另外，下半底座箱體中大蝸桿軸的兩軸承孔加工，因?yàn)榇藘煽字g跨距大，又不能像主支撐軸孔那樣上下半箱體可以拆開(kāi)加工。針對(duì)這類(lèi)大間距同軸孔系，目前有的幾種加工方法:懸伸鏜削法、支承鏜削法和調(diào)頭鏜削法。前兩種方法由于鏜桿會(huì)伸出很長(zhǎng)，加工時(shí)刀桿容易產(chǎn)生振動(dòng)，難以保證加工精度和加工表面的質(zhì)量。因此建議采用調(diào)頭鏜削法，但調(diào)頭鏜削法存在調(diào)頭后的校正和誤差補(bǔ)償問(wèn)題。因此在加工中可先光出圖4所示的左側(cè)φ100 mm孔，旋轉(zhuǎn)180°，鏜軸通過(guò)右側(cè)φ160 mm底孔后伸入到左側(cè)剛光出的孔打表找中，然后退回加工右側(cè)φ160 mm，再旋轉(zhuǎn)180°，找中后加工左側(cè)孔。這樣就可避免加工時(shí)鏜桿懸伸長(zhǎng)使得刀桿振動(dòng)，保證同軸度要求。

（2）交叉孔系加工:交叉孔系中上半箱體的三孔較難加工，因?yàn)槿捉徊嬗谝稽c(diǎn)，此交叉點(diǎn)又在上半箱體與上蓋的中分面線上，同時(shí)又與3個(gè)支撐軸形成的虛擬圓的圓心重合。在分析了此孔系的位置特點(diǎn)和公差后，為了使加工時(shí)能準(zhǔn)確地找準(zhǔn)三孔的交叉點(diǎn)，需要借助假軸找正。實(shí)際加工時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)中工裝，如圖5、圖6所示，假軸的軸中心與箱體主支撐軸孔的中心對(duì)齊，上端的缺口槽槽底平面與上半箱體的上平面平齊，加工左右側(cè)支撐孔前打表對(duì)中豎軸中心。通過(guò)使用此對(duì)中工裝，可以準(zhǔn)確地找到此孔系中各孔的位置，可很好地控制孔系的形位公差，同時(shí)加工難度也大大降低。

其余的孔系加工相對(duì)比較簡(jiǎn)單，將不做一一闡述。從已加工完后的成品可知，各孔系的加工精度控制均較好。

4 結(jié)語(yǔ)

由于此中心架要求能承重15 t，同時(shí)要保證加工的轉(zhuǎn)子軸頸跳動(dòng)量在0.006 mm內(nèi)，因此此中心架從一開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員都非常重視其精度要求，同時(shí)也關(guān)注其加工工藝性。雖然還有一些不足之處，但也都在車(chē)間師傅們的指正并解決后得到了比較好的成品。從目前來(lái)說(shuō)，底座箱體的孔系加工還是比較成功的，裝配后各齒輪嚙合順暢，沒(méi)有遲滯也沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)然最后還是需要通過(guò)試驗(yàn)并一段時(shí)間的使用后才能發(fā)現(xiàn)此中心架的優(yōu)缺點(diǎn)。

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