復(fù)合支柱絕緣子芯體的加工研究

黃亞州

（北玻電力復(fù)合材料有限公司，山東 棗莊 277500）

0 引言

我國的能源資源需求存在遠(yuǎn)距離、逆向分布特性，東部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展促使電力能源消耗急劇增加，這就需要設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用高效率、大容量、遠(yuǎn)距離的特高壓輸電技術(shù)。我國從2004年底進(jìn)行了特高壓交流輸電、特高壓直流輸電技術(shù)的研究，掌握了過電壓抑制、外絕緣配置、電磁環(huán)境控制等關(guān)鍵技術(shù)，研制出變壓器、開關(guān)、串補(bǔ)裝置，以及換流變、換流閥、平波電抗器和直流控制保護(hù)等核心設(shè)備[1-2]。支柱絕緣子是這些核心設(shè)備中的重要組成部分，其主要由兩端金屬法蘭、芯體及硅橡膠傘裙組成，如圖1所示。因此支柱絕緣子的穩(wěn)定、可靠性將直接影響著這些核心設(shè)備。

圖1 支柱絕緣子示意圖

目前，變電站中支柱絕緣子主要由陶瓷、復(fù)合材料/硅橡膠等材料組成。隨著輸送電壓等級的提高，由于復(fù)合材料/硅橡膠制品具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐熱性能好、絕緣性好等優(yōu)良的綜合性能，其應(yīng)用范圍及比重也越來越大。同時，由于復(fù)合支柱絕緣子芯體存在硬度高，加工余量大，精度要求高，切削時產(chǎn)品表面易燒蝕，刀具磨損較快等問題。為此，針對其材料的特性選擇適當(dāng)?shù)募庸し椒暗毒撸越鉀Q復(fù)合支柱絕緣子芯體加工的問題。

1 復(fù)合支柱絕緣子芯體的特性

復(fù)合支柱絕緣子芯體主要是通過卷繞單向玻璃纖維布高溫真空浸漬環(huán)氧樹脂、再固化成型的柱體。表1列出了芯體的主要性能指標(biāo)及影響加工性能的相關(guān)項(xiàng)目。

表1 絕緣子芯體主要性能指標(biāo)

2 芯體的加工工藝

車削加工是芯體加工的主要工序，包括粗車、精車和切槽，因此對加工刀具及切削參數(shù)的選擇顯得尤為重要。根據(jù)前期的研究及實(shí)際生產(chǎn)證明，刀具選用YG3X綜合經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)。由于預(yù)制的芯體外徑加工余量大、不規(guī)則，所以粗車采用雙刀切削（見圖2），以此降低車削次數(shù)，提高加工效率。圖3為刀具的幾何角度圖，為提升刀具的耐磨性及芯體的表層質(zhì)量，表2列出了芯體車削加工刀具刃磨時的參數(shù)。

表2 芯體車削刀具選取參數(shù)表

圖2 芯體粗加工雙刀示意

圖3 刀具幾何角度

如圖4為其中一種芯體，對于復(fù)合材料芯體而言，其尺寸公差、形位公差及表觀光潔度要求較高，為提高芯體的加工效率且滿足高精度、優(yōu)異的表層質(zhì)量，也對切削速度、進(jìn)給量、切削深度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與實(shí)踐，表3與表4分別列出了不同直徑芯體的粗、精加工主要參數(shù)選取[3]。

表3 芯體粗加工設(shè)備參數(shù)選擇（芯體長度取1.5m～3.2m）

表4 芯體精加工設(shè)備參數(shù)選擇（芯體長度取1.5m～3.2m）

圖4 芯體加工示意圖

研究及實(shí)際生產(chǎn)表明，刀具及切削參數(shù)的選擇對芯體質(zhì)量影響明顯，通過分析可知切削力及切削熱是導(dǎo)致加工缺陷產(chǎn)生的主要原因。當(dāng)加工刀具的刃磨、切削參數(shù)的選擇不恰當(dāng)時，芯體表觀粗糙且刀紋明顯，材料發(fā)生分層現(xiàn)象，材料表面形成撕裂缺陷，未被切斷的纖維形成毛刺缺陷。另外，加工過程中產(chǎn)生的切削熱較高時，將導(dǎo)致復(fù)合材料層間強(qiáng)度急速降低，芯體的表面出現(xiàn)發(fā)黃、燒傷現(xiàn)象。表5列出了不同直徑、不同參數(shù)選擇時加工出的芯體表觀狀態(tài)，也將直接影響加工精度[4-5]。

表5 不同參數(shù)下芯體表觀狀態(tài)

通過表5中的圖片顯示可知，在較大前角，較大后角，較小副偏角，走刀量較小的情況下芯體加工后的表面狀態(tài)最好。由于芯體外表的粗糙度除影響產(chǎn)品的表觀質(zhì)量，還嚴(yán)重影響其加工精度的控制，圖5也列出了粗糙度與走刀量的影響曲線。

圖5 走刀量與表面粗糙度關(guān)系

3 芯體的試樣加工

由于支柱絕緣子在特高壓設(shè)備中的重要性，芯體為其重要組成部分，為確保芯體質(zhì)量的可靠性，需要在每件或每批次產(chǎn)品兩端取樣，做電性能測試；其中試樣的加工方法及狀態(tài)，將直接影響測試結(jié)果。經(jīng)研究及實(shí)踐表明，采用焊接、電鍍金剛石顆粒的盤踞或帶鋸，顆粒的粒度選取46#（315μm～400μm），且刀具上有齒狀凸起部分，再在切削的過程中加水冷卻，加工出來的試片表面光潔度較高，試片本體損傷較小，表面粗糙度能高達(dá)1.6μm，大大提升了試片的質(zhì)量。

4 結(jié)語

芯體是支柱絕緣子的主承載結(jié)構(gòu)，特高壓領(lǐng)域用的復(fù)合支柱絕緣子，由于其絕緣要求和承載要求均很高，因此高剛度大直徑芯體設(shè)計(jì)、成型與加工技術(shù)是復(fù)合支柱絕緣子的關(guān)鍵技術(shù)之一。

復(fù)合支柱絕緣子的芯體為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，又由于其精度及表層的高要求，不能按傳統(tǒng)加工金屬材料的方法去實(shí)施，應(yīng)合理地選擇刀具材質(zhì)、參數(shù)及確定切削參數(shù)。經(jīng)過長期的研究及生產(chǎn)實(shí)踐，歸納出了復(fù)合絕緣芯體加工刀具的刃磨參數(shù)、切削參數(shù)的選擇，最終實(shí)現(xiàn)了減少刀具的磨損，降低了加工成本，提高了加工效率，提升了產(chǎn)品、試樣質(zhì)量的目的。