李承承 吴顺波
(华能澜沧江水电股份有限公司漫湾水电厂 云南省 临沧市 675805）
摘要：水电站水轮发电机镜板承受整台机组轴向符合且与推力瓦进行摩擦,因此对平行度、平面度、光洁度要求高而镜板尺寸大，使用平面磨床加工困难。本文对水轮发电机镜板的机械加工工艺进行介绍。在立车上通过粗车→精车→砂带磨削→研磨、抛光的步骤使镜面的平面度、平行度以及表面粗糙度得到可靠保证；也对镜板在机组检修中的维护进行探讨。
关键字：镜板 加工 研磨抛光 维护
1 引言
镜板是水轮发电机组推力轴承的关键部件之一，机组运行中它与推力轴承瓦进行摩擦，并承受整台机组轴向负荷。镜板油膜厚度一般只有0.03～0.07mm，如果镜面有刮痕、高点、毛刺等缺陷，则可能破坏油膜及推力瓦面，甚至造成烧瓦事故；而镜面的平面度和表面粗糙度达不到要求，则轴承的承载能力下降，摩擦损耗增加，因此对镜板的材质、加工精度和表面粗糙度都有较高要求。镜板上、下两平面的平行度对安装时机组摆度的调整和运行稳定性有直接影响。因此，镜板的加工保证水轮发电机正常运行的关键技术。
图1 镜板示意图
2 镜板加工工艺
2.1 镜板的技术要求
镜板的上平面是通过螺栓孔和销孔与推力头把合的结合面，下平面是镜面（摩擦面），外侧圆柱面上有一至两对装设吊具用的螺孔。
镜板多采用45号锻钢，对材质的要求为：①机械性能和化学成分应符合GB/T 699－1999。②两平面的硬度值应为180～229HBW，镜面硬度差值不超过30HBW。
对镜板的机械加工要求有：①镜面平面度0.01mm（凹）；两面平行度0.04mm。②镜面表面粗糙度值Ra=0.2μm，与推力头结合面表面粗糙度值Ra=0.4μm。
2.2 镜板机械加工工艺分析
镜板对上、下两平面是镜板加工的主要表面对平行度、粗糙度、硬度等要求较高，，而镜面（摩擦面）的机械加工要求更是加工中的主要矛盾，因此在拟定镜板机械加工工艺时，要紧紧抓住主要矛盾，综合考虑以下几方面内容。
（1）由于镜板是大型零件且对上、下两平面的精度、表面粗糙度等要求都很高，一般的平面磨床无法加工这样的大型零件。在选择主要表面加工方法时，综合比较了各种超精加工方法所能达到的效果后，选择采用立式车床对镜板进行加工。镜面的加工步骤为：粗车→半精车、精车→砂带磨削→研磨、抛光；上平面的加工方法为：粗车→半精车、精车→砂带磨削。
（2）镜板毛坯锻件加工余量大，切除大量金属后会引起内应力重新分布而变形，在安排工序时，应将粗车、精车分开进行。
（3）镜面的精加工放在最后进行，这样既不会受到其他表面加工或应力分布的影响，又能使镜面精加工后及时得到油封处理，防止镜面锈蚀。
（4）镜板两平面硬度的技术要求为180～229HBW，镜面硬度差不超过30HBW。在上、下两平面粗加工之后，对两平面硬度进行仔细测量，选择缺陷相对较少切硬度差值较小的平面作为镜面。
（5）上平面的内螺纹加工一般安排在镜板上平面粗车后、精车前进行。但它的加工也不宜放在上平面精车之后进行，以免破坏上平面已有的加工精度。销孔、装吊柄用的螺孔可适当穿插加工。
综上镜板的机械加工工艺流程为：粗车→超声波探伤→检查两平面硬度，选镜面→划线→钻攻上平面的螺孔→钻攻装吊柄用的螺孔→半精车、精车、砂带磨削上平面→与推力头把合→与推力同钻铰销孔→与推力头分离、去毛刺，镜面半精车、精车、砂带磨削、研磨、抛光镜面→ 检查→油封处理。
2.3 镜面的精车
为保证镜面的加工精度，作为后续超精加工的基础，精车后的镜面平面度和两平面平行度就应该达到技术要求，并要求精车表面粗糙度值达Ra=1.6μm因此对立式车床精度要求很高：工作台端面跳动应≤0.02mm，横梁水平度和直线度分别≤0.02mm/m。精车前必须检查、调整立车的游隙，可通过试车来调整横梁水平度；必须先转动立车工作台到轴瓦油膜稳定后才能进行精车。
在进行精车镜面及后续加工都是以镜板与推力头的结合面为基准面，为减少安装误差，达到镜板两平面平行度要求，夹具安装在立式车床上之后，其定位面要进行一次精车和砂带磨削，其精度和表面粗糙度应不低于镜板的定位基准面。然后镜面朝上将镜板装入夹具，均匀拧紧螺栓，检查定位面与镜板基准面间应无间隙。
由于精车用的立式车床精度要求较高，不宜用作粗车。因此，粗车后镜板两平面各留2mm余量，在精车工序中，先半精车一刀，留 0.3～ 0.5mm余量，选择合适的刀具，一次走刀完成精车。采用硬质合金可转位刀具精车镜板两平面，一般线速度选100～120m/min，进给量在0.2mm/r左右；也有采用8mm宽刃刀，吃刀量0.3mm，进给量2～3mm/r精车镜板两平面。
2.4 镜面的砂带磨削
砂带磨削是应用粘满尖锐磨粒的砂带，进行多刀多刃切削加工的新型高效磨削工艺。由于砂带磨削摩擦生热少，磨粒散热时间间隔长，可有效地减少工件变形、烧伤。且因砂带磨削与工件是柔性接触，具有较好的跑合和抛光作用。
砂带磨削镜板如图2所示，利用自制砂带磨头，安装在立式车床刀夹上，分精磨和终磨进行，砂带磨料选用白刚玉（WA）。
图2 砂带磨削镜面
1.镜板 2.接触轮 3.砂带 4.立车刀夹 5.电动机 6.三角皮带传动 7.支架
精磨时，砂带粒度P400，工件速度Vw=20m/min，磨削深度ap =0.01~0.03mm，进给量fa=2.00 mm/s，磨削后表面粗糙度值Ra=0.8μm。
然后检查镜面的平面度，如果超差，再用砂带磨头按上述切削用量进行修正，直至符合设计图样要求为止。
终磨时，用精磨使用的砂带，空刀来回走1～2次，fa=1.00mm/s，磨削后表面粗糙度值可达Ra=0.8μm。
2.5 镜面平面度检查
镜面经砂带磨削后，可在立式车床上用WL11型数字水平仪（Ⅱ档分辨率0.001mm/m）检测平面度。测量时，把带桥板的水平仪置于镜面上，按照一定的布线逐渐测量。通过对一些有代表性截面直线度误差的测量，根据这些截面的相互关系，按评定原则进行数据处理，求得镜面的平面度误差。
不具备测量仪器的厂家可用检定合格的0级平尺借助塞尺的方法进行检查、判定。由于精车后镜面的平面度与车床工作台跳动和横梁的直线度有关系，因此，用平尺检查时必须兼顾圆周方向和直径方向。
镜面进入抛光阶段就不能再用接触检测手段进行平面度、表面粗糙度等的检测，以免损坏镜面并引起锈蚀。
2.6 镜面的研磨和抛光
镜面分粗研磨—精研磨—抛光3个步骤进行。其中粗研磨是降低表面粗糙度值至Ra≤0.4μm，同时还可以减小平面度偏差；精研磨是进一步降低镜面表面粗糙度值至Ra≤0.2μm；抛光是获得光亮光滑镜面。
如图3所示，先用酒精将精车后的镜面洗净擦干，将研磨剂较均匀地涂在镜面上。然后把直径大于镜板环宽度的研磨盘置于镜面上，其工作面靠自重紧贴镜面。再把与研磨盘用球面轴承联接的轴固定在立车刀夹上不动。当立车带动镜板转动时，由于镜面内外圆线速度差使研磨盘绕自身轴线转动，其工作面在镜面上就形成研磨作用。研磨运动使镜面各点均有相近的被切削条件，任一点的运动轨迹不出现周期性重复。
图3 镜板研磨
抛光镜面与研磨镜面类似，但抛光盘工作面里层包裹细呢子，外层包裹金丝绒布，浸透混合油（按煤油∶20# 机油=1∶1混合过滤）后在其外层均匀喷上抛光剂。由金丝绒布附着抛光剂对镜面进行抛光。
研磨盘的结构、材质和制造精度是保证镜面精度的重要因素，它一方面把本身工作面的几何形状复映给镜面，另一方面又是研磨剂的载体。粗研磨盘用灰铸铁制作，要求材料组织结构细致均匀，有较高的稳定性和耐磨性、较好的嵌存磨料的性能，硬度稍软于镜面；精研磨盘主体用普通钢板制作，工作面浇注25～30mm厚锡基轴承合金。要求轴承合金材料纯净度高，成分均匀、致密、无杂质。两种研磨盘都要求工作面平面度≤0.005mm，表面粗糙度值Ra≤0.2μm。同时在工作面上开有60°V形螺旋沟槽，槽宽和槽深均约4mm，其螺旋方向应考虑研磨盘旋转时，研磨剂能向内侧循环移动，与离心力作用相抵消。抛光盘用普通钢板制作，工作面不开有沟槽。磨料在研磨中起切削作用，研磨加工的效率、精度和表面粗糙度都与磨料有密切的关系。根据镜板的材料、硬度选择白刚玉（WA）研磨微粉作磨料。微粉粒度为粗研磨W28，精研磨W10。
研磨剂调配方法是将煤油、20# 机油按1∶1的比例混合过滤后，再按1∶1的比例将混合油和研磨微粉合成稠状，调匀。抛光剂选用7μm的金刚石喷雾研磨剂。正确选择研磨压力和速度可明显提高研磨效果。粗研磨：压力0.15～0.20MPa，镜板线速度40m/min；精研磨：压力0.10～0.16MPa，镜板线速度20m/min；抛光：压力0.04MPa，镜板线速度60m/min。研磨和抛光的压力都来自研磨盘或抛光盘的自重。
研磨时，每隔10～15min在镜面上加一次新的研磨剂，每研磨40～60min需停车检查镜面表面粗糙度值，粗研磨要求表面粗糙度值达Ra=0.4μm为止；精研磨要求表面粗糙度值Ra≤0.2μm。
抛光时，每隔5～10 min在镜面上加一次新的混合油，然后在混合油上较均匀地喷一层金刚石喷雾研磨剂。一般抛光30～50min即可。
更换不同粒度的研磨剂前或研磨、抛光结束后，都要彻底洗净、擦干镜面和研磨盘，不得残留研磨微粉及脏物等。
3 镜板检修维护
3.1 镜板拆除
拆卸推力头与镜板销钉、螺栓，对镜板及推力头销钉孔、定位销钉、连接螺栓做好标记，做到装复时使镜板恢复至检修前连接状态。使用专用吊具进行吊出，在镜板表面涂抹凡士林并用绸布和羊毛毡进行覆盖包扎放置在专用支架上。
3.2 镜板检修研磨
在镜板研磨场地对称布置6个钢支墩，每个刚支墩上放置一对楔子板，利用楔子板调整镜板水平，检查其水平度不超过0.2mm/m。
如图4，将研磨机组装好后吊入镜板的中心位置，可转动动研磨机的长臂，用钢卷尺测量研磨机与镜板的相对旋转中心，使镜板与研磨机的旋转中心小于10mm。将百分表的磁力表座吸在研磨机的长臂上，找正研磨机与镜板的相对水平，可通过调整研磨机底座上的调整螺栓来调整水平，镜板与研磨机的相对水平调至小于0.1mm。
图4 镜板检修研磨
研磨前把颗粒为M5～M10 的Cr2O3 (三氧化二铬)研磨膏放在干净的塑料盆内，用适量的煤油浸泡一段时间，过后搅拌均匀，然后再用绸布做成的过滤网进行过滤，反复几遍，直到没有颗粒状的物质为止，配制成研磨溶液。研磨前用天然油石除去镜板上的划痕和高点，天然油石只能沿圆周方向研磨，严禁径向研磨。镜板研磨前，要先把过滤好的研磨溶液均匀浇在镜面上，不得出现断裂。研磨工具上要包好毛毡，再包绸缎，并系牢，在绸缎上涂抹研磨溶液。在研磨工具上装设百分表，表头打在镜面上，研磨工具已匀速在镜面上转动一圈，查看镜板的波浪度。符合要求后在对镜面进行研磨在细毛毡与镜面间均匀涂以研磨溶液,使研具在镜板镜面上旋转, 线速度控制在1m/s～2m/s ,靠研磨溶液对镜面进行研磨。机械化研磨镜板镜面后,研磨溶液由绿色变成黑色,说明已研磨下镜面的金属微粒,一般3天～6天即可使镜面粗糙度有明显改变。在研磨过程中,每隔10min～15min 添加一次研磨溶液，研磨后镜面要达到光滑、明亮、无划痕，表面粗糙度Ra≤0.2μm。研磨工作结束后用无水酒精将镜板擦拭干净,镜面涂以凡士林并依次盖上绸布、白布和羊毛毡，妥善放置保管待回装。
4 结语
镜板上、下两平面是主要表面，而镜面的机械加工是镜板加工中的主要矛盾。在进行机械加工工艺时，要紧紧抓住这一点。
精车是镜面后续超精加工的基础，要求精车后的镜面的平面度0.01mm(凹)，两面平行度0.04mm，表面粗糙度值达Ra=1.6μm；砂带磨削的目的在于降低镜面表面粗糙度值达Ra≤0.8μm，也可用于修正平面度偏差。最后，通过对镜面进行粗研磨—精研磨—抛光，可以稳定、可靠地获得符合技术要求、合格的镜面。
水轮发电机镜板的检修维护尤为重要，检修期对镜板进行定期检查、研磨、评估，以恢复镜板原有使用性能，延长镜板使用寿命。
参考文献
[1]孟少农.《机械加工工艺手册》北京：机械工业出版社，1991.
[2]赵志修.《机械制造工艺学》北京：机械工业出版社，1984.
作者简介
李承承，生于1989年10月，男，籍贯：重庆潼南，毕业于四川大学水利水电学院，大学本科，助理工程师， 2011年参加工作，现就职于华能澜沧江水电股份有限公司漫湾水电厂，运维B岗，主要从事机械专业检修维护。
论文作者:李承承,吴顺波
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/24
标签：镜面论文; 平面论文; 磨削论文; 表面论文; 加工论文; 研磨机论文; 粗糙度论文; 《电力设备》2016年第11期论文;