合缸销孔损伤分析及预防方法

0引言

大多数燃气轮机和蒸汽轮机的结构包括两部分,即由上半(UHPART)和下半(LHPART)组成,上半和下半通过水平中分面(结合面)进行装配,形成整体。在装配的过程中需先使用销子对上半和下半两部分进行精准定位,保证装配位置正确,定位完成之后再把合螺栓紧固上半与下半。但是在使用销子进行定位的过程中,由于销孔内存在异物、加工精度不足等原因销孔会发生损伤,将严重影响销孔及工件装配质量。

1合缸销孔损伤原因分析

1.1合缸销孔结构分析

对于大多数燃气轮机和蒸汽轮机而言,定位销与销孔的配合通常选择过渡配合,以确保定位精度和装拆方便。常见的配合类型有H7/k6和H7/m6。公差等级的选择取决于装配的精度要求。,T6和,T7是常用的公差等级,其中孔通常选择,T7,轴选择,T6,以实现较好的经济效果和配合性质。

通常合缸销孔的结构有两种形式:图1所示为某燃机产品直销孔设计,上下半合缸使用直销进行精准定位,直销两端使用螺母进行紧固,在定位的同时能够起到紧固上下半的作用;图2所示为某燃机产品锥销孔设计,上下半合缸使用锥销进行精准定位,锥销两端无螺母等紧固结构。

1.2合缸销孔损伤原因分析

对于上述两种销孔,在合缸过程中均有可能发生损伤,影响销孔质量,但相对而言,锥销孔由于其结构的特殊性,出现损伤的概率远低于直销孔,因此本文重点分析直销孔的损伤原因,并研究探索改善方法。

首先,必须明晰直销孔的合缸方法及合缸步骤。使用直销孔合缸,需先将上下两半零件置于合缸平台上, 目视使得缸体上下半销孔大致位于同一中心,然后将合缸定位销插入销孔中,利用合缸定位销的刚性将缸体上下半进行强制性定位。在这个合缸的过程中存在诸多因素可能导致合缸销孔损伤。

1.2.1销孔及定位销设计不当

销孔的设计不合理可能导致应力集中,特别是在孔边缘或过渡区域。这种设计缺陷会显著增加疲劳裂纹的风险,因为应力集中是由截面的急剧变化或材料本身的不连续性引起的,例如,在有圆形孔洞的板中,孔边缘的应力集中现象尤为明显,这可以通过弹性力学理论进行分析和验证[1]。典型的例子就是销孔与定位销的配合设计不当,例如定位销和销孔采用过盈配合或配合间隙不当,可能导致装配过程中出现应力过大或干涉现象,导致定位销无法插入销孔内。这种不当设计会导致销孔表面承受过大的拉应力,从而引发开裂或异常磨损。

1.2.2加工过程异常

加工过程中,销孔表面可能粗糙度过大,存在毛刺或加工缺陷(如氧化皮、夹渣等),这些因素都会在装配和使用过程中引发应力集中,导致销孔的异常磨损或开裂[2]。另外,加工精度不足会导致销孔尺寸超差或形位公差超差,从而影响销孔与定位销的配合精度,增加定位销和销孔在装配过程中的磨损和损伤风险。销孔孔径的扩大或缩小都可能源于铰刀或镗刀尺寸不当、安装定位不当或切削参数不合理等因素。例如,刀具外径偏大可能导致孔径扩大,而刀具磨损则可能导致孔径缩小。

1.2.3装配方法不当

在将定位销装配至销孔内时,遇到定位销无法插入销孔或者插入销孔时太紧的情况,装配人员可能使用硬物进行敲击,强行将定位销插入销孔内。此种操作后,销孔已经被损伤,定位销也无法从销孔内取出。

1.2.4销孔内有异物

在合缸之前,有时由于人的疏忽未检查或者未仔细检查导致销孔内存有异物,那么在合缸的过程中,异物会挤压至合缸定位销和销孔之间,破坏定位销与销孔之间的配合,导致销孔内壁损伤,同时会导致合缸定位销无法取出。

2销孔损伤改善方法研究

针对以上原因,通过跟踪销孔加工及定位销设计制造的过程,确定以下改善方法。

2.1改善销孔及定位销设计加工过程

在加工销孔时,严格按照图纸尺寸进行加工,并将实际加工尺寸控制在销孔尺寸上偏差附近。例如,如果加工直径为φ30H7(0,十0.021)的销孔,那么就需要将销孔加工至φ30.01~φ30.02,确保实际加工尺寸不要超出尺寸上偏差即可。同时,在设计定位销时将定位销的尺寸设计成φ30k6(十0.002,十0.015),并且在制造时将定位销尺寸控制在φ30.002~φ30.010,保证定位销的尺寸位于设计公差内。

在这种情况下,定位销与销孔之间有足够的间隙,能防止装配时卡住或者定位销无法插入销孔内的情况发生。

2.2优化销孔加工参数

合缸销孔的加工根据销孔的直径不同,分为两种加工方法:

1)对于直径为φ10~25mm的销孔,采用铰孔的方式进行加工,铰孔前先进行钻孔,确定铰削余量,铰削余量的大小直接影响铰孔的质量,如果铰削余量太小,那么钻削底孔的加工刀痕不能被完全去除;如果铰削余量太大,则会导致销孔加工精度降低,表面粗糙度达不到设计要求。所以,在选择铰孔余量时应综合考虑铰孔精度、表面粗糙度、销孔尺寸大小、工件材质及铰刀类型和材质等多重因素。另外,针对铰孔时铰刀切削参数的选择,以铰刀材质为高速钢为例进行分析:当工件材料为铸铁时,铰刀切削速度vc≤10 m/min,进给量⨍≤0.8 mm/r;当工件材料为钢时,铰刀切削速度vc≤8m/min,进给量⨍≤0.4 mm/r。机床主轴的转速根据公式n=1 000vc/πD进行计算。通过实际加工验证,此种方式加工出来的销孔粗糙度可以达到Ra0.8~Ra1.6,尺寸精度可以达到(0,十0.02)mm,满足合缸需求。

2)对于直径≥φ25mm的销孔,采用镗孔的方式进行加工,镗孔前钻削底孔单边留量1~3mm,镗刀直径需要使用对刀仪进行标定,在正式加工前还应进行试切,确认实际切削时的镗刀直径与对刀仪标定的镗刀直径的误差,保证镗孔的尺寸精度,同时利用试切确认镗孔的切削参数,保证销孔表面粗糙度符合图纸设计要求。

2.3优化合缸方法

对于合缸过程,设计一种工装辅助定位销精准定位,如图3所示,在合缸定位销插入之前为工件合缸做基准,在插入定位销的时候通过微调即可精准插入定位销孔中。通过这种方法,工人合缸的时间能够缩短20%左右,同时还能有效避免销孔因合缸过程中找不准基准而损伤。

合缸过程按照以下步骤进行:

1)将工件两半平放于合缸平台上,将双头螺柱(图4)一端(A)旋入工件下半(D)的中间的合缸螺栓孔(每侧一个,共两个)中。一般情况下,分半类零件的合缸螺栓孔结构下半为盲孔螺纹孔,上半为通孔且是在另一端为了装配合缸螺栓而加工的沉孔(图5中为一分半类零件下半一侧的合缸螺栓孔及定位销孔位置情况)。双头螺柱(图4)一端做成与工件下半螺纹孔相同规格,另一端做成与定制螺母相同规格,长度根据不同产品而定。根据不同产品合缸螺栓的规格及数量不同,双头螺柱可灵活改变规格及数量,那么此种合缸方法及装置就可用于大部分燃气轮机和蒸汽轮机缸体的合缸。

2)将工件上半(C)顺着双头螺柱(A)穿进对应的上半的合缸螺栓孔中。

3)螺母(图6)起到连接双头螺柱与工件上半的作用,螺母需要定制,螺母中心螺纹孔与双头螺柱上端螺纹规格一致。另外,螺母凸出部分还需与工件上半合缸定位光孔配合起到合缸粗定位的作用,凸出部分外圆部分需与工件上半合缸定位光孔采用销孔连接,适用间隙配合,精度与工件合缸定位销孔精度保持一致(一般达到H7/h6即可),具体规格尺寸可根据不同工件灵活设计。

4)双头螺柱(图4)下端与工件下半合缸螺栓孔连接,螺纹规格与产品图纸一致, 上端需与螺母连接,同时考虑到螺母凸出部分还需要与工件合缸定位光孔连接用于定位,需要给螺母凸出部分预留一部分空间,故双头螺柱上端需比下端直径小,上下端分界部分采用圆弧光滑过渡即可,具体规格尺寸根据不同工件灵活设计。考虑到本装置的预期 目的是为合缸定位销做基准,那么螺母与双头螺柱之间的螺纹配合等级需达到中等级以上。

5)将定制螺母拧到双头螺柱的另一头螺纹上,注意螺母凸出部分需穿进上半的合缸螺栓孔中,螺母与双头螺柱之间采用螺纹连接,螺母与工件上半的合缸螺栓孔采用销孔连接,即可用于上下半零件合缸的粗定位,上下半中分面(即图3中C与D相接触的面)距离依靠螺母紧固至可以清晰观察到中分面上的合缸销孔即可。

6)将合缸定位销插进销孔中(上一步已进行粗定位,销子可轻松通过上半插入下半)。

7)将合缸螺栓旋入另外空置的合缸螺栓孔中,紧固至结合面间隙符合后续加工要求。

8)将双头螺柱取出,替换为正常的合缸螺栓孔,合缸完成。

3结束语

本文通过对燃气轮机和蒸汽轮机缸体合缸销孔损伤原因的分析,探索出了一套改善合缸销孔损伤的方法,在实际加工过程中也已进行了验证,证明这套改善方法切实可行,从加工到交付,销孔未出现损伤的情况,满足顾客图纸设计要求。此套方法在实际生产中得到了有效的应用和验证,可为同行业生产制造燃气轮机和蒸汽轮机合缸销孔及实现合缸过程提供参考。

[参考文献]

[1] 肖珊,王丽华.圆形孔洞下应力集中的试验研究[J].大学物理实验,2009,22(1):18—22.

[2]王星全,刘涛,王占宜,等.高强化柴油机铝活塞销孔失效分析[J].内燃机与动力装置,2020,37(3):52—56.

《机电信息》2025年第20期第18篇