凝汽器管板隔板加工專用機(jī)床分析

黃立峰奚超龍

（1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090）

0 概 述

在電站系統(tǒng)中，凝汽器可將汽輪機(jī)的排汽冷凝成水，并在汽輪機(jī)排汽處建立真空和維持真空。凝汽器性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

近年來，國(guó)內(nèi)凝汽器技術(shù)已有長(zhǎng)足的進(jìn)步，1 000MW核電凝汽器技術(shù)已經(jīng)完全自主化。不銹鋼、鈦等新材料也已成熟使用在凝汽器管板和管束上。但凝汽器管、隔板的加工手段卻沒有明顯的改變，許多廠家還在使用搖臂鉆床，仍采用引孔、鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔等傳統(tǒng)加工方法。

隨著凝汽器技術(shù)的進(jìn)步和單機(jī)功率的劇增，凝汽器設(shè)備也巨型化了。以某1 000MW凝汽器為例：管板面積4 280mm×5 200mm，厚度為45mm（包括5 mm鈦層）；隔板面積4 120mm×5 450mm，厚度為12 mm，單塊管板孔數(shù)接近14 000個(gè)。管板、隔板的尺寸和鉆孔精度，如圖1所示。用傳統(tǒng)方式加工如此眾多的孔數(shù)，并需達(dá)到較高的加工精度，顯然已不適應(yīng)當(dāng)前電站建設(shè)的需求。因此，使用先進(jìn)高效的專用機(jī)床，是凝汽器管隔板加工的發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 某型1000MW凝汽器管板和隔板的鉆孔要求

1 大型熱交換器專用鉆孔機(jī)床的類型

大型熱交換器專用鉆孔機(jī)床的發(fā)展很快，采用數(shù)控龍門多軸鉆床是許多生產(chǎn)廠家的共識(shí)。龍門多軸鉆床的生產(chǎn)主要分布在歐洲、美國(guó)、日本等地。按專用機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式，可分為隊(duì)列式、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式、混合式等。各種結(jié)構(gòu)形式均有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)各種結(jié)構(gòu)的設(shè)備類型進(jìn)行分析和比較。

2 隊(duì)列式多軸鉆床

隊(duì)列式數(shù)控龍門多軸鉆床興起于上世紀(jì)70～80年代。機(jī)床特點(diǎn)是鉆軸數(shù)量多，通常為25～41根，通過多軸鉆的同時(shí)鉆削提高加工效率。某型27軸專用鉆孔機(jī)床，如圖2所示。

圖2 某型隊(duì)列式27軸鉆床

2.1 隊(duì)列式多軸鉆床結(jié)構(gòu)

機(jī)床的加工范圍在長(zhǎng)為8m、寬為5～6m的區(qū)域內(nèi)。鉆軸被安裝在機(jī)床的托板上，托板可在Y軸方向作整體移動(dòng)。各鉆軸之間的距離由間距塊控制，間距不能自動(dòng)調(diào)節(jié)。若要改變鉆孔的孔距，則需更換鉆軸的整套間距塊。如有多種孔間距的管板、隔板，就需要準(zhǔn)備多套間距塊。機(jī)床加工孔間距的精度完全取決于間距塊精度，由于間距塊數(shù)量多，容易產(chǎn)生累計(jì)誤差，對(duì)間距塊安裝調(diào)整的要求較高，更換調(diào)節(jié)塊的工作量大。某型35軸隊(duì)列式多軸鉆床的間距塊重達(dá)12kg，如圖3所示。

圖3 某型35軸隊(duì)列式多軸鉆床的間距塊

由于隊(duì)列式多軸鉆床的鉆軸多，布置的密度較大，若為每根鉆軸配置獨(dú)立電機(jī)，機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制將會(huì)非常繁復(fù)，從機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性和便于檢修考慮，這種布置方式不太可取。隊(duì)列式多軸鉆床一般由2～4臺(tái)大功率電機(jī)提供動(dòng)力，每臺(tái)電機(jī)可帶動(dòng)多根鉆軸轉(zhuǎn)動(dòng)。較少的電機(jī)簡(jiǎn)化了機(jī)床結(jié)構(gòu)和電氣控制部分，但對(duì)軸間傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為使電機(jī)的動(dòng)力分配到多根鉆軸上，一般采用傘齒輪、萬向聯(lián)軸器或進(jìn)行組合的連接方式。某型隊(duì)列式27軸鉆床上的伸縮連軸及萬向聯(lián)軸器，如圖4所示。這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是機(jī)械損耗大，扭矩輸出時(shí)有波動(dòng)現(xiàn)象，且分配至每根鉆軸的扭矩和轉(zhuǎn)速均有限，切削轉(zhuǎn)速一般不可高于500r／min。

圖4 某型隊(duì)列式27軸鉆床上的伸縮連軸及萬向聯(lián)軸器

2.2 隊(duì)列式多軸鉆床刀具選用

隊(duì)列式多軸鉆床常使用麻花鉆進(jìn)行引孔或鉆孔，也可以使用擴(kuò)刀、鉸刀等刀具進(jìn)行高精度的加工。受鉆軸轉(zhuǎn)速和扭矩的限制，選用的刀具均為低轉(zhuǎn)速刀具。

由于隊(duì)列式多軸鉆床轉(zhuǎn)速低，一般不需要使用內(nèi)冷卻鉆頭，故這種設(shè)備大多不具備內(nèi)冷卻功能。

2.3 隊(duì)列式多軸鉆床機(jī)床精度

隊(duì)列式多軸鉆床定位精度一般為：X軸0.1 mm，Y 軸0.1mm，Z 軸0.05mm（均為加工區(qū)內(nèi)任意位置）。

在鉆削加工中，因受間距塊精度、各軸體的差異以及鉆孔精度的影響，實(shí)際加工精度一般在：孔徑D＋0.2－0，孔間距±0.5mm，粗糙度Ra6.3（均為絞孔后精度）。據(jù)此可知，采用隊(duì)列式多軸鉆床進(jìn)行孔加工，可利用多道工序保證加工精度，也能滿足1 000 MW核電凝汽器管板的加工要求。

2.4 隊(duì)列式多軸鉆床加工方式

由于隊(duì)列式多軸鉆床的軸數(shù)多，其轉(zhuǎn)速和扭矩均受限制，無法進(jìn)行高轉(zhuǎn)速大進(jìn)給量切削。受機(jī)床本體加工精度的限制，需采用多道工序以確?？准庸ぞ?，所以，機(jī)床的實(shí)際加工效率并不高。1 000 MW凝汽器管板的加工需用時(shí)約96h。如果更換調(diào)節(jié)間距塊，還需增加額外工時(shí)進(jìn)行間距精度的調(diào)節(jié)。

加工隔板時(shí)，由于隔板多為疊鉆，不適宜大進(jìn)給量的切削加工，且加工精度低于管板加工精度，所需工序相對(duì)較少，所以，隊(duì)列式多軸鉆床比較適宜隔板的疊鉆加工。待疊鉆加工的凝汽器隔板，如圖5所示。

圖5 待疊鉆加工的凝汽器隔板

當(dāng)企業(yè)生產(chǎn)能力不足時(shí)，可對(duì)管、隔板進(jìn)行引孔定位后，再使用其他鉆孔機(jī)床進(jìn)行加工。由于引孔切削量小，工件裝夾較為簡(jiǎn)單。從加工效率方面考慮，因隊(duì)列式的鉆軸數(shù)量眾多，致使引孔加工的效率極高。同時(shí)，由于鉆軸數(shù)多，進(jìn)給量小，加工時(shí)，板材在較大范圍上的受力均勻，即使簡(jiǎn)單裝夾也不會(huì)對(duì)加工精度和鉆削進(jìn)程產(chǎn)生影響。利用麻花鉆的材質(zhì)特性，采用較低的加工轉(zhuǎn)速，也減少了麻花鉆頭的損耗。

2.5 隊(duì)列式多軸鉆床設(shè)備特點(diǎn)

根據(jù)分析，隊(duì)列式多軸鉆床的加工特點(diǎn)主要有：

（1）鉆軸數(shù)量多，加工效率較高。

（2）鉆軸間距不可自由調(diào)節(jié)，軸間距使用間距塊調(diào)節(jié)。加工多種間距管板需要多套間距塊，鉆軸間距存在累計(jì)誤差，安裝及調(diào)試的人工耗時(shí)多。

（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易磨損，檢修成本高。

（4）受機(jī)床結(jié)構(gòu)限制，鉆軸的轉(zhuǎn)速較低，分配至鉆軸的扭矩不大，不能使用高速鉆頭進(jìn)行加工。一般不具備內(nèi)冷卻功能。

（5）加工精度一般，為滿足凝汽器管板加工要求，需要采用多道工序，致使實(shí)際加工效率不高。

（6）疊鉆加工的適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工凝汽器隔板，引孔效率高。

3 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床

隨著大型機(jī)床制造技術(shù)的成熟以及數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，上世紀(jì)90年代，開發(fā)了1種新型數(shù)控龍門多軸鉆床。這種多軸鉆床經(jīng)過不斷改進(jìn)，已成為大型熱交換器管板和隔板孔加工的專用加工機(jī)床。

這種多軸機(jī)床的鉆軸結(jié)構(gòu)采用了模塊設(shè)計(jì)，在Y方向上的移動(dòng)、進(jìn)給、旋轉(zhuǎn)均設(shè)計(jì)成獨(dú)立模塊。在機(jī)床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，理論上可以在龍門上安裝任意數(shù)量的鉆軸，所以，具有這種結(jié)構(gòu)的多軸機(jī)床也被稱為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床。某型獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式6軸鉆床，如圖6所示。

圖6 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式6軸鉆床

3.1 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床結(jié)構(gòu)

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床的加工范圍約為10m×6m。雖然在龍門架上可安裝任意根鉆軸，但考慮到使用效率、機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、設(shè)備價(jià)格等因素，鉆軸數(shù)常選為6～10根。

每根鉆軸可在Y軸方向上獨(dú)立移動(dòng)，可自由調(diào)節(jié)軸之間的間距，適應(yīng)各種管孔間距的管板與隔板加工。每根鉆軸的位移均受機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的控制，利用光柵檢測(cè)技術(shù)，鉆軸位移的定位精度較高。

由于鉆軸數(shù)少，鉆軸布置的密度小，每根鉆軸均有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)功率超過28kW，附一組皮帶輪傳動(dòng)以防止電機(jī)過載，再無其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此，電機(jī)輸出的動(dòng)力基本無損的傳送至鉆軸。鉆軸的最大扭矩能達(dá)到250N·m，轉(zhuǎn)速可高達(dá)3 000 r／min。

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床與隊(duì)列式多軸鉆床相比，鉆軸數(shù)少，進(jìn)給量大，加工時(shí)的進(jìn)給反力也較大而集中。如果橫梁剛性不足，橫梁就容易產(chǎn)生變形，會(huì)影響加工精度甚至損傷鉆頭，所以對(duì)龍門橫梁結(jié)構(gòu)有很高要求。克服橫梁變形的主流方式有2種，一種是使用鑄鐵材質(zhì)的龍門架，采用HT350材料。這種材質(zhì)的龍門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，龍門架的強(qiáng)度和耐磨性高，鑄造后的殘留應(yīng)力小，不易因長(zhǎng)期使用引起橫梁變形，從而影響加工精度，但鑄造成本高。圖6中的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式6軸鉆床就采用了鑄鐵龍門。另一種是采用結(jié)構(gòu)件龍門，在龍門上方再安裝1根頂梁，用頂梁的自重和剛性以抵消進(jìn)給力，避免進(jìn)給力過大而使龍門架的橫梁變形。這種結(jié)構(gòu)件龍門的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但龍門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力會(huì)緩慢釋放，有可能造成龍門架變形而影響加工精度。使用了頂梁龍門結(jié)構(gòu)的多軸鉆床，如圖7所示。這種龍門結(jié)構(gòu)及頂梁的受力分析，如圖8所示。

圖7 某型獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式10軸鉆床

圖8 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式10軸鉆床龍門及頂梁的受力分析

3.2 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床刀具選用

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床主軸的轉(zhuǎn)速高，扭矩大，可使用硬質(zhì)合金鉆頭、鑲嵌鉆頭、槍鉆、麻花鉆、鏜刀等多種刀具，在主軸扭矩的允許范圍內(nèi)，機(jī)床具備銑削功能。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床具備內(nèi)冷卻功能，可以滿足高速鉆孔時(shí)排屑和散熱要求。

3.3 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床機(jī)床精度

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床定位精度一般在：X軸0.05mm，Y 軸0.01mm，Z 軸0.01mm（均為加工區(qū)內(nèi)任意位置），加工表面的粗糙度為Ra2。實(shí)際使用中，在刀具選用和工藝參數(shù)合理的情況下，孔的加工精度為D＋0.1－0，孔節(jié)距精度為±0.15，加工表面的粗糙度小于Ra3.2，完全能滿足1 000MW核電凝汽器管板的加工要求。如果再配合絞孔等工序，則可達(dá)更高的加工精度。

3.4 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床加工方式

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床的鉆軸數(shù)少，但轉(zhuǎn)速高、輸出的扭矩大，常采用高轉(zhuǎn)速的加工方式。這種設(shè)備的加工精度也較高，僅用鉆孔工序進(jìn)行加工，就能滿足常規(guī)凝汽器管板加工的精度要求，如果增加絞孔工序，可滿足高精度管板的加工要求。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床與隊(duì)列式多軸鉆床相比，可提高加工效率1倍以上，完成1 000MW凝汽器管板的鉆孔工作僅需40h。

高速鉆孔在隔板疊鉆加工方面的優(yōu)勢(shì)不明顯。由于隔板本身較薄，而且疊放后的隔板之間有空隙，鉆削進(jìn)給力會(huì)使隔板發(fā)生彈性變形，鉆頭穿通第一塊板的瞬間，鉆頭對(duì)該隔板的進(jìn)給力突然消失，隔板因恢復(fù)原狀態(tài)而彈起，這種彈起將對(duì)刀具產(chǎn)生沖擊，對(duì)質(zhì)地硬脆的高速鉆頭容易造成損壞。此刻，第二塊隔板仍受進(jìn)給力而處于變形狀態(tài)，2塊隔板之間的間隙增加，使內(nèi)冷的冷卻液由此間隙流走，引起內(nèi)冷液壓力的降低，鉆頭排屑槽內(nèi)的鐵屑依靠?jī)?nèi)冷液的壓力進(jìn)行排屑，由此，會(huì)造成鉆孔排屑困難，影響了鉆孔的加工精度，鉆頭的損耗也會(huì)增加。如果使用低轉(zhuǎn)速的麻花鉆等，由于鉆軸數(shù)量少，效率遠(yuǎn)低于隊(duì)列式多軸鉆床?？梢姫?dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床對(duì)疊鉆加工的適應(yīng)性不強(qiáng)。鉆心已損壞的引孔鉆頭，如圖9所示。

圖9 鉆心已損壞的引孔鉆頭

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床在引孔時(shí)的工作效率明顯不如隊(duì)列式龍門鉆床。引孔加工的切削量很少，無法充分發(fā)揮獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床高速切削的優(yōu)勢(shì)，而且引孔時(shí)工件的裝夾較簡(jiǎn)單，不利于高速切削和大進(jìn)給量的加工模式，甚至產(chǎn)生沖擊，損傷機(jī)床設(shè)備，引起刀具損壞。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床的刀具成本也明顯高于隊(duì)列式鉆床的刀具成本。

獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床的加工編程較復(fù)雜，需使用編程軟件進(jìn)行編程，所編程序的繁復(fù)程度直接影響機(jī)床的加工效率。所以，編程軟件的后繼開發(fā)是設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)工作的重點(diǎn)，也是體現(xiàn)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的所在。以某公司的編程軟件計(jì)算，可為每根軸劃分不同的加工區(qū)域，如圖10所示。經(jīng)計(jì)算，8軸鉆床的軸使用率等效于7.53根軸，1臺(tái)8軸鉆床加工凝汽器管板的軸使用率為94%，鉆軸的使用率相當(dāng)高。

圖10 某公司編程軟件編制的加工程序

3.5 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床設(shè)備特點(diǎn)

根據(jù)分析，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床的主要特點(diǎn)有：

（1）鉆軸數(shù)量一般為6～10根。

（2）每根鉆軸在Y方向上移動(dòng)、進(jìn)給、旋轉(zhuǎn)均為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

（3）軸間距可自由調(diào)節(jié)，對(duì)產(chǎn)品加工的適應(yīng)性強(qiáng)。

（4）采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（5）軸的轉(zhuǎn)速和扭矩高，適合高速加工，有內(nèi)冷卻功能。

（6）加工精度高，僅使用鉆孔工序即可滿足凝汽器管板加工的精度要求。

（7）不適宜采用疊鉆的加工方法。

（8）引孔加工的能力不強(qiáng)。

（9）刀具成本較高。

（10）對(duì)編程軟件的依賴性高。

4 混合驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床

混合驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床是介于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和隊(duì)列式驅(qū)動(dòng)鉆床之間的一種多軸鉆床?；旌向?qū)動(dòng)式8軸鉆床，如圖11所示。

圖11 混合驅(qū)動(dòng)式8軸鉆床

混合驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床具有8～10根鉆軸，安裝在1塊移動(dòng)拖板上，拖板在Y軸方向上可以自由移動(dòng)，拖板上的鉆軸可在小范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)間距。每根鉆軸由1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000r／min。

混合驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床可看作隊(duì)列式多軸鉆床向獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多軸鉆床發(fā)展的中間產(chǎn)物，基本克服了隊(duì)列式多軸鉆床間距不能調(diào)節(jié)以及鉆軸轉(zhuǎn)速和扭矩不高的缺點(diǎn)，借用隊(duì)列式多軸鉆床的拖板結(jié)構(gòu)，用比較簡(jiǎn)單的辦法解決多根鉆軸加工的邏輯關(guān)系?；旌向?qū)動(dòng)式多軸鉆床的加工路徑，如圖12所示。以8根鉆軸為例，加工凝汽器管板的軸使用率為74%，等效于5.92根軸，相比于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床仍有一定差距。

圖12 混合式驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床加工路徑示意圖

由于增加了1塊拖板，鉆削進(jìn)給的反力分解情況更為復(fù)雜，為了抵消進(jìn)給反力，所設(shè)計(jì)的龍門體積較為龐大。另外，鉆軸的坐標(biāo)需根據(jù)鉆軸在托板的位置和托板在龍門的位置計(jì)算得出，存在累積誤差。所以，機(jī)床的加工精度略差于獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床。

隨著獨(dú)立驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床技術(shù)的日趨成熟，混合驅(qū)動(dòng)式多軸鉆床已不是加工行業(yè)內(nèi)的開發(fā)重點(diǎn)。

5 多軸鉆床發(fā)展趨勢(shì)

多軸鉆床的適用范圍小，技術(shù)含量高，其技術(shù)開發(fā)主要集中在美國(guó)、歐洲。

從機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r分析，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多軸鉆床是未來多軸機(jī)床技術(shù)發(fā)展的方向。隨著機(jī)床模塊化技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的日趨成熟，只要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，生產(chǎn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多軸鉆床對(duì)于大型機(jī)床制造企業(yè)來說并非難事。但在控制多軸間的邏輯關(guān)系，并合理分配每根軸的加工范圍，提高鉆孔效率以及加工程序的編程方面，還有提升空間。

近年來，我國(guó)也在進(jìn)行多軸鉆床的技術(shù)開發(fā)，現(xiàn)也能制造獨(dú)立驅(qū)動(dòng)數(shù)控龍門多軸鉆床和其他結(jié)構(gòu)類型的多軸孔加工專用機(jī)床，但與國(guó)際上多軸鉆床技術(shù)相比，還存在著一定的差距。

6 結(jié) 語(yǔ)

采用高效的多軸機(jī)床設(shè)備，對(duì)凝汽器管隔板進(jìn)行加工，是凝汽器制造行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但對(duì)于選用哪種型式的多軸鉆床更為有利，則需要制造企業(yè)結(jié)合自身產(chǎn)品的加工現(xiàn)狀進(jìn)行分析，不能一味追求最先進(jìn)的設(shè)備而盲目追加設(shè)備投資。要綜合分析產(chǎn)品種類、產(chǎn)量情況、精度要求和設(shè)備成本等因素，仔細(xì)考慮多軸鉆床與企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備的互補(bǔ)性，選擇適合企業(yè)的多軸鉆床。這樣，才能既提升生產(chǎn)水平，又不增加企業(yè)的負(fù)擔(dān)，達(dá)到技術(shù)改進(jìn)的目的。