大型水電上冠泄水孔加工技術(shù)研究

劉蕾 胡余平 蒙波 廖世超

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

某上冠材料為ZG04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼，大端直徑?8600 mm，小端直徑?2173 mm，大小端直徑相差6427 mm，總高2345 mm，凈重114.47 t，為一大兩小剖分式結(jié)構(gòu)，其中大瓣凈重94.264 t，小瓣凈重103.103 t，上冠結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 上冠結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematical diagram of upper crown structure

本文從加工設(shè)備、裝卡方式、空間角度定位、加工刀具等方面進(jìn)行工藝技術(shù)研究，突破大型水電上冠空間復(fù)合角度泄水孔的技術(shù)瓶頸。

1 上冠泄水孔尺寸位置

泄水孔直徑為?140 mm，共12處，其入口端與出口端分布的圓直徑均為4040 mm，泄水孔位于上冠大瓣內(nèi)腔把合法蘭的45°錐面上并與小內(nèi)腔根部R140 mm圓角貫通，角度25°、圓周30°均布，為空間復(fù)合角度，泄水孔有效加工深度達(dá)603.6 mm。上冠法蘭泄水孔示意圖見圖2。

圖2 上冠法蘭泄水孔示意圖Figure 2 Schematical diagram of upper crown flange scupper

2 泄水孔加工難點(diǎn)分析

上冠材料為馬氏體不銹鋼，由于該上冠輪廓直徑大，大小端直徑差懸殊，外部為光滑樣條曲面，泄水孔處于內(nèi)腔法蘭外錐面上，在設(shè)備選定、裝卡方案、泄水孔空間定位、加工方式及刀具選擇方面均有較大難度。

(1)上冠直徑?8600 mm，大瓣剖切面間距達(dá)6020 mm，剖切面之間的距離已經(jīng)超出數(shù)控龍門銑最大加工寬度范圍，且在數(shù)控龍門銑上加工時(shí)因工件大端向上，排屑困難。

數(shù)控立式銑車床回轉(zhuǎn)范圍可以滿足加工要求，但經(jīng)驗(yàn)證，立式銑車床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)無法與機(jī)床X軸、Z軸聯(lián)動(dòng)，故不能用于泄水孔加工。

(2)工件大端向上在數(shù)控鏜床上加工，因機(jī)床滑枕最大懸伸長度為1200 mm，加上萬向銑頭的長度，不具有加工可行性。

工件大小端直徑大，在鏜床上側(cè)立裝夾會(huì)重心不穩(wěn)，上冠側(cè)立裝夾起吊難度較大，同時(shí)工件高度及泄水孔分布圓已超出鏜床Y向行程。

(3)泄水孔為空間復(fù)合角度，圖紙要求泄水孔出入口端分布的圓直徑均為4040 mm，傾角為25°，并從內(nèi)腔R140 mm圓角處切出，如果出現(xiàn)角度偏差，將造成出入口端尺寸定位錯(cuò)誤、傾角錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)刀具無法從R140 mm圓角處光滑切出，因此加工前必須準(zhǔn)確定出泄水孔位置及刀輔具加工角度。

(4)工件為難加工材料，采用鉆、擴(kuò)、鏜方式加工泄水孔效率較低，加之鉆孔時(shí)軸向力較大，對(duì)工件的裝夾穩(wěn)定性要求高，若采用銑削方式，因懸伸較長，需要選擇合適的刀桿、刀盤及刀片，既要滿足加工范圍，同時(shí)減小切削抗力、保持切削穩(wěn)定性及加工精度。

3 上冠加工工藝流程

立車(大端朝下，檢查過流面精加工余量，車翻面找正基準(zhǔn)帶及結(jié)合面，測量基準(zhǔn)帶)→焊接座圈及支撐架→翻面→立車(小端朝下，精車內(nèi)腔、法蘭及泄水孔所在圓弧面)→側(cè)立→鏜(兩次裝卡，精加工泄水孔、精銑結(jié)合面)→大端朝下→大小瓣組裝、焊接→立車(小端朝下，精車背面、刻線)→無損檢測、處理缺陷→焊接把合塊→翻面→去除座圈→立車(大端朝下，精車小端面及過流面)→打開大小瓣→旋風(fēng)銑專機(jī)(銑把合孔)→鏜(精銑焊接坡口)。

4 加工方案策劃及難點(diǎn)突破

4.1 加工設(shè)備選擇

經(jīng)過對(duì)泄水孔各種加工方案的對(duì)比論證，排除了數(shù)控立式銑車床、數(shù)控龍門銑床加工的可能性，上冠大端向上在TK6920數(shù)控鏜床上加工也不具有可行性，采取側(cè)立裝卡加工泄水孔具有可行性，但需要制定專門裝夾、吊裝方案。

4.2 上冠泄水孔加工裝卡方案

該上冠為分瓣結(jié)構(gòu)，兩側(cè)分瓣面均為平面，可以作為裝夾基面，為防止上冠重心不穩(wěn)傾倒，上冠小端需要進(jìn)行穩(wěn)固支撐，從結(jié)構(gòu)上看上冠的小端外部為過流弧面，落在方箱及墊鐵上會(huì)造成裝卡不穩(wěn)的情況，需要設(shè)計(jì)專用工裝。

4.2.1 上冠座圈設(shè)計(jì)

上冠形狀為類似“圓錐”狀，凈重達(dá)95 t左右，為保證側(cè)立裝卡、吊裝過程安全可靠，消除安全風(fēng)險(xiǎn)，考慮設(shè)計(jì)專用座圈工裝，既可用于鏜床側(cè)立裝卡，又可用于在立車上大端向上時(shí)裝卡，座圈簡圖及應(yīng)用見圖3。

圖3 專用大型上冠座圈Figure 3 Dedicated large upper crown seat

將上冠大端向下找水平，平吊座圈與上冠裝配，座圈端面與上冠端面找平誤差≤10 mm，座圈材質(zhì)為Q235B，上冠材質(zhì)為不銹鋼，需要采用不銹鋼焊絲(條)，將上冠與座圈焊接，確保焊縫牢固。

4.2.2 鏜床側(cè)立裝卡方案

在落地?cái)?shù)控鏜床上加工大型上冠，只能采取側(cè)立裝卡方式，才可以滿足加工范圍要求。工件凈高達(dá)6 m，加上座圈、方箱、等高墊鐵、V型鐵等高度及行車起吊時(shí)鋼絲繩長度，要求所在跨行車軌高高度大于10 m，TK6920數(shù)控鏜床所在位置需要滿足以上吊裝條件。上冠側(cè)立，在結(jié)合面墊等高墊，座圈外圓墊V型鐵，為防止振動(dòng)，上冠過流面對(duì)稱焊接壓塊，并搭壓兩個(gè)4 m高彎板，確保工藝剛性。裝卡方案必須滿足以下要求：

(1)安全性高。工件加座圈總重量在100 t以上，工件與座圈之間的焊縫強(qiáng)度應(yīng)可靠無裂紋，側(cè)立裝卡后需支墊穩(wěn)固。

(2)穩(wěn)定性可靠。側(cè)立裝卡后，工件重心高，采用角銑頭加工，刀桿懸伸長，整體剛性必須好，否則切削參數(shù)無法提高。

(3)泄水孔位置距離鏜床滑枕端面距離合適。中部的空間既要安裝上角銑頭和刀具，又要盡可能減小滑枕伸出量，避免滑枕伸出的搭頭，保證加工系統(tǒng)剛性。

TK6920數(shù)控鏜床最大加工高度為4.5 m，需要至少兩次裝夾才能覆蓋泄水孔加工范圍。上冠泄水孔加工裝卡示意圖見圖4。

圖4 上冠泄水孔加工裝卡示意圖Figure 4 Schematic diagram of the machining and clamping of the upper crown scupper

4.3 加工基準(zhǔn)

大端面正對(duì)機(jī)床裝卡，泄水孔加工基準(zhǔn)包含X、Y、Z三方向，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在把合法蘭端面與上冠回轉(zhuǎn)軸線的交點(diǎn)，因?yàn)樵撋瞎跒榉职晔浇Y(jié)構(gòu)，X方向?yàn)樗椒较虿⑴c分瓣面平行，Y向基準(zhǔn)垂直于分瓣面，Z向與上冠回轉(zhuǎn)軸線重合。加工前在上冠把合法蘭端面劃出十字中心線，分別做出泄水孔入口端中心點(diǎn)，同時(shí)劃出?140 mm圓線，作為加工時(shí)的參考。

4.4 萬向角銑頭角度定位

鏜床需要使用萬向角銑頭來加工泄水孔，TK6920數(shù)控鏜床使用的萬向角銑頭垂直軸和水平軸均能手動(dòng)實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)整刻度盤到不同轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)對(duì)各角度斜孔的加工。TK6920數(shù)控鏜床萬向角銑頭見圖5。

圖5 TK6920數(shù)控鏜床萬向角銑頭Figure 5 Universal angle milling head of TK6920 CNC boring machine

因?yàn)樾顾诪榭臻g復(fù)合角度，通過角度進(jìn)行計(jì)算十分復(fù)雜，對(duì)于此類空間角度的計(jì)算，簡單準(zhǔn)確的方式是借助于三維軟件，建立工件、銑頭、機(jī)床三維數(shù)模，要求三維數(shù)模可以1∶1真實(shí)反映銑頭端外部輪廓，在裝配階段可以消除加工中可能出現(xiàn)的干涉，然后將銑頭各部分、工件、機(jī)床調(diào)入三維軟件裝配模塊，進(jìn)行裝配約束：

(1)角銑頭I軸與II軸、II軸與III軸之間需要提前定出0°起始刻度。

(2)約束角銑頭接口端面與機(jī)床滑枕端面固定聯(lián)接，并保持接口水平、豎直側(cè)面不變。

(3)將I軸、II軸約束同心并接觸，II軸、III軸約束同心并接觸，注意應(yīng)保持I軸與II軸、II軸與III軸之間可以繞軸線進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即不能膠合固定。

(4)約束III軸上刀具軸線與泄水孔軸線同軸。

(5)經(jīng)過以上裝配約束，水平軸、垂直軸的轉(zhuǎn)角已經(jīng)計(jì)算出來，因?yàn)闆]有固定銑頭與滑枕聯(lián)接部分的哪一個(gè)側(cè)面在上，可能出現(xiàn)兩種結(jié)果，選取其中合理的一個(gè)即可。

通過以上1∶1裝配約束及模擬，即可找出并測量I軸與II軸、II軸與III軸之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，加工泄水孔時(shí)萬向角銑頭分別按兩處轉(zhuǎn)盤的相對(duì)角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)角度已經(jīng)進(jìn)行粗找正，然后上大于等于300 mm的檢棒，用百分表進(jìn)行精找正，最后固定銑頭角度進(jìn)行試加工及檢查。三維軟件模擬的萬向角銑頭旋轉(zhuǎn)空間角度見圖6。泄水孔為圓周均布，故在加工完第1個(gè)泄水孔后，不用再旋轉(zhuǎn)II軸與III軸之間的轉(zhuǎn)盤，僅需旋轉(zhuǎn)I軸-II軸之間的轉(zhuǎn)盤進(jìn)行分度定位，重新用百分表精找正，依次完成剩余泄水孔的圓周分度及空間角度定位。

圖6 三維軟件模擬萬向角銑頭旋轉(zhuǎn)空間角度Figure 6 Universal angle milling head rotation space angle simulated by three-dimensional software

4.5 泄水孔加工方式、刀具及數(shù)控程序

4.5.1 加工方式及刀具類型選擇

經(jīng)過刀具選型及刀具試切，決定采用可以實(shí)現(xiàn)坡度銑削的高速進(jìn)給端面銑刀，在數(shù)控鏜床上采用螺旋插補(bǔ)方式(也稱旋風(fēng)銑)對(duì)孔進(jìn)行加工，這種刀具及加工方式可以在工件上直接銑孔，也可以替代鉆頭和擴(kuò)孔鉆進(jìn)行大余量銑擴(kuò)孔加工。旋風(fēng)銑削方式及加工刀具見圖7。

圖7 旋風(fēng)銑削方式及加工刀具Figure 7 Whirling milling methods and machining tools

高速進(jìn)給端面銑刀及刀片具有以下特點(diǎn)：

(1)高性能、高進(jìn)給刀具。刀具屬硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位銑刀，在面銑、槽銑、輪廓銑、插銑和螺旋插補(bǔ)銑中具有極高的效率，切削速度能夠達(dá)到80～150 m/min，適用于不銹鋼等難加工材料。

(2)可以進(jìn)行干式切削。無需冷卻系統(tǒng)支持，用一般的壓縮空氣進(jìn)行風(fēng)冷即可。

(3)W形有六個(gè)刃口刀片。能夠穩(wěn)定進(jìn)給方向，刀片V形刃口確保最佳的定位性能，可以精確、穩(wěn)定地安裝到刀體上。

(4)主偏角小。刀片以較小的主偏角安裝到刀體上，可將切削力向上引導(dǎo)至機(jī)床主軸，而不是徑向引導(dǎo)至刀具的側(cè)面，因此可以減少刀具振動(dòng)，并長期保持可靠的性能。

(5)標(biāo)準(zhǔn)刀具。規(guī)格豐富，刀具成本較低，通用性好。

4.5.2 刀具規(guī)格選擇

通過模擬分析計(jì)算，消除加工泄水孔過程中角銑頭的干涉并考慮加工刀具系統(tǒng)剛性，采用?80 mm高進(jìn)給銑削刀頭，有效切削深度為400～680 mm的刀桿，滿足螺旋插補(bǔ)銑直徑范圍及加工深度的要求，配合W形狀硬質(zhì)合金涂層刀片，能夠高效切削不銹鋼材料，刀具振動(dòng)小，適用于深孔銑削加工。

使用快速進(jìn)給刀具在大懸伸數(shù)控銑削不銹鋼后，加工表面的粗糙度較差，一般低于Ra12.5 μm，需要留量精鏜一刀以提高表面粗糙度，滿足表面無損檢測條件及使用條件。

加工中為延長刀具使用壽命，使用風(fēng)管接壓縮空氣對(duì)刀具進(jìn)行必要的冷卻，同時(shí)方便鐵屑的排出。

4.5.3 數(shù)控加工程序編制

根據(jù)泄水孔尺寸編制數(shù)控程序，旋轉(zhuǎn)加工坐標(biāo)系，使刀具軸向進(jìn)給方向與萬向角銑頭實(shí)際的角度一致，避免產(chǎn)生干涉和影響加工精度，控制螺旋加工刀路及軸向進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速及切削速度，采取順銑方式，有效減小加工中的振動(dòng)。尤其是刀桿懸伸較長時(shí)，會(huì)影響尺寸精度及表面粗糙度。加工?140 mm空間復(fù)合角度泄水孔程序如下：

G505

ROT Z=-2.25+60 Y-25；旋轉(zhuǎn)工作坐標(biāo)系

M3 S600 F3000；主軸正轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速、切削速度

R1=140/2-80/2

G0 X0 Y0

W0 Z0

G1 X=R1 Y0

G3 X=R1 Y0 Z-260 I=-R1 TURN=850；螺旋線銑圓，Z到-260，一共走850圈。

G3 I=-R1

G1 X0 Y0

G0 Z20

M30

為驗(yàn)證加工系統(tǒng)的剛性及程序的正確性，可以選用同材質(zhì)或相近材質(zhì)的廢料進(jìn)行試切削，同時(shí)粗試出切削參數(shù)。

5 泄水孔加工方案實(shí)施

直徑達(dá)?8600 mm的大型上冠，裝卡的穩(wěn)定性、安全性是首要考慮因素，要求必須按照專用裝卡方案包括裝卡高度、距離機(jī)床遠(yuǎn)近、裝卡壓點(diǎn)等要求進(jìn)行裝卡。

由于工件高度及把合孔、泄水孔分布高于機(jī)床Y軸加工極限，需要分兩次裝卡加工，加工流程為：放置方箱、等高墊鐵、V型鐵→按照要求側(cè)立→找垂直、扭別→過流面對(duì)稱焊壓塊→壓千斤頂→松開鋼絲繩→吊彎板→壓緊彎板→作點(diǎn)位→加工泄水孔→松開工件→旋轉(zhuǎn)180°→重新裝卡→加工另一半泄水孔。

經(jīng)加工后尺寸檢驗(yàn)，12-?140 mm泄水孔周向分布、入口端及出口端中心、直徑大小、空間復(fù)合角度均滿足圖紙要求。

6 項(xiàng)目應(yīng)用和推廣

(1)采取在數(shù)控鏜床上側(cè)立裝卡并使用萬向角銑頭，不僅可以加工分瓣式上冠的泄水孔，并且可以下墊V型鐵加工整體式上冠。目前已經(jīng)加工大型、中型上冠泄水孔10余件，加工尺寸均一次交檢合格。目前加工的泄水孔類型包括空間復(fù)合角度圓形泄水孔、空間復(fù)合角度腰圓形泄水孔、徑向斜角圓形泄水孔及徑向斜角腰圓形泄水孔。

(2)高速進(jìn)給銑刀及旋風(fēng)插銑加工的方式，成功運(yùn)用于大型鑄鍛件孔的加工，例如：上冠把合孔、汽缸汽封孔、斜向汽封槽、水電法蘭螺孔等加工，切削效率大大提高。

(3)上冠側(cè)立裝卡方案，已經(jīng)推廣至類似盤類件產(chǎn)品的裝卡加工，穩(wěn)定可靠。

(4)萬向角銑頭旋轉(zhuǎn)及數(shù)控程序編制方案，已經(jīng)成功運(yùn)用于燃機(jī)斜孔、汽缸、閥體等產(chǎn)品加工中。

7 結(jié)束語

經(jīng)過多種加工方案比較，創(chuàng)新性地采用數(shù)控鏜床側(cè)立加工泄水孔的方式，重點(diǎn)保證工件側(cè)立裝卡的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，通過數(shù)模裝配模擬萬向角銑頭刻度盤的旋轉(zhuǎn)角度確定泄水孔的空間復(fù)合角度，同時(shí)消除加工中可能出現(xiàn)的干涉問題，選用高度進(jìn)給端銑刀及螺旋插補(bǔ)銑削方式，避免過大的軸向力，優(yōu)化加工切削參數(shù)，突破了大型水電上冠空間復(fù)合角度泄水孔的技術(shù)瓶頸，同時(shí)兼具較高的加工質(zhì)量和加工效率，為后續(xù)大中型水電上冠泄水孔的加工奠定重要基礎(chǔ)，為類似產(chǎn)品的加工提供了一種思路。