支撐柱曲面變角度坡口加工技術分析

蘇偉，武術寶，李海斌

一重集團大連核電石化有限公司 遼寧大連 116113

1 序言

我公司承制某核電項目的支撐柱，其結構為一個柱體的一端上加工一個球形曲面，并在曲面上加工一個22°～40°變角度的焊接坡口，該坡口為支撐柱與下封頭組焊坡口，坡口形式復雜，為空間曲面結構，如圖1所示。另外，根據工藝要求，支撐柱來料為鋼管結構，待加工區域加工余量較大，如采用數控鏜床粗加工，加工成本將增加，且加工效率將降低。由于其為批量件，如何利用公司現有資源，開展工藝技術研究以降低加工成本、減輕機床負荷尤為重要。

圖1 支撐柱示意

2 高效去除余量

2.1 計算球形坡口尺寸

根據三角函數關系，計算出劃線所需的相貫線等分坐標，制作劃線樣板。圖1中的SR球面和22°～40°的變角度坡口，簡化為45°斜面，將45°斜面與圓柱面的相貫線在圓周方向分為24等份，即每15°計算一次高度值，最低點按留余量20mm確定為320mm，高度值計算公式為

式中，L為距離底板上面最低點高度（m m），大小為320m m；R為柱體半徑（m m），大小為161.9mm；α為等分點處各個角度值（°）。

代入式（1）可以得出各個等分點的高度值，見表1。

表1 等分點高度值

2.2 采用鋸切工藝高效去除加工余量

通過對比分析粗加工方法，從成本及效率等方面綜合考慮，制定劃線后鋸床加工的方案[1]，具體步驟如下。

（1）劃線 根據表1中的數值，在網格紙上畫出各點，連線，按線裁剪出樣板。

根據劃線樣板，畫出45°粗加工線，打沖眼于柱體外圓，深度≤0.5mm。將樣板貼合于柱體外圓，作為標尺劃線，一次劃半圓，兩次劃出坡口加工線。

（2）鋸切 采用液壓卡鉗裝夾工件，按簡圖找正45°夾角（L1=L2），如圖2所示。并測量底板側邊兩端到工作臺距離相等。

圖2 粗加工示意

按線鋸切支撐柱（見圖3），刀口寬度≤5mm。鋸切深度超過鋸條寬度時，用塞塊塞實鋸切縫隙，防止鋸條因阻力過大而折斷。鋸切工件，在開始時將進給速度降低一半，密切觀察是否有偏斜現象。當鋸削深度大于鋸條寬度時，采用楔塊塞緊縫隙，避免鋸條因阻力過大而折斷。鋸切接近斷開約10mm時，將進給速度降低一半，防止結束過快崩傷鋸齒。同時整個過程密切觀察鋸條劃線之間的距離。

圖3 支撐柱

3 數控加工空間曲面

3.1 裝夾方式

如果柱體軸線面對主軸加工，加工時刀具伸出長度近350mm。此方法主軸伸出量過長，機床無法實現連續加工。為解決此問題，采用轉角度放置的方法實現加工，造型分析曲面最佳放置角度，使零件加工時主軸伸出量最小，從而保證零件的加工質量，提高零件的加工效率。

具體裝夾如圖4所示，零件采用臥放狀態，零件中心線與X軸成45°放置，按零件外圓找正各向。

圖4 裝夾示意

3.2 工藝銷及工藝零點設定

零件斜向擺放后，缺少對刀面，無法設置工藝零點G54。于是在零件旁邊擺一個工藝銷，機床坐標系旋轉45°，用百分表測量工藝銷至支撐柱端面的距離（X1）以及工藝銷至支撐柱中心的距離（Y1）的值。通過式（2），可以計算得到工藝零點G54至工藝銷的距離X2、Y2的值。

機床使用直角銑頭，旋轉角銑頭使銑頭朝向X軸正方向，以工藝銷為基準定G54X0Y0于圖4所示位置。以支撐柱外圓為基準定G54Z0。

3.3 加工程序及留量控制

在加工變角度坡口時，由于加工余量不均勻，為避免加工量大及損傷刀具和機床等問題，程序需要多次重復走刀，由此將帶來加工時間長和零件加工效率低的問題。為此，根據產品結構尺寸，分別編制了5個NC程序，用于不同工步的加工需求[2，3]。

首先使用φ50mm玉米銑刀，使用程序1粗加工SR2390.4mm球面，單邊留量0.5mm；然后使用SD40mm的球刀，使用程序2精加工SR2390.4mm球面；接著使用φ50mm玉米銑刀，使用程序3、程序4，分別加工去除長軸和短軸方位兩處過大的余量；最后使用φ50mm玉米銑刀，使用程序5精加工22°～40°坡口[4]。

以上所有程序均可通過修改程序中的參數R1實現偏置留量加工，因零件與X軸成45°方位放置，故留量時必須沿X/Y軸同時偏置。

3.4 加工過程控制

為確保最終產品加工尺寸無誤，需要在加工過程中進行相應的工藝控制[5]，以確認加工方法、加工程序的正確性以及加工后零件形狀的準確性。

1）分析零件模型，根據零件模型的尺寸及加工留量情況給出母線的長度，供操作人員加工中測量確定使用。

2）NC程序走刀時在0°方位的特殊點起刀，以方便操作人員測量。

3）設計一個R曲面測量樣板，供操作人員在加工過程中檢驗使用，檢驗合格后方可進行坡口的加工。

4）坡口加工后0°、180°特殊點母線長度在工藝簡圖中標識，以方便操作人員對刀試切削時使用。

4 結束語

本文針對支撐柱曲面變角度坡口的加工難點，進行技術分析和工藝改進，通過鋸切工藝實現余量的快速去除；通過零件傾斜擺放并放置工藝銷的方法，解決了加工過程中刀具懸長過長，無法確定工藝零點等問題。實踐證明在此裝夾條件下，刀具可以明顯縮短，提高了加工穩定性，加工參數能夠達到vf=1200mm/min、n=800r/min的水平，極大地提高了加工速度。加工過程中采用零件傾斜擺放并放置工藝銷確定工藝零點的方法，簡單實用，具有很好的推廣價值。