凝汽器管板隔板加工專用機床分析

黃立峰奚超龍

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

0 概 述

在電站系統中，凝汽器可將汽輪機的排汽冷凝成水，并在汽輪機排汽處建立真空和維持真空。凝汽器性能的優劣直接影響機組運行的安全性和經濟性。

近年來，國內凝汽器技術已有長足的進步，1 000MW核電凝汽器技術已經完全自主化。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、擴孔、絞孔等傳統加工方法。

隨著凝汽器技術的進步和單機功率的劇增，凝汽器設備也巨型化了。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，單塊管板孔數接近14 000個。管板、隔板的尺寸和鉆孔精度，如圖1所示。用傳統方式加工如此眾多的孔數，并需達到較高的加工精度，顯然已不適應當前電站建設的需求。因此，使用先進高效的專用機床，是凝汽器管隔板加工的發展趨勢。

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床的類型

大型熱交換器專用鉆孔機床的發展很快，采用數控龍門多軸鉆床是許多生產廠家的共識。龍門多軸鉆床的生產主要分布在歐洲、美國、日本等地。按專用機床的結構形式，可分為隊列式、獨立驅動式、混合式等。各種結構形式均有優缺點，現對各種結構的設備類型進行分析和比較。

2 隊列式多軸鉆床

隊列式數控龍門多軸鉆床興起于上世紀70～80年代。機床特點是鉆軸數量多，通常為25～41根，通過多軸鉆的同時鉆削提高加工效率。某型27軸專用鉆孔機床，如圖2所示。

圖2 某型隊列式27軸鉆床

2.1 隊列式多軸鉆床結構

機床的加工范圍在長為8m、寬為5～6m的區域內。鉆軸被安裝在機床的托板上，托板可在Y軸方向作整體移動。各鉆軸之間的距離由間距塊控制，間距不能自動調節。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，就需要準備多套間距塊。機床加工孔間距的精度完全取決于間距塊精度，由于間距塊數量多，容易產生累計誤差，對間距塊安裝調整的要求較高，更換調節塊的工作量大。某型35軸隊列式多軸鉆床的間距塊重達12kg，如圖3所示。

圖3 某型35軸隊列式多軸鉆床的間距塊

由于隊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立電機，機床結構的設計和系統控制將會非常繁復，從機床運行的穩定性和便于檢修考慮，這種布置方式不太可取。隊列式多軸鉆床一般由2～4臺大功率電機提供動力，每臺電機可帶動多根鉆軸轉動。較少的電機簡化了機床結構和電氣控制部分，但對軸間傳動系統的設計提出了更高的要求。為使電機的動力分配到多根鉆軸上，一般采用傘齒輪、萬向聯軸器或進行組合的連接方式。某型隊列式27軸鉆床上的伸縮連軸及萬向聯軸器，如圖4所示。這種傳動結構的缺點是機械損耗大，扭矩輸出時有波動現象，且分配至每根鉆軸的扭矩和轉速均有限，切削轉速一般不可高于500r／min。

圖4 某型隊列式27軸鉆床上的伸縮連軸及萬向聯軸器

2.2 隊列式多軸鉆床刀具選用

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

由于隊列式多軸鉆床轉速低，一般不需要使用內冷卻鉆頭，故這種設備大多不具備內冷卻功能。

2.3 隊列式多軸鉆床機床精度

隊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（均為加工區內任意位置）。

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）。據此可知，采用隊列式多軸鉆床進行孔加工，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 隊列式多軸鉆床加工方式

由于隊列式多軸鉆床的軸數多，其轉速和扭矩均受限制，無法進行高轉速大進給量切削。受機床本體加工精度的限制，需采用多道工序以確保孔加工精度，所以，機床的實際加工效率并不高。1 000 MW凝汽器管板的加工需用時約96h。如果更換調節間距塊，還需增加額外工時進行間距精度的調節。

加工隔板時，由于隔板多為疊鉆，不適宜大進給量的切削加工，且加工精度低于管板加工精度，所需工序相對較少，所以，隊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

當企業生產能力不足時，可對管、隔板進行引孔定位后，再使用其他鉆孔機床進行加工。由于引孔切削量小，工件裝夾較為簡單。從加工效率方面考慮，因隊列式的鉆軸數量眾多，致使引孔加工的效率極高。同時，由于鉆軸數多，進給量小，加工時，板材在較大范圍上的受力均勻，即使簡單裝夾也不會對加工精度和鉆削進程產生影響。利用麻花鉆的材質特性，采用較低的加工轉速，也減少了麻花鉆頭的損耗。

2.5 隊列式多軸鉆床設備特點

根據分析，隊列式多軸鉆床的加工特點主要有：

（1）鉆軸數量多，加工效率較高。

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

（3）機械結構較復雜，易磨損，檢修成本高。

（4）受機床結構限制，鉆軸的轉速較低，分配至鉆軸的扭矩不大，不能使用高速鉆頭進行加工。一般不具備內冷卻功能。

（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，致使實際加工效率不高。

（6）疊鉆加工的適應性強，適合加工凝汽器隔板，引孔效率高。

3 獨立驅動式多軸鉆床

隨著大型機床制造技術的成熟以及數控系統的發展，上世紀90年代，開發了1種新型數控龍門多軸鉆床。這種多軸鉆床經過不斷改進，已成為大型熱交換器管板和隔板孔加工的專用加工機床。

這種多軸機床的鉆軸結構采用了模塊設計，在Y方向上的移動、進給、旋轉均設計成獨立模塊。在機床結構強度允許的情況下，理論上可以在龍門上安裝任意數量的鉆軸，所以，具有這種結構的多軸機床也被稱為獨立驅動式多軸鉆床。某型獨立驅動式6軸鉆床，如圖6所示。

圖6 獨立驅動式6軸鉆床

3.1 獨立驅動式多軸鉆床結構

獨立驅動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、機床龍門結構強度、設備價格等因素，鉆軸數常選為6～10根。

每根鉆軸可在Y軸方向上獨立移動，可自由調節軸之間的間距，適應各種管孔間距的管板與隔板加工。每根鉆軸的位移均受機床數控系統的控制，利用光柵檢測技術，鉆軸位移的定位精度較高。

由于鉆軸數少，鉆軸布置的密度小，每根鉆軸均有獨立的驅動電機，電機功率超過28kW，附一組皮帶輪傳動以防止電機過載，再無其他傳動機構，因此，電機輸出的動力基本無損的傳送至鉆軸。鉆軸的最大扭矩能達到250N·m，轉速可高達3 000 r／min。

獨立驅動式多軸鉆床與隊列式多軸鉆床相比，鉆軸數少，進給量大，加工時的進給反力也較大而集中。如果橫梁剛性不足，橫梁就容易產生變形，會影響加工精度甚至損傷鉆頭，所以對龍門橫梁結構有很高要求。克服橫梁變形的主流方式有2種，一種是使用鑄鐵材質的龍門架，采用HT350材料。這種材質的龍門結構簡單，龍門架的強度和耐磨性高，鑄造后的殘留應力小，不易因長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中的獨立驅動式6軸鉆床就采用了鑄鐵龍門。另一種是采用結構件龍門，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給力，避免進給力過大而使龍門架的橫梁變形。這種結構件龍門的優點是成本低，但龍門結構復雜，焊接結構件的應力會緩慢釋放，有可能造成龍門架變形而影響加工精度。使用了頂梁龍門結構的多軸鉆床，如圖7所示。這種龍門結構及頂梁的受力分析，如圖8所示。

圖7 某型獨立驅動式10軸鉆床

圖8 獨立驅動式10軸鉆床龍門及頂梁的受力分析

3.2 獨立驅動式多軸鉆床刀具選用

獨立驅動式多軸鉆床主軸的轉速高，扭矩大，可使用硬質合金鉆頭、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，機床具備銑削功能。獨立驅動式多軸鉆床具備內冷卻功能，可以滿足高速鉆孔時排屑和散熱要求。

3.3 獨立驅動式多軸鉆床機床精度

獨立驅動式多軸鉆床定位精度一般在：X軸0.05mm，Y 軸0.01mm，Z 軸0.01mm（均為加工區內任意位置），加工表面的粗糙度為Ra2。實際使用中，在刀具選用和工藝參數合理的情況下，孔的加工精度為D＋0.1－0，孔節距精度為±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，則可達更高的加工精度。

3.4 獨立驅動式多軸鉆床加工方式

獨立驅動式多軸鉆床的鉆軸數少，但轉速高、輸出的扭矩大，常采用高轉速的加工方式。這種設備的加工精度也較高，僅用鉆孔工序進行加工，就能滿足常規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。獨立驅動式多軸鉆床與隊列式多軸鉆床相比，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勢不明顯。由于隔板本身較薄，而且疊放后的隔板之間有空隙，鉆削進給力會使隔板發生彈性變形，鉆頭穿通第一塊板的瞬間，鉆頭對該隔板的進給力突然消失，隔板因恢復原狀態而彈起，這種彈起將對刀具產生沖擊，對質地硬脆的高速鉆頭容易造成損壞。此刻，第二塊隔板仍受進給力而處于變形狀態，2塊隔板之間的間隙增加，使內冷的冷卻液由此間隙流走，引起內冷液壓力的降低，鉆頭排屑槽內的鐵屑依靠內冷液的壓力進行排屑，由此，會造成鉆孔排屑困難，影響了鉆孔的加工精度，鉆頭的損耗也會增加。如果使用低轉速的麻花鉆等，由于鉆軸數量少，效率遠低于隊列式多軸鉆床。可見獨立驅動式多軸鉆床對疊鉆加工的適應性不強。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

獨立驅動式多軸鉆床在引孔時的工作效率明顯不如隊列式龍門鉆床。引孔加工的切削量很少，無法充分發揮獨立驅動式多軸鉆床高速切削的優勢，而且引孔時工件的裝夾較簡單，不利于高速切削和大進給量的加工模式，甚至產生沖擊，損傷機床設備，引起刀具損壞。獨立驅動式多軸鉆床的刀具成本也明顯高于隊列式鉆床的刀具成本。

獨立驅動式多軸鉆床的加工編程較復雜，需使用編程軟件進行編程，所編程序的繁復程度直接影響機床的加工效率。所以，編程軟件的后繼開發是設備生產企業工作的重點，也是體現企業競爭力的所在。以某公司的編程軟件計算，可為每根軸劃分不同的加工區域，如圖10所示。經計算，8軸鉆床的軸使用率等效于7.53根軸，1臺8軸鉆床加工凝汽器管板的軸使用率為94%，鉆軸的使用率相當高。

圖10 某公司編程軟件編制的加工程序

3.5 獨立驅動式多軸鉆床設備特點

根據分析，獨立驅動式多軸鉆床的主要特點有：

（1）鉆軸數量一般為6～10根。

（2）每根鉆軸在Y方向上移動、進給、旋轉均為獨立驅動。

（3）軸間距可自由調節，對產品加工的適應性強。

（4）采用模塊化設計，機床結構簡單。

（5）軸的轉速和扭矩高，適合高速加工，有內冷卻功能。

（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。

（9）刀具成本較高。

（10）對編程軟件的依賴性高。

4 混合驅動式多軸鉆床

混合驅動式多軸鉆床是介于獨立驅動和隊列式驅動鉆床之間的一種多軸鉆床。混合驅動式8軸鉆床，如圖11所示。

圖11 混合驅動式8軸鉆床

混合驅動式多軸鉆床具有8～10根鉆軸，安裝在1塊移動拖板上，拖板在Y軸方向上可以自由移動，拖板上的鉆軸可在小范圍內自由調節間距。每根鉆軸由1臺電機驅動，最大轉速可達3 000r／min。

混合驅動式多軸鉆床可看作隊列式多軸鉆床向獨立驅動多軸鉆床發展的中間產物，基本克服了隊列式多軸鉆床間距不能調節以及鉆軸轉速和扭矩不高的缺點，借用隊列式多軸鉆床的拖板結構，用比較簡單的辦法解決多根鉆軸加工的邏輯關系。混合驅動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，相比于獨立驅動式多軸鉆床仍有一定差距。

圖12 混合式驅動式多軸鉆床加工路徑示意圖

由于增加了1塊拖板，鉆削進給的反力分解情況更為復雜，為了抵消進給反力，所設計的龍門體積較為龐大。另外，鉆軸的坐標需根據鉆軸在托板的位置和托板在龍門的位置計算得出，存在累積誤差。所以，機床的加工精度略差于獨立驅動式多軸鉆床。

隨著獨立驅動式多軸鉆床技術的日趨成熟，混合驅動式多軸鉆床已不是加工行業內的開發重點。

5 多軸鉆床發展趨勢

多軸鉆床的適用范圍小，技術含量高，其技術開發主要集中在美國、歐洲。

從機床的發展狀況分析，獨立驅動多軸鉆床是未來多軸機床技術發展的方向。隨著機床模塊化技術和數控系統發展的日趨成熟，只要結構設計合理，生產獨立驅動多軸鉆床對于大型機床制造企業來說并非難事。但在控制多軸間的邏輯關系，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，我國也在進行多軸鉆床的技術開發，現也能制造獨立驅動數控龍門多軸鉆床和其他結構類型的多軸孔加工專用機床，但與國際上多軸鉆床技術相比，還存在著一定的差距。

6 結 語

采用高效的多軸機床設備，對凝汽器管隔板進行加工，是凝汽器制造行業的發展趨勢，但對于選用哪種型式的多軸鉆床更為有利，則需要制造企業結合自身產品的加工現狀進行分析，不能一味追求最先進的設備而盲目追加設備投資。要綜合分析產品種類、產量情況、精度要求和設備成本等因素，仔細考慮多軸鉆床與企業現有設備的互補性，選擇適合企業的多軸鉆床。這樣，才能既提升生產水平，又不增加企業的負擔，達到技術改進的目的。