數(shù)控龍門(mén)銑鏜床加工水輪機(jī)控制環(huán)方法與技巧

聶士海，陳榮，高有謀

（中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，武漢430074）

0 引 言

水輪機(jī)的關(guān)鍵零部件——大型控制環(huán)上圓周分布的斜面、斜孔加工是整個(gè)零件加工中的難點(diǎn)。控制環(huán)本體外輪廓的直徑為5700 mm，圓周上有16個(gè)與環(huán)體平面夾角60°的臺(tái)面，每個(gè)臺(tái)面上有一個(gè)垂直于臺(tái)面的定位銷(xiāo)孔，銷(xiāo)孔的孔徑精度和位置精度要求高，加工難度大。這些定位銷(xiāo)孔都以60°的方向按圓周均布指向控制環(huán)的空間原點(diǎn)上，各孔之間累計(jì)誤差不大于0.05 mm，加工中如何采取有效的技術(shù)手段保證斜孔的角度和在圓周上的位置精度是加工成功與否的關(guān)鍵。

本文以大型控制環(huán)圓周斜面及斜面上銷(xiāo)孔加工過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)合理選擇設(shè)備、工件裝夾方法、刀具、加工參數(shù)、加工方法及手工編制數(shù)控程序等，形成了一套經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用證明行之有效的圓周上斜孔加工工藝。

1 加工難點(diǎn)

水輪機(jī)控制環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 控制環(huán)俯視圖

圖2 銷(xiāo)孔剖視圖

1）控制環(huán)裝夾容易造成變形。零件外形尺寸較大，并且是Q235-B材料的焊接件，在零件裝夾的時(shí)候，要選擇正確的夾緊點(diǎn)，然后按照夾緊點(diǎn)的位置選擇合適的壓緊力，要使壓緊點(diǎn)和支撐點(diǎn)保持一致，讓夾緊力作用在支撐點(diǎn)上，從而避免因裝夾而使工件變形。并且壓緊點(diǎn)在不干涉加工的情況下，盡量選擇靠近加工面，才能減小加工過(guò)程中產(chǎn)生的變形。對(duì)于控制環(huán)這個(gè)零件，我們認(rèn)真分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇在內(nèi)外圓周錯(cuò)開(kāi)加支撐和壓緊（如圖3），同時(shí)考慮裝夾的先后順序，以精車(chē)基準(zhǔn)平面下面墊等高鐵并打表檢查基準(zhǔn)平面平面度，打表按順序壓緊，保證表針晃動(dòng)不超過(guò)0.01 mm，外圓周加可調(diào)墊鐵并打表適當(dāng)壓緊，保證表針晃動(dòng)不超過(guò)0.01 mm，同時(shí)要加大零件和夾具的接觸面積，這樣就會(huì)減小在裝夾時(shí)零件產(chǎn)生的變形。

圖3 裝夾簡(jiǎn)圖

2）控制環(huán)圓周斜面和垂直于上臺(tái)面的銷(xiāo)孔加工難點(diǎn)。控制環(huán)圓周上有16個(gè)與環(huán)體平面夾角60°的臺(tái)面，每個(gè)60°臺(tái)面的正反兩面都需要加工，并且凸臺(tái)反面加工空間有限，不易加工，臺(tái)面厚度51+0.5-0.5mm，而臺(tái)面上需要加工的正反斜面較大，如果選用一般刀具，用沉切法加工，加工時(shí)間較長(zhǎng)、效率低，而且也達(dá)不到圖樣要求的粗糙度。零件外形尺寸較大，環(huán)體件剛性差加工過(guò)程易變形，定位銷(xiāo)孔加工精度要求較高，φ50銷(xiāo)孔尺寸公差為0～0.03 mm，相對(duì)基準(zhǔn)面的角度公差為0.02 mm方向按圓周均布指向控制環(huán)的空間原點(diǎn)上，各孔之間累計(jì)誤差為0.05 mm, 各孔之間累計(jì)誤差不大于0.05 mm。

2 工藝方案

2.1 設(shè)備選用

根據(jù)工件外形尺寸和設(shè)計(jì)的要求，加工設(shè)備我們選擇了德國(guó)科堡移動(dòng)龍門(mén)銑鏜床，設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1所示設(shè)備參數(shù)完全可以滿足控制環(huán)圓周上60°的臺(tái)面正反面加工和臺(tái)面垂直方向上的斜孔加工。

表1 加工斜孔時(shí)所用設(shè)備主要參數(shù)

2.2 工件裝夾注意事項(xiàng)

零件裝夾時(shí)要保證兩個(gè)過(guò)中心的60°臺(tái)面與X軸平行，要保證另兩個(gè)中心的60°臺(tái)面與Y軸平行，以圖2所示的“基準(zhǔn)平面”作為基準(zhǔn)，裝夾校正好，同時(shí)也要考慮數(shù)控機(jī)床C軸的分度角及數(shù)控加工程序的編寫(xiě)，為后面加工做好充分的準(zhǔn)備，保證工件的各個(gè)位置的精度和公差。在裝夾時(shí)按照本文第1節(jié)的方法放置支撐點(diǎn)，按照?qǐng)D3所示的序號(hào)去校正適當(dāng)夾緊，可有效減少零件在加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力變形。

2.3 刀具選擇

三面刃（φ630）、φ49普通鉆頭和微調(diào)精鏜刀（φ45～φ51）的主要切削參數(shù)如表2所示。

表2 所選刀具主要切削參數(shù)

3 加工過(guò)程

3.1 確定工件坐標(biāo)系

首先要確定工件的X、Y軸的零點(diǎn)，即圖1中的O點(diǎn)。然后確定Z軸零點(diǎn)：把萬(wàn)能附件頭在沒(méi)有安裝刀具的端面與圖2所示“基準(zhǔn)平面”重合，完成Z軸對(duì)零。這一步非常關(guān)鍵，關(guān)系到各個(gè)孔相對(duì)于空間的位置度，要把Z軸對(duì)零誤差控制到最小，運(yùn)行加工程序，X軸、Y軸、Z軸回到工件中心。這時(shí)手動(dòng)把萬(wàn)能附件頭B軸旋轉(zhuǎn)-60°，并運(yùn)行B軸旋轉(zhuǎn)后的模態(tài)程序，系統(tǒng)默認(rèn)B軸角度就可以了，保證附件頭的角度和工件上的凸臺(tái)面的孔角度統(tǒng)一軸線，通過(guò)三軸加工程序完成圓周上各個(gè)凸臺(tái)面及斜孔的加工。

3.2 編寫(xiě)加工程序

確定刀具的長(zhǎng)度（即刀尖到附件頭端面的長(zhǎng)度），在控制面板參數(shù)里面設(shè)置好刀具的長(zhǎng)度、厚度、半徑，在編程中可以直接寫(xiě)刀具代號(hào)；然后編寫(xiě)加工程序，要熟練運(yùn)用ROT、AROT、TRANS、ATRANS指令編寫(xiě)加工臺(tái)面上的正反斜面的加工程序。

該程序是加工16-60°臺(tái)面正反面的粗精加工通用加工程序，粗加工時(shí)正反面各留有1 mm加工余量（手動(dòng)打開(kāi)切削液）；加工反面的斜面時(shí)，需注意三面刃的厚度（三面刃的厚度已在選用刀具時(shí)設(shè)置好）。留余量是為了防止零件在粗加工時(shí)產(chǎn)生變形，同時(shí)也是為了精加工時(shí)松開(kāi)所有的壓板，為應(yīng)力釋放做好準(zhǔn)備工作。

該程序時(shí)加工垂直于臺(tái)面的φ50銷(xiāo)孔（手動(dòng)打開(kāi)切削液），預(yù)鉆成φ49的通孔，為精鏜孔做好準(zhǔn)備。

以上所有的粗加工都已經(jīng)完成，可以松開(kāi)所有的壓板，使工件適當(dāng)釋放加工時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，再一次適當(dāng)?shù)貖A緊，重新確定工件的加工零點(diǎn)，那么在精加工時(shí)可最大限度地減少工件變形，保證各個(gè)相關(guān)尺寸。

精加工16-60°臺(tái)面的正反面時(shí)，需要更換好三面刃的刀片，在加工余量小的情況下，可有效保證臺(tái)面的厚度51 mm。只是在鏜孔時(shí)，需要更改程序二中的“程序段N15”鉆孔循環(huán)，更改成鏜孔循環(huán)：N15 MCALL CYCLE86(500,0,2,,-52,1,3,0,-0.2，0,0,0,1,11)，并更改刀具號(hào)H3（微調(diào)精鏜刀（φ45～φ51）），微調(diào)精鏜刀需多次調(diào)整刀具直徑，來(lái)完成孔的加工。使用鏜孔循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是在每次鏜孔完成后，退刀時(shí)可以有效地避免退刀時(shí)劃傷孔壁，保證孔的表面質(zhì)量。

上述簡(jiǎn)單的加工宏程序中的H`2和L，如果圖樣沒(méi)有給尺寸，我們可以通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算得出，如：H`2=R·tan 30°、L=R/cos 30°（如圖4）。當(dāng)然也可以通過(guò)CAD軟件畫(huà)圖進(jìn)行測(cè)量得到。

圖4 H`2和L尺寸計(jì)算示意圖

4 結(jié) 論

本文在分析水輪機(jī)控制環(huán)圓周斜面及斜孔加工技術(shù)要求和加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從設(shè)備選用、工件裝夾、刀具選用、加工過(guò)程等方面進(jìn)行研究，形成較為合理的圓周斜面及斜孔加工方案。生產(chǎn)實(shí)際裝配應(yīng)用表明，圓周上斜面及斜孔加工方案能保證加工滿足設(shè)計(jì)要求，為以后此類圓周斜面及斜孔零件的數(shù)控加工提供了參考。