淺析壓力容器機加裝夾方式改進實踐

宋陽 薛鋼

摘要：壓力容器作為常用的工業設備，在加工生產中常離不開裝夾操作。本文主要討論為保證薄壁壓力容器機加精度所采用的裝夾方式。通過分析在各個機加工序過程中的難點并結合立式裝夾與臥式裝夾的優缺點來確定最終的壓力容器機加裝夾改進方案。希望本文能對相關人員具有一定的啟發作用。

關鍵詞：薄壁;壓力容器;裝夾;立式;臥式;機加

壓力容器是一種能夠承受壓力的密閉容器。壓力容器的用途極為廣泛，它在工業、民用、軍工等許多部門以及科學研究的許多領域都具有重要的地位和作用。在壓力容器加工生產中常離不開裝夾操作，下面探討一種保證薄壁壓力容器機加精度所采用的裝夾方式。

前言

在柱式薄壁壓力容器制造過程中按照工藝要求依次完成了上下法蘭面外圓的粗車、孔的加工以及上下法蘭面的精車削，現要進行法蘭孔的加工。此工序直接影響著壓力容器的裝配精度。此壓力容器高2794mm，內徑為3505.2mm，壁厚為25.4mm。需要加工法蘭上均布的40個法蘭孔。

針對法蘭孔的位置以及筒體的分析，加工難點主要表現在：其一，相對壓力容器的高度，筒壁可以認為薄壁件，加工時候的振動易造成刀具的損傷，從而影響加工件的質量;其二，容器內徑為3505.2mm，壁厚25.4mm，筒體在吊裝過程中容易產生機械變形，另外，孔與底法蘭內圓以及頂法蘭上表面更有位置度要求為0.38mm，公差相對嚴格，這一要求在加工上增添了難度。

考慮上述難點與各個工序，選擇數控落地鏜銑床TK6920B來加工。此設備工作臺尺寸滿足此容器加工的同時，還可以進行360°的旋轉，方便找正。此設備為三軸聯動，加工精度可滿足相應要求。在此考慮進行了兩種加工方式的實驗。

一、柱式薄壁壓力容器的臥式加工

根據以往經驗，類似零件一般采用“V”型鐵輔助臥式加工。這種加工方式方便程序編程加工，而且能提高加工的準確性。

（一）前期準備工作

壓力容器的壁厚為25.4mm，相對3m高的筒體可認為薄壁件，吊裝過程中能引發筒體擠壓變形，造成筒體失去本身固有的形狀。另外，臥式放置本身的重力以及捆扎帶的壓力會造成筒體上下兩邊突的變形。

而在壓力容器內部裝入撐圓器，可以有效地防止上述情況的產生。撐圓器結構是由24個調整螺栓均布在環形梁上焊接而成，通過調節與筒體內壁貼合的螺栓與筒體之間的間隙實現調整容器圓柱度。吊裝前在筒體內部裝入撐圓器，撐圓器中間由支撐立柱鏈接。調整撐圓器上的螺栓，在保證筒體圓柱度在允許范圍內的同時，又可以確保薄壁壓力容器內徑與筒體在自由狀態下的內徑差值在公差內。

（二）找正與裝夾

（1）“V”型鐵的找正裝夾

準備工作結束后，首先要進行的是找正“V”型鐵。兩“V”型鐵規格為2000mm×600mm×700mm×120°，均布在可回轉工作臺上，兩者間隔為1400mm。以“V”型鐵其中一邊為基準，另一邊測得的數據最大差值僅為0.04mm，相對內徑高度為3m多的壓力容器并不影響加工精度。而且，壓力容器的外端為毛坯面，放置到“V”型鐵后還需要進一步的找正。

（2）薄壁壓力容器的找正與裝夾

薄壁壓力容器放置在已經找正的“V”型鐵上，以已經加工完成的底法蘭面為基準XY兩個方向上校表找正筒體，回轉工作臺使頂法蘭面朝向主軸，以XY兩個方向校表驗證頂法蘭面。驗證結果可知底法蘭面找正后在X軸方向上已找平，Y軸方向頂部比底部高0.348mm，略前傾;頂法蘭面X軸方向差0.02mm，Y軸方向相差0.365mm。這樣的差值在0.38mm之內滿足找正條件，可以進行裝夾。

薄壁壓力容器在裝夾時用卡箍帶固定，尾部配彎板輔助支撐。完成后驗證底法蘭頂法蘭端面與主軸的垂直度，驗證結果可知，經裝夾后底法蘭和頂法蘭在X方向上基本無變化，在Y方向上最大差0.3mm，說明在裝夾過程中沒有引起薄壁壓力容器“前傾”或者“后仰”的位置變化。

2、程序實現

臥式加工方式最大的好處是能將圖紙給出孔的直角坐標系直接寫入程序內。但在實際的裝夾過程中，很難將0°～180°線、90°～270°線線與X軸線、Y軸線相平行，他們之間總會有一定的夾角。這樣在程序編寫上若仍按常規的編寫方式，則要將偏移后各個孔的坐標重新進行計算，這樣將會帶來煩瑣的計算量，進而臥式加工方式的優勢就不復存在。

為解決這一問題，方便程序編寫實現。引入旋轉坐標系“ROT”命令。在實際加工中測得筒體的0°～180°線、90°～270°線構成的直角坐標系與機床坐標系的夾角為20°，Z軸垂直于要加工面，因此旋轉時要以Z軸為中心，程序實現上，只需在程序開頭處加入ROTZ20，其他的坐標系按照原圖紙上的坐標來進行編寫即可。

三、加工過程及測量結果

程序驗證結束后，進行法蘭孔的鉆削。在試加工過程中發現，鉆孔時筒體有振動，特別在加工頂部孔的時候，振動尤其嚴重。另外，鉆孔結束后，在XY方向分別取直徑上兩孔，分別測量兩孔之間的距離。測得數據：

X方向：11138.51-7642.615+10=3505.895;

Y方向：3620.129-129.823+10=3500.306;

兩個方向上的孔距相差5.59mm，超出了公差的范圍。

分析總結后，薄壁壓力容器裝夾時雖有“V”型鐵定位，但是壓緊裝置只有卡箍帶輔助一彎板，裝夾強度不能滿足加工需求，而且切削力的方向與夾緊力的方向不平行，加工極易發生振動。另外，薄壁壓力容器內雖然裝有內撐圓加以支撐，防止筒體變形。但是沒有考慮薄壁壓力容器本身自重，造成了筒體與孔距嚴重超差。因此，這種理論性的臥式加工方式在實際加工中不可取。

四、薄壁壓力容器立式加工

數控落地鏜銑床TK6920B工作臺可以在平面360°內任意旋轉角度為薄壁壓力容器立式加工提供了可能性。筒體直徑為3556mm，限于Z軸的長度，鉆孔不可能一次性將所有的孔都加工完。只能每次旋轉90°，分4次加工。

（一）前期準備

鑒于薄壁壓力容器易變形的特點，在裝夾前仍需將3層內支撐放置在筒體內，調整撐圓器上的螺栓，保證筒體圓柱度以及中筒體內徑差值在允許范圍之內，并將撐圓器點焊在筒體上。

（二）找正裝夾

將準備好的筒體放置在已經清掃干凈的工作臺面上，底法蘭朝上，驗證底法蘭的平面度，可知平面度在0.15mmm之內，滿足加工要求。然后以已經加工的底法蘭外圓為基準，找正屏蔽罩中心與回轉工作臺中心同心，找正結果顯示底法蘭圓度較好，未發生明顯的變形。裝夾過程中，在與工作臺貼合的頂法蘭處用均布的壓板固定，與底法蘭相近內撐圓處選擇合適3～4個位置點進行壓緊。

（三）程序實現

薄壁壓力容器裝夾完成后，開始程序的編寫。編寫過程中無法直接用圖紙給出孔的直角坐標，必須進行計算轉換下。將直角坐標系轉換成孔中心到筒體中心的距離以及孔中心筒體中心連線與0°～180°線的夾角。程序實現時候調用鉆孔循環CYCLE80，結合極坐標進行鉆孔加工。

（四）加工過程及測量結果

程序驗證結束后，進行鉆孔加工。在加工過程中，由于鉆頭垂直于工作臺面，鉆削力的方向平行于筒體側壁，且平行于壓板壓緊力的方向，故相對于立式加工方式振動要輕很多，得到孔的表面質量也相對比較高。

加工結束后，利用激光跟蹤儀進行孔之間的位置以及孔的位置度的測量，測得的數據都在圖紙加工要求的范圍內。

結語

在薄壁壓力容器加工過程中，先后進行了臥式和立式的兩種加工方法的試驗。在試驗過程中發現，臥式加工方式容易引起屏蔽罩的變形和振動，而立式加工方式加工比較平穩，且能鉆削出高質量的符合要求的法蘭孔。類似這種大型薄壁工件在加工時選擇立式加工方式能有效地避免振動和變形，進而能得到較高的加工質量。

參考文獻：

[1]張延榮.淺談普通機床數控化改造技術[J].民營科技，2017（6）：14.

作者簡介：

宋陽，薛鋼，沈陽東方鈦業股份有限公司。