球墨鑄鐵管件機械加工工藝及其裝備

劉善江，陳紅光

（蕪湖新興鑄管有限責任公司，安徽蕪湖241002）

0 引 言

國家標準GB/T 13295 中所述球墨鑄鐵管件有三通、彎頭、直通（如盤承盤插）等類型，其接口有承口、法蘭、插口等形式[1]。公稱口徑從DN80 到DN3000，常用品種規格多達5000 余種，訂單通常為多品種、多規格搭配的形式，生產組織上采用多規格共線生產模式，有余量的部位需要機械加工。加工工藝分兩道工序：1）車削各接口外圓、端面、內孔等部位；2）鉆削法蘭孔。市場上很少有管件加工專用機床，只能選擇普通機床來加工，如普通臥式車床、立式車床、T611 鏜床、搖臂鉆等，并輔以大量的夾具、鉆模等工裝。

加工中存在以下問題：1）普通機床及工裝的通用性差、可調整范圍有限，難以滿足多規格、多品種共線生產所需要的裝卡要求；2）單個管件加工部位多，單一部位加工余量小，所需加工時間短，但裝卡時間長，影響整體加工效率；3）使用普通機床人工多，且人力成本越來越高，質量易受人工影響而波動。

對以上問題，需優化加工工藝、改進加工工裝，甚至改造設備、定制專用加工機床才能從根本上解決。在這方面很少有設備專業廠家為管件配套開發專門工裝及設備，通?？抗芗S自己探索改進，開發能力受限；而開發專用機床，機床廠中的小廠干不了，大廠又不愿干。筆者所在公司生產管件多年，在設備改造、設計制造專機方面做了不少嘗試，尤其近幾年數控技術的應用，數控化的專用機床得到了推廣[2]。本文主要對DN300 以內小規格管件的加工進行探討。

1 DN80～DN300管件特點

1）該規格段產品公稱口徑雖小，但需求的數量多，故加工要求快速高效。因毛坯通常采用生產線批量生產，產品尺寸穩定，承、插接口通常直接鑄造成型，僅法蘭面、螺栓孔（砂型鑄造）需要加工。消失模工藝生產時通常將螺栓孔也鑄出來，甚至有廠家將法蘭端面直接精鑄成型。

2）產品外形一致性高，便于采用統一的加工工裝，利用毛坯的粗基準定位，實現快速定位，液壓夾緊，數控自動加工。

3）這類產品質量在8～25 kg 之間，質量較輕，可采用手工搬運裝卸。

2 加工工藝分析

DN300 以下規格段產品按照毛坯鑄造工藝不同，通常管件加工余量的設置也不同，通常有以下3 種不同的做法。

1）管件承口和插口鑄造成型，法蘭盤需要加工，包括車法蘭面、鉆法蘭孔，通常采用砂型鑄造的產品屬于這種方式。毛坯如圖1 所示。

圖1 DN100～DN300 管件毛坯

2）管件承口和插口鑄造成型，法蘭盤孔整體鑄出，只需要加工法蘭端面。消失模工藝生產時通常采用這種。

3）管件承口、插口、法蘭盤皆鑄造成型，包括法蘭面、法蘭孔一次性鑄造出來，只對其中因縮水波動、失圓導致沒有達到尺寸要求的部分管件進行加工，其加工數量取決于鑄造工藝穩定性。

下面以第一種情況探討機床的配置及加工，上述第二、三種可以在第三種的加工機床中選擇使用。按上述分析，小管件的加工主要內容是法蘭盤的車面、鉆孔，管件類型不同，其加工工藝需分別進行設計。

帶盤管件的加工部位通常為法蘭的密封面、法蘭螺栓孔。加工要求如圖2 所示。

通常分車（或鏜）、鉆兩道工序。第一工序：采用鏜床或車床加工法蘭端面，使用YG6、YG8硬質合金刀具，線速度可達80 m/min，進給量0.10～0.15 mm/r；第二工序：采用搖臂鉆或多孔鉆加工螺栓孔，使用普通麻花鉆或者合金鉆頭，干式切削。以上產品加工效果能達到表面粗糙度Ra6.3 μm 及尺寸公差要求[3]。

因需要每個法蘭盤接口逐一加工，即使一個管件上只有一個法蘭盤，也需兩道工序，兩次裝卡，因多規格共線生產，規格變化時還需要頻繁調整夾具，以保當班各規格產品同時流轉。

對于有多個法蘭盤的件需逐個法蘭加工后對其余接口重復同樣的加工方能形成一個工序成品，例如一個三盤三通，需要3 次車面、3 次鉆孔，共計6 次裝卸。多法蘭件在三通件上的支管大小也不相同，很少有批量，其加工工裝的調整更頻繁。

為了提高效率，根據上述管件特點，宜采用多部位同時加工或單一部位多工序合并在一次裝卡中加工完成的方式，以減少工件裝卡、定位等輔助時間，減少裝卡次數，是提升加工效率的關鍵。

3 加工設備種類

按產品帶法蘭盤的數量及位置，我們將產品按需要加工部位的數量分為單法蘭件、多法蘭件。一個管件只有一個法蘭需要加工的，我們稱為單法蘭件，產品包括盤承、盤插、帶支盤的三通等。單個管件上有2 個或2 個以上法蘭的，稱多法蘭管件，包括雙盤短管、雙盤彎管、雙盤漸縮管、三盤三通等。

3.1 單法蘭類管件加工工藝及設備方案

其加工工藝優先采用車、鉆兩工序合一的方式，一次裝卡即可加工完成全部加工。機床如圖3 所示，此機床設鏜車頭、群鉆頭各1 件，安裝于動力滑臺上，帶回轉式工作臺，設4 個工位，1 個裝卸工位、1 個鏜車工位、1 個鉆孔工位，預留1 個工位，兩動力頭依次設置于鏜車工位、鉆孔工位，回轉工作臺加工完1 個接口后回轉90°進入下一道工序的加工，如此循環。實現裝卡、車面、鉆孔三工序同時工作，效率倍增。

圖2 DN200 法蘭盤加工圖

圖3 回轉臺式數控專用機床

如果毛坯已把孔鑄造出來，則只需加工法蘭面，可停掉1 個鉆孔動力頭，單動力頭使用。與普通機床的加工效率對比如表1 所示。

表1 單法蘭管件加工效率對比

3.2 多法蘭類管件加工工藝及設備方案

這類管件在單一管件上有2 個或2 個以上法蘭需要加工，產品包括三盤三通、雙盤短管、雙盤90°彎管、雙盤漸縮管等管件，每個法蘭同樣需要車面+鉆孔兩工序。如果采用上述回轉臺式機床加工則仍需多次加工，整體效率就下降了，如果采用普通機床加工則需要對每個面進行兩道工序加工，效率低。

經優化采用多面同時加工工藝，分多面同時車+多面同時鉆兩工序，每工序在不同機器上進行，將兩臺設備聯合組成加工單元，可用機械手或人工實現工序聯接。雖然需要2 次加工，但因可同時加工2～3 個面，時間只需要一個接口的時間，故整體效率仍優于單盤類機床加工。

該機借鑒閥門加工專用機床的結構，三面鏜專用機機床如圖4 所示，設3 個鏜車動力頭，分別由單獨數控系統控制，可分別加工不同大小及不同規格的接口。三面鉆專機如圖5 所示。3 個群鉆頭相互垂直布置，采用數控系統控制，可實現3 個接口同時加工。上述三面專用機床可3 個頭單獨動作，加工出不同大小、形狀的工件，以適應主管、支管不同規格、不同接口的管件的加工。同時配備專用卡具，實現快速定位、自動夾緊，只需裝卸工作，加工過程數控控制自動完成，因工件較輕，裝卸工作可由人工完成，如需實現無人操作，可配備一臺機械手實現兩臺機床的裝卸工作。

圖4 三面鏜專機

圖5 三面鉆專機

與普通機床加工機相比，效率大幅提升，特別是三盤三通。表2 為以三盤三通的加工為例對比加工效率。

表2 多法蘭管件的加工效率對比表

上述專機，因3 個動力頭可單獨控制，故也可用于2個接口和單盤類產品的加工，效率優勢會有所下降，但可以在管件產品規格集中時實現多機同時加工同一種規格，提升機床的適應性。

3.3 多接口同時需要加工的管件加工工藝及設備方案

上述管件工藝中還有一種情況，同一個管件上有2個以上接口，且各接口尺寸、形式都不同，都需要加工，比如承插彎頭、承插單支盤三通，如果各個接口都需要加工，以上兩種設備加工雖然能采用逐個接口加工的方式，但裝卡上的耗時影響就明顯增加，故需要采用另外一臺機床來加工。對多接口件采用一次裝卡完成多面加工是唯一的途徑，但多面規格及型式不同時，需要采用數控單動力頭帶回轉臺式的機床。該機床重點解決一次裝卡完成多面加工，減少裝卡輔助時間，如圖6 所示。

圖6 單頭回轉臺式專機

鏜車頭與滑臺組合在數控系統控制下實現對法蘭端面、插口外圓及端面、承口內孔及端面的自動加工，每次加工1 個接口，加工完畢按程序設定將工作臺4 回轉一設定角度，實現對第2個接口。如此循環，加工完整個管件后，將圖6 中二工位工作臺轉動180°，將待加工件與已加工件互換工位，操作者側進行下一件操作，動力頭側自動開始加工。實現裝卡與加工同時進行，同時一次裝卡加工完成所有接口。

4 結 語

根據小管件的特點，對多品種小批量共線生產的管件按加工特征進行分類，分別通過工序合并、多工位同時加工等措施實現加工工藝優化，并通過采用數控專用機床來實現效率提升、質量穩定，一人可操作兩臺或多臺機器，很好地實現了管件產品批量化加工。專用機床的設計可通過管件工廠自行設計機加工藝、設計并制造，或者與機床廠合作完成，但是加工工藝需要管件工廠自行設計提出，才有可能找到專業設備廠家合作開發適用的專機，以此提升管件加工裝備的自動化水平，促進管件行業的發展。