塔型井架立柱空间复合面角度计算方法和加工方法

王军， 罗震， 周晓军,刘宏亮， 常瑞丰

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002）

0 引言

塔形井架是笔者公司在海洋钻井设备中常用的一种井架结构，其立柱端面具有空间复合面，加工难度大，精度难于保证。随着海洋产品快速增多，该类零件的加工计算已经成为工艺设计中比较难以把握的难题，长期以来，由于没有规范的方法指导，无法实现准确有效的规范性工艺设计，给工艺工作和现场生产造成了很大的困扰，因此依据多年的工艺方法总结、结合现场生产实际，进行该类型零件制造方案定型、过程数据计算、优化和规范性工艺设计成为现阶段工艺工作需要重点解决的问题之一。

1 立柱加工方案分析

立柱长度大多在10 m以上，其截面为长方形或者正方形，在主视图和俯视图上都各有一投影角度，其加工面为一空间复合面，如图1。空间复合面是一个实体平面，无法由两次铣面的方法来实现其主视图和俯视图的投影角度的加工，必须一次铣面完成。要实现空间复合面的加工，首先要通过工装，将工件旋转某一角度，然后装夹找正，最后采用万能铣头偏转某一角度，通过两个角度的复合来完成工件空间复合面的一刀加工，加工原理如图2。

图1

图2 加工原理图

该加工方案，通过设计合理的工装和采用合理的装夹摆放方式，将工件两个方向的投影角度正确转化为一个平面内的复合角度，实现工件两个方向的投影角在一个工位中一次加工成型。

综合上述分析，实现该方案的重点如下：1）通过给出的两坐标投影角度α和β，推导计算出空间复合面角度γ（即万能直角铣头的偏转角度）；2）通过给出的两坐标投影角度α和β，推导计算出摆放角度θ；3）通过角度θ，设计出V型支架；4)零件在V型支架上如何摆放，零件如何摆放直接影响加工零件的质量。

2 推导空间复合面角度和摆放角计算公式

2.1 公式推导

图3 推导模型

公式的推导首先要建立合理的数学模型，合理的数学模型是推导成功的关键。经过大量的计算与三维软件的放样与验证，确立了简单推导模型，如图3。

通过公式推导，得出以下结论公式：

1）根据给出的两视图投影角度α和β，

通过公式计算出复合角度

2）根据给出的两视图投影角度α和β，

通过公式计算出摆放角度

3）通过计算角度θ，设计出两种V型支架，如图4。

图4 两种V型架

2.2 关于工件摆放的几点说明

运用公式时，设定β为截面在主视图上的投影，α为截面在俯视图上的投影；

1）当 θ＝45°时，使用图4 中的Ⅰ型支架：

a.如果加工右端面，主视图和俯视图截面方向一致，放置工件时，从右端面看，翼板放在V型支架左端斜面上；

b.如果加工右端面，主视图和俯视图截面方向不一致，放置工件时，从左端面看，翼板放在V型支架右端斜面上；

c.如果加工左端面，主视图和俯视图截面方向一致，放置工件时，从左端面看，翼板放在V型支架右端斜面上；

d.如果加工左端面，主视图和俯视图截面方向不一致，放置工件时，从左端面看，翼板放在V型支架左端斜面上。

2）当θ≠45°时，使用图4中Ⅱ型支架：

a.如果加工右端面,主视图和俯视图截面方向一致,放置工件时,从右端面看,支架θ角在左边,翼板放θ角斜边上；

b.如果加工右端面,主视图和俯视图截面方向不一致,放置工件时,从右端面看,支架θ角在右边,翼板放θ角斜边上；

c.如果加工左端面,主视图和俯视图截面方向一致,放置工件时,从左端面看,支架θ角在右边,翼板放θ角斜边上；

d.如果加工左端面,主视图和俯视图截面方向不一致,放置工件时,从左端面看,支架θ角在左边,翼板放θ角斜边上。

3 结语

该方案设计和理论计算适用于所有该类型井架立柱的工艺设计，为今后该类型产品的加工提供了优化方案和制造方法；通过空间角度的转换，将两个投影角度复合到一个平面内，为后续加工提供了理论依据；推导并验证了计算公式，并对选取和应用公式的各种条件进行了说明，使该类型的零件的工艺设计更加方便、快速、准确，有效提高了效率。