核电大汽缸复合角度深孔加工工艺研究与应用

卢万强，罗忠良，向前波，傅骏

(1.四川工程职业技术学院，四川德阳618000;2.四川省装备制造业产业集群技术创新中心，四川德阳618000;3.中国第二重型机械集团公司，四川德阳618000)

汽缸是汽轮机中质量最大、形状最复杂的零件，并且长时间处在高温高压的工作环境下，其作用是将蒸汽与大气隔绝，形成蒸汽能量转换的封闭空间。

图1 所示汽缸体是某核电机组常规岛汽轮机高中压外缸，其下半缸呈壳体状，由中分面、内腔、瓦口、背部烟道、斜深孔、凸台等几何形状构成、外形尺寸为5 115 mm×4 940 mm×2 415 mm，工件单件质量74 300 kg。该缸体两端瓦口外端面对称分布有8个φ200 mm×1 327 mm、φ200 mm×1 512 mm 的复合角度的斜深孔，与对应的瓦口槽相贯通，如何在φ200 mm 镗床上加工这8 个斜深孔，是该零件的加工难点。

图1 汽缸结构及外形尺寸

1 复合角度斜深孔加工难点

(1) 该汽缸外形尺寸超出了φ200 mm 镗床回转工作台(4 200 mm×4 500 mm) 尺寸，因此无法利用工作台旋转工件获得正确角度位置;

(2) 斜深孔与汽缸中分面成20°夹角，与汽缸瓦口端面成5°夹角，属于典型的复合角度孔，确定斜深孔的空间定位尺寸比较困难;

(3) 斜深孔的长度L 与孔径d 之比L/d≈7 ～8，属于深孔加工，刚性、强度、效率和质量的最优匹配是关键;

(4) 斜深孔均为复杂的空间斜孔，图纸要求孔加工后必须正确地与对应的瓦口槽相贯通(斜深孔的剖视图见图2) ，如果角度稍有偏差，就可能将侧壁钻穿，造成无法挽救的质量事故，因此加工前必须准确确定孔端面起始点的空间位置。

图2 汽缸斜深孔尺寸示意图

2 加工策略优化

2.1 加工方式的比较

(1) 采用传统的方法。先用φ55 mm 高速钢麻花钻钻孔，然后再逐步扩孔，每次扩孔不超过15 mm，最后选择合适的精加工方式。这种加工方法切削效率低，加工周期长，劳动强度大。

(2) 采用扁钻加工方法，能较大限度地提高加工效率，但受扁钻整体式结构的限制，其工作前角为负前角，钻削的轴向力和扭矩较大; 而且扁钻的导向主要依赖于扁钻夹头上的定位导向键(后导结构) ，导向不稳，容易钻偏，影响加工质量。

(3) 复合钻加工方法。这种加工方法的加工效率较高，但加工过程中可能会因铸造缺陷造成中途换刀，再次对刀时刀具无法恢复到原来的中心位置。

(4) BTA 钻孔加工方法。刀具价格高，仍然需要钻、扩、镗，且断屑和排屑困难，粗糙度无法达到图纸技术要求。

(5) 美国AMEC 铲钻加工方法。该方法技术成熟，切削效率高，可获得良好的表面粗糙度和加工精度。

经过反复比较，最终选择了美国AMEC 铲钻加工技术，设计并制造专用装卡工装，以完成该核电大汽缸8 个斜深孔的加工。

2.2 AMEC 铲钻的技术特点

AMEC 铲钻由美国专业制造商生产，其T-A 系列可提供粉末高速钢、含钴高速钢和硬质合金等多种材质机夹铲钻，并有多种涂层，能有效解决各种材料的钻孔问题。AMEC 铲钻由钻杆、钻片及高压冷却系统组成。铲钻柄部可以夹持在机床主轴上，钻片通过导引孔进入工件表面，冷却液通过钻杆中间的通道到达切削部位，并将切屑通过排屑槽带出工件加工孔，同时对钻刃进行冷却和润滑，从而获得良好的加工表面和加工质量。针对φ200 mm 直径的深孔，制作非标的钻杆(见图3) 、钻片 (见图4) 。钻杆采用合金钢材并经热处理制成，刀身有V 型槽，以便排屑，刀身有足够的强度以便在较小的扭转变形下提供切削所需的扭矩。钻片是整个铲钻的关键部分，其独特的结构保证了完成切削加工的同时还起到自导向的作用，可以通过一次贯穿钻削得到一个高精度的深孔。

图3 铲钻钻杆

图4 铲钻钻片

2.3 设计专用工装

由于该核电大汽缸的8 个斜深孔是与汽缸中分面有20°夹角，与瓦口端面有5°夹角的空间复合角度(如图5) ，通过技术分析，同时结合车间现场条件，选择了自制专用装夹工装(如图6) ，保证孔中心线与机床主轴(钻杆) 中心处于一条直线上。

图5 汽缸空间复合角度斜深孔

图6 装卡、找正的专用工装

该工装具有以下特点:

(1) 具有足够的强度和刚性，可保证质量74 300 kg 工件装卡稳固，且在进行深孔钻削时不会因巨大的切削力而产生较大的振动，影响加工精度。

(2) 工装主体设计为20°斜面，可使汽缸孔中心与主轴中心平齐; 工装设计有5°定位面，可按两个5°找正块打百分表快速、准确找正2－φ200 mm 孔中心，大幅度降低操作人员劳动强度，节省装卡、找正等辅助时间。

2.4 改进冷却系统

良好的高压冷却润滑系统，可一次连续走刀完成一定深度的高精度和低表面粗糙度的孔加工，是深孔钻加工技术关键之一。针对该气缸斜深孔的加工特点，对车间现有润滑系统进行改进，采用11 kW 的三相异步电动机带动6 kW 的齿轮泵，并设计制作了三通接头、过渡接头，增加了联轴器、压力表、截止阀、密封垫等相关零件，同时根据新电机的中心高重新设计制作了底盘(见图7) 。实际切削试验证明:新的冷却系统具有流量大、流量可调、电机运行平稳等优点。

图7 自主改进的冷却系统

3 核电大汽缸斜深孔加工过程

3.1 孔端面中心点空间位置的计算

由于斜深孔在空间呈20°、5°复合角度，因此钻孔前必须确定孔端面位置以及孔中心点距汽缸加工基准的位置，计算方法如下(见图8) :

图8 斜深孔空间尺寸计算

DB=1 930

DD1=293.85－125 =168.85

BC=DB×sin20° =660.1

复合角度孔轴线长度

3.2 工件装卡、找正及孔加工

找正并固定工装，将工件置于工装上，工件外侧基面贴紧工装定位基面，固定工件，每次装卡，使一侧4 个20°斜孔中心线平行于工作台和机床主轴(见图9) 。

图9 汽缸体在φ200 mm 镗床上装卡

通过切削参数的合理选择与调整，最终在φ200 mm 镗床顺利完成了8 个φ200 mm 斜深孔的加工(图10) ，加工时切削平稳，排屑顺利，获得了很好的表面粗糙度和加工精度。

图10 斜深孔加工

4 加工效果

(1) 加工质量好。8 个φ200 mm 斜深孔的尺寸精度、表面粗糙度及形位公差完全符合图纸技术要求。

(2) 加工效率高。钻一个孔时间不大于3 h，较常规加工方法提高效率8 ～10 倍。

(3) 加工可靠性高。切削加工过程轻快、平稳，冷却充分。

(4) 切削过程中，随着孔深的增加，切削液流量应逐渐加大，保证排屑状况良好，铁屑呈银白色，为半环形状或C 形屑(见图11) ，说明刀具几何形状、切削用量及润滑条件都处于比较理想的状态。

图11 铲钻加工铁屑

5 结束语

运用自制专用工装与先进的铲钻技术相结合，成功完成了核电大汽缸复合角度深孔的加工，加工过程安全平稳，加工效率也很高，从根本上解决了核电大汽缸复合角度深孔的技术难题。

［1］王峻．现代深孔加工技术［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005．

［2］郭逊．重型机械制造、装备、工装设计新技术新工艺与技术测量及相关标准规范适用手册［M］．黑龙江:黑龙江文化电子音像出版社，2006．

［3］吕亚臣．重型机械工艺手册［M］．哈尔滨: 哈尔滨出版社，1998．