支撑柱曲面变角度坡口加工技术分析

苏伟，武术宝，李海斌

一重集团大连核电石化有限公司 辽宁大连 116113

1 序言

我公司承制某核电项目的支撑柱，其结构为一个柱体的一端上加工一个球形曲面，并在曲面上加工一个22°～40°变角度的焊接坡口，该坡口为支撑柱与下封头组焊坡口，坡口形式复杂，为空间曲面结构，如图1所示。另外，根据工艺要求，支撑柱来料为钢管结构，待加工区域加工余量较大，如采用数控镗床粗加工，加工成本将增加，且加工效率将降低。由于其为批量件，如何利用公司现有资源，开展工艺技术研究以降低加工成本、减轻机床负荷尤为重要。

图1 支撑柱示意

2 高效去除余量

2.1 计算球形坡口尺寸

根据三角函数关系，计算出划线所需的相贯线等分坐标，制作划线样板。图1中的SR球面和22°～40°的变角度坡口，简化为45°斜面，将45°斜面与圆柱面的相贯线在圆周方向分为24等份，即每15°计算一次高度值，最低点按留余量20mm确定为320mm，高度值计算公式为

式中，L为距离底板上面最低点高度（m m），大小为320m m；R为柱体半径（m m），大小为161.9mm；α为等分点处各个角度值（°）。

代入式（1）可以得出各个等分点的高度值，见表1。

表1 等分点高度值

2.2 采用锯切工艺高效去除加工余量

通过对比分析粗加工方法，从成本及效率等方面综合考虑，制定划线后锯床加工的方案[1]，具体步骤如下。

（1）划线 根据表1中的数值，在网格纸上画出各点，连线，按线裁剪出样板。

根据划线样板，画出45°粗加工线，打冲眼于柱体外圆，深度≤0.5mm。将样板贴合于柱体外圆，作为标尺划线，一次划半圆，两次划出坡口加工线。

（2）锯切 采用液压卡钳装夹工件，按简图找正45°夹角（L1=L2），如图2所示。并测量底板侧边两端到工作台距离相等。

图2 粗加工示意

按线锯切支撑柱（见图3），刀口宽度≤5mm。锯切深度超过锯条宽度时，用塞块塞实锯切缝隙，防止锯条因阻力过大而折断。锯切工件，在开始时将进给速度降低一半，密切观察是否有偏斜现象。当锯削深度大于锯条宽度时，采用楔块塞紧缝隙，避免锯条因阻力过大而折断。锯切接近断开约10mm时，将进给速度降低一半，防止结束过快崩伤锯齿。同时整个过程密切观察锯条划线之间的距离。

图3 支撑柱

3 数控加工空间曲面

3.1 装夹方式

如果柱体轴线面对主轴加工，加工时刀具伸出长度近350mm。此方法主轴伸出量过长，机床无法实现连续加工。为解决此问题，采用转角度放置的方法实现加工，造型分析曲面最佳放置角度，使零件加工时主轴伸出量最小，从而保证零件的加工质量，提高零件的加工效率。

具体装夹如图4所示，零件采用卧放状态，零件中心线与X轴成45°放置，按零件外圆找正各向。

图4 装夹示意

3.2 工艺销及工艺零点设定

零件斜向摆放后，缺少对刀面，无法设置工艺零点G54。于是在零件旁边摆一个工艺销，机床坐标系旋转45°，用百分表测量工艺销至支撑柱端面的距离（X1）以及工艺销至支撑柱中心的距离（Y1）的值。通过式（2），可以计算得到工艺零点G54至工艺销的距离X2、Y2的值。

机床使用直角铣头，旋转角铣头使铣头朝向X轴正方向，以工艺销为基准定G54X0Y0于图4所示位置。以支撑柱外圆为基准定G54Z0。

3.3 加工程序及留量控制

在加工变角度坡口时，由于加工余量不均匀，为避免加工量大及损伤刀具和机床等问题，程序需要多次重复走刀，由此将带来加工时间长和零件加工效率低的问题。为此，根据产品结构尺寸，分别编制了5个NC程序，用于不同工步的加工需求[2，3]。

首先使用φ50mm玉米铣刀，使用程序1粗加工SR2390.4mm球面，单边留量0.5mm；然后使用SD40mm的球刀，使用程序2精加工SR2390.4mm球面；接着使用φ50mm玉米铣刀，使用程序3、程序4，分别加工去除长轴和短轴方位两处过大的余量；最后使用φ50mm玉米铣刀，使用程序5精加工22°～40°坡口[4]。

以上所有程序均可通过修改程序中的参数R1实现偏置留量加工，因零件与X轴成45°方位放置，故留量时必须沿X/Y轴同时偏置。

3.4 加工过程控制

为确保最终产品加工尺寸无误，需要在加工过程中进行相应的工艺控制[5]，以确认加工方法、加工程序的正确性以及加工后零件形状的准确性。

1）分析零件模型，根据零件模型的尺寸及加工留量情况给出母线的长度，供操作人员加工中测量确定使用。

2）NC程序走刀时在0°方位的特殊点起刀，以方便操作人员测量。

3）设计一个R曲面测量样板，供操作人员在加工过程中检验使用，检验合格后方可进行坡口的加工。

4）坡口加工后0°、180°特殊点母线长度在工艺简图中标识，以方便操作人员对刀试切削时使用。

4 结束语

本文针对支撑柱曲面变角度坡口的加工难点，进行技术分析和工艺改进，通过锯切工艺实现余量的快速去除；通过零件倾斜摆放并放置工艺销的方法，解决了加工过程中刀具悬长过长，无法确定工艺零点等问题。实践证明在此装夹条件下，刀具可以明显缩短，提高了加工稳定性，加工参数能够达到vf=1200mm/min、n=800r/min的水平，极大地提高了加工速度。加工过程中采用零件倾斜摆放并放置工艺销确定工艺零点的方法，简单实用，具有很好的推广价值。