塔型井架立柱空間復合面角度計算方法和加工方法

王軍， 羅震， 周曉軍,劉宏亮， 常瑞豐

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002）

0 引言

塔形井架是筆者公司在海洋鉆井設備中常用的一種井架結(jié)構(gòu)，其立柱端面具有空間復合面，加工難度大，精度難于保證。隨著海洋產(chǎn)品快速增多，該類零件的加工計算已經(jīng)成為工藝設計中比較難以把握的難題，長期以來，由于沒有規(guī)范的方法指導，無法實現(xiàn)準確有效的規(guī)范性工藝設計，給工藝工作和現(xiàn)場生產(chǎn)造成了很大的困擾，因此依據(jù)多年的工藝方法總結(jié)、結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，進行該類型零件制造方案定型、過程數(shù)據(jù)計算、優(yōu)化和規(guī)范性工藝設計成為現(xiàn)階段工藝工作需要重點解決的問題之一。

1 立柱加工方案分析

立柱長度大多在10 m以上，其截面為長方形或者正方形，在主視圖和俯視圖上都各有一投影角度，其加工面為一空間復合面，如圖1?？臻g復合面是一個實體平面，無法由兩次銑面的方法來實現(xiàn)其主視圖和俯視圖的投影角度的加工，必須一次銑面完成。要實現(xiàn)空間復合面的加工，首先要通過工裝，將工件旋轉(zhuǎn)某一角度，然后裝夾找正，最后采用萬能銑頭偏轉(zhuǎn)某一角度，通過兩個角度的復合來完成工件空間復合面的一刀加工，加工原理如圖2。

圖1

圖2 加工原理圖

該加工方案，通過設計合理的工裝和采用合理的裝夾擺放方式，將工件兩個方向的投影角度正確轉(zhuǎn)化為一個平面內(nèi)的復合角度，實現(xiàn)工件兩個方向的投影角在一個工位中一次加工成型。

綜合上述分析，實現(xiàn)該方案的重點如下：1）通過給出的兩坐標投影角度α和β，推導計算出空間復合面角度γ（即萬能直角銑頭的偏轉(zhuǎn)角度）；2）通過給出的兩坐標投影角度α和β，推導計算出擺放角度θ；3）通過角度θ，設計出V型支架；4)零件在V型支架上如何擺放，零件如何擺放直接影響加工零件的質(zhì)量。

2 推導空間復合面角度和擺放角計算公式

2.1 公式推導

圖3 推導模型

公式的推導首先要建立合理的數(shù)學模型，合理的數(shù)學模型是推導成功的關鍵。經(jīng)過大量的計算與三維軟件的放樣與驗證，確立了簡單推導模型，如圖3。

通過公式推導，得出以下結(jié)論公式：

1）根據(jù)給出的兩視圖投影角度α和β，

通過公式計算出復合角度

2）根據(jù)給出的兩視圖投影角度α和β，

通過公式計算出擺放角度

3）通過計算角度θ，設計出兩種V型支架，如圖4。

圖4 兩種V型架

2.2 關于工件擺放的幾點說明

運用公式時，設定β為截面在主視圖上的投影，α為截面在俯視圖上的投影；

1）當 θ＝45°時，使用圖4 中的Ⅰ型支架：

a.如果加工右端面，主視圖和俯視圖截面方向一致，放置工件時，從右端面看，翼板放在V型支架左端斜面上；

b.如果加工右端面，主視圖和俯視圖截面方向不一致，放置工件時，從左端面看，翼板放在V型支架右端斜面上；

c.如果加工左端面，主視圖和俯視圖截面方向一致，放置工件時，從左端面看，翼板放在V型支架右端斜面上；

d.如果加工左端面，主視圖和俯視圖截面方向不一致，放置工件時，從左端面看，翼板放在V型支架左端斜面上。

2）當θ≠45°時，使用圖4中Ⅱ型支架：

a.如果加工右端面,主視圖和俯視圖截面方向一致,放置工件時,從右端面看,支架θ角在左邊,翼板放θ角斜邊上；

b.如果加工右端面,主視圖和俯視圖截面方向不一致,放置工件時,從右端面看,支架θ角在右邊,翼板放θ角斜邊上；

c.如果加工左端面,主視圖和俯視圖截面方向一致,放置工件時,從左端面看,支架θ角在右邊,翼板放θ角斜邊上；

d.如果加工左端面,主視圖和俯視圖截面方向不一致,放置工件時,從左端面看,支架θ角在左邊,翼板放θ角斜邊上。

3 結(jié)語

該方案設計和理論計算適用于所有該類型井架立柱的工藝設計，為今后該類型產(chǎn)品的加工提供了優(yōu)化方案和制造方法；通過空間角度的轉(zhuǎn)換，將兩個投影角度復合到一個平面內(nèi)，為后續(xù)加工提供了理論依據(jù)；推導并驗證了計算公式，并對選取和應用公式的各種條件進行了說明，使該類型的零件的工藝設計更加方便、快速、準確，有效提高了效率。