旋風(fēng)管薄壁組件加工工藝研究

□ 謝祖武

湛江南海西部石油合眾近海建設(shè)有限公司 廣東湛江 524057

1 旋風(fēng)管特點(diǎn)

旋風(fēng)管是油氣分離器的關(guān)鍵部件，主要用于分離油氣水，由精密鑄件、不銹鋼薄壁管焊接件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。旋風(fēng)管由排塵錐組件、分離管、導(dǎo)流錐組件、導(dǎo)向器和排氣管組成，其中肩負(fù)著導(dǎo)流及排塵作用的主要零件是導(dǎo)向器、導(dǎo)流錐及排塵錐組件。導(dǎo)向器由精密鑄造而成，導(dǎo)流錐及排塵錐組件是帶螺旋槽的不銹鋼薄壁長(zhǎng)錐和短錐管件焊接件，需經(jīng)切削加工后組焊而成。導(dǎo)流錐及排塵錐組件是不銹鋼材料的薄壁零件，剛性差，加工容易變形，尤其是幾何誤差大，零件加工質(zhì)量很難保證，即加工工藝性差。旋風(fēng)管制造的難點(diǎn)主要集中在這兩個(gè)零件上［1-5］。

造成工藝性差的原因主要有以下幾方面：①裝夾過(guò)程中夾緊力過(guò)大或受力不均引起變形；②切削加工中哪怕較小的切削力也會(huì)引起變形；③加工中產(chǎn)生熱量，冷卻不充分，會(huì)引起變形；④ 焊接后工件內(nèi)應(yīng)力引起變形；⑤加工螺旋槽，普通的三軸機(jī)床不能完成加工，需用到四軸以上聯(lián)動(dòng)的機(jī)床。因此，在加工這兩個(gè)零件的過(guò)程中要充分考慮如何消除上述因素的影響，制訂合適的加工工藝，這樣才能防止或減小零件加工造成的變形，保證零件尺寸和精度的要求。

現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)零件的加工工藝進(jìn)行研究。重點(diǎn)考慮夾緊和定位裝置，若采用通用夾具三爪卡盤、四爪卡盤等裝夾，由于主要為點(diǎn)接觸，圓周邊受力不均勻，薄壁件容易起皺或引起三角形、橢圓形等變形，因此應(yīng)考慮用面接觸定位裝夾的方式，如芯軸或套筒等［6-8］。

根據(jù)上述分析，擬采用兩種加工方案。加工方案一是普通機(jī)床+專用夾具加工，適合中、大批量生產(chǎn)。加工方案二是四軸聯(lián)動(dòng)加工中心，針對(duì)小批量及多型號(hào)工件的生產(chǎn)［9］。

▲圖1 旋風(fēng)管結(jié)構(gòu)

2 加工方案一

2.1 方案概述

排塵錐組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由排塵錐短錐件和排塵錐長(zhǎng)錐件焊接而成，兩零件毛坯均為壁厚6 mm的不銹鋼管件，帶內(nèi)外錐度及孔口倒角結(jié)構(gòu)，需在車床上車削。其中排塵錐長(zhǎng)錐件有一對(duì)對(duì)向開設(shè)的導(dǎo)向螺旋槽，需在銑床或加工中心上銑削。導(dǎo)流錐組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由導(dǎo)流錐短錐件和導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件焊接而成，兩零件毛坯均為壁厚4 mm的不銹鋼管件，內(nèi)外錐度及孔口倒角結(jié)構(gòu)需在車床上車削。其中導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件有八對(duì)均布的螺旋槽，需在銑床或加工中心上銑削。經(jīng)分析，零件在普通或數(shù)控車床上車削加工，需專用芯軸及夾緊裝置。排塵錐長(zhǎng)錐件和導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件兩個(gè)零件上的螺旋槽需組焊后在普通銑床上加工，用專用芯軸定位后，用通用夾具分度頭裝夾，再設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)把普通銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和分度頭機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，通過(guò)計(jì)算合適的掛輪傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)機(jī)床四軸聯(lián)動(dòng)，完成銑削螺旋槽的工藝。針對(duì)大批量生產(chǎn)，設(shè)計(jì)專用夾具，在普通機(jī)床上進(jìn)行加工，成本低，其工藝流程如圖2所示。

▲圖2 加工方案一工藝流程

2.2 排塵錐組件加工

（1）排塵錐長(zhǎng)錐件加工。重點(diǎn)考慮克服切削力引起的變形，其加工工藝設(shè)計(jì)如下：先用通用夾具卡盤裝夾不銹鋼毛坯，加工好內(nèi)錐面；再用專用芯軸裝夾定位，加工外錐面。專用芯軸如圖3所示。定位面為內(nèi)錐面，定位元件為左端面帶螺紋的錐度芯軸，結(jié)合帶螺紋的頂針套作為拉緊裝置。此時(shí)，被加工件和專用夾具系統(tǒng)構(gòu)成一整體，螺紋的頂針套和錐度芯軸上各鉆一個(gè)中心孔，車削時(shí)再用雙頂針頂兩端，一次裝夾完成外錐面加工。

圖3 排塵錐長(zhǎng)錐件專用芯軸

（2）排塵錐短錐件加工。和排塵錐長(zhǎng)錐件的工序相同，但定位設(shè)在帶螺紋的夾緊套上，芯軸起夾緊作用。車削時(shí)，一端頂針，另一端用卡盤夾緊加工外錐面。專用芯軸如圖4所示。

▲圖4 排塵錐短錐件專用芯軸

2.3 導(dǎo)流錐組件加工

（1）導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件加工。和排塵錐長(zhǎng)錐件的加工工序相同，導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件加工同樣是重點(diǎn)考慮克服切削力引起的變形，其加工工藝設(shè)計(jì)為加工好內(nèi)錐面，用專用芯軸作為定位元件。由于壁更薄、管件更小，設(shè)計(jì)帶螺紋的頂針棒作為拉緊裝置。專用夾具如圖5所示。同樣用雙頂針頂兩端，一次裝夾完成車削外錐面。

▲圖5 導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件專用夾具

（2）導(dǎo)流錐短錐件加工。導(dǎo)流錐短錐件的加工工序和導(dǎo)流錐長(zhǎng)錐件相同，專用夾具如圖6所示。

▲圖6 導(dǎo)流錐短錐件專用夾具

2.4 銑削螺旋槽專用分度旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

銑削上述兩個(gè)長(zhǎng)錐件的螺旋槽，除需要用裝夾定位裝置外，還需設(shè)計(jì)一套旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。銑削螺旋槽裝夾示意圖如圖7所示，旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖8所示。

▲圖7 銑削螺旋槽裝夾示意圖

按銑床進(jìn)給機(jī)構(gòu)移動(dòng)一導(dǎo)程、分度頭轉(zhuǎn)一周的傳動(dòng)比關(guān)系，計(jì)算專用掛輪的傳動(dòng)比，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)掛輪機(jī)構(gòu)。

此機(jī)構(gòu)使用時(shí)，每銑削完一槽，按在圓周上的位置正確分度，再銑削下一條槽。

▲圖8 旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 加工方案二

加工方案一適合批量生產(chǎn)，成本低，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，但若產(chǎn)品批量不大，或品種類型較多時(shí)，可選擇加工方案二，即四軸聯(lián)動(dòng)加工中心機(jī)床加工，此時(shí)需用到自動(dòng)編程軟件。

MasterCAM是較為經(jīng)濟(jì)有效的全方位軟件系統(tǒng)。作為設(shè)計(jì)、加工制造的標(biāo)準(zhǔn)，也是工業(yè)界及學(xué)校廣泛采用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造軟件系統(tǒng)。

針對(duì)旋風(fēng)管件螺旋槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用MasterCAM軟件自動(dòng)編程，具有簡(jiǎn)單、快捷、準(zhǔn)確、效率高等優(yōu)點(diǎn)。以排塵錐長(zhǎng)錐件加工為例，基于MasterCAM軟件環(huán)境，螺旋槽計(jì)算機(jī)輔助制造加工過(guò)程如圖9所示。

圖10～圖12依次為螺旋槽的三維造型、計(jì)算機(jī)輔助制造刀路及加工仿真效果。

經(jīng)MasterCAM后處理的部分?jǐn)?shù)控程序如下：

▲圖9 螺旋槽計(jì)算機(jī)輔助制造加工過(guò)程

▲圖10 螺旋槽三維造型

▲圖11 螺旋槽計(jì)算機(jī)輔助制造刀路

▲圖12 螺旋槽加工仿真效果

4 總結(jié)

旋風(fēng)管薄壁組件加工工藝特點(diǎn)為：采用螺紋套拉緊錐度芯軸定位裝夾系統(tǒng)，使被加工件和夾具系統(tǒng)在無(wú)間隙配合下變?yōu)橐徽w，提高零件剛性，解決因剛性差加工時(shí)容易受力變形的問(wèn)題；采用螺紋套拉緊錐度芯軸定位裝夾系統(tǒng)銑削螺旋槽，可矯正因焊接而造成的應(yīng)力變形；設(shè)計(jì)銑削螺旋槽專用分度旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使普通銑床可實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)，完成螺旋槽加工；采用螺紋套拉緊錐度芯軸定位裝夾系統(tǒng)，在數(shù)控加工中心上裝夾，可快速定位，提高加工效率。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，上述合理的工藝規(guī)程及工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效控制了旋風(fēng)管薄壁組件加工過(guò)程中因夾具、切削力及內(nèi)應(yīng)力等多種因素引起的變形，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。這種采用螺紋套拉緊錐度芯軸定位裝夾系統(tǒng)方式，可在類似的薄壁工件加工中推廣應(yīng)用，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、加工經(jīng)濟(jì)性，以及提高生產(chǎn)率都有十分重要的意義。當(dāng)然，上述設(shè)計(jì)的加工工藝過(guò)程和當(dāng)前的智能制造方式相比，還存在一定的差距。為了適應(yīng)新時(shí)代新工藝的發(fā)展，針對(duì)同類型產(chǎn)品的加工，有待向智能制造工藝方向作進(jìn)一步探討。