4 500m載人潛水器球殼加工工藝

■ 宜賓普什聯(lián)動(dòng)科技有限公司 （四川 644000） 王 強(qiáng)

4 500m載人潛水器項(xiàng)目是為滿足我國(guó)深海探測(cè)領(lǐng)域載人潛水器關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化的需要而開(kāi)展的重大科技專項(xiàng)，是在國(guó)外球殼研究基礎(chǔ)上自主設(shè)計(jì)，以TC4鈦合金為材料，由直徑2 100mm上、下兩個(gè)半球組成，最終通過(guò)焊接兩半球成整體圓球。半球的加工成功不僅使我國(guó)擺脫對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)依賴，而且對(duì)提升國(guó)內(nèi)新材料研制、裝備制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)深海領(lǐng)域資源自主勘探開(kāi)發(fā)和利用具有重大意義。

1.三維建模

根據(jù)二維圖用UG軟件對(duì)上、下半球，出入艙口孔座，主觀察窗窗座，主觀察窗壓環(huán)，前（舷）側(cè)觀察窗窗座，前（舷）側(cè)觀察窗壓環(huán)，左舷接插件安裝盤和右舷接插件安裝盤等10個(gè)零件進(jìn)行參數(shù)化建模、校對(duì)和裝配，如圖1所示。

2.工藝流程與數(shù)控加工方案

加工采用的主要設(shè)備如表1所示。

（1）粗車兩半球。根據(jù)ATOS三維掃描構(gòu)建準(zhǔn)確毛坯三維STL模型，與模型進(jìn)行比對(duì)保證加工余量，確定加工基準(zhǔn)，單邊留量5mm粗車上、下半球內(nèi)外圓。

（2）半球開(kāi)孔，銑焊接坡口。上半球3個(gè)法蘭孔，間距大、結(jié)構(gòu)剛性好，工藝采用一次性3孔全開(kāi)；下半球一共5個(gè)孔，孔位置比較集中，為了減小變形，開(kāi)孔和焊接分兩次先進(jìn)行，首先進(jìn)行1#、3#和5#孔的開(kāi)孔和法蘭的焊接，再進(jìn)行2#、4#孔的開(kāi)孔和法蘭的焊接，如圖2所示。

圖1

表 1

使用西班牙SORALUCE臥式非正交五軸附件頭機(jī)床對(duì)上、下半球開(kāi)孔落料，一次裝夾對(duì)坡口開(kāi)閉角一次加工成形，孔坡口截面如圖2b所示，內(nèi)側(cè)閉角坡口采用φ160 R2 T型刀一次加工成形。

（3）焊接后半球的粗、精加工。焊接后的上、下半球分半精加工和精加工兩道工序。通過(guò)前期工藝評(píng)審確定了機(jī)床、切削編程方式及刀具。采用五面龍門加工中心開(kāi)粗，效率提高了60%，成本降低30%，表2所示為精加工半球時(shí)的參數(shù)設(shè)置，經(jīng)試切加工，完全滿足型面精度及表面粗糙度值Ra＝3.2μm的要求。

3.難點(diǎn)問(wèn)題的解決及產(chǎn)品質(zhì)量控制

（1）難點(diǎn)問(wèn)題的解決。下半球五個(gè)觀察窗90°錐面要求如圖3所示，表面粗糙度和輪廓度要求很高，與有機(jī)玻璃的貼合度要求≥90%。錐面加工的精度直接影響球殼的密封性。經(jīng)同材料試切三坐標(biāo)檢測(cè)，定制90°整體硬質(zhì)四刃合金銑刀螺旋加工錐面能滿足圖樣要求。表面粗糙度值Ra＝0.8μm，采用數(shù)車加工標(biāo)準(zhǔn)90°研磨芯棒和研磨膏進(jìn)行最終研磨，滿足了產(chǎn)品表面粗糙度要求。

（2）產(chǎn)品質(zhì)量控制。①Vericut全仿真，保證程序的正確性，防止碰撞（見(jiàn)圖4）。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，采用全程序加工，對(duì)加工機(jī)床建立1∶1仿真建模，運(yùn)用Vericut軟件進(jìn)行全序仿真加工，避免了NC程序的過(guò)切，附件頭、刀具與零件的碰撞，特別是加工上、下半球內(nèi)形工序，附件頭深入球體內(nèi)加工不方便觀察，通過(guò)仿真極大地增強(qiáng)了編程人員的信心，減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作工的壓力，又保證了產(chǎn)品質(zhì)量。②設(shè)置驗(yàn)證球，防止人為失誤造成工件過(guò)切。為了防止現(xiàn)場(chǎng)操作者在加工過(guò)程中坐標(biāo)設(shè)置錯(cuò)誤、刀具拿錯(cuò)及刀長(zhǎng)輸入錯(cuò)誤，工件旁設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)φ100mm鋁合金球體，NC程序頭增加沿球輪廓余量為0的3D輪廓程序進(jìn)行驗(yàn)證加工。

圖2

表 2

圖3

圖4

4.結(jié)語(yǔ)

“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鈦合金球殼由俄羅斯制造，此次4 500m載人潛水器鈦合金球殼制造成功，為后續(xù)10 000m載人球殼加工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。