大型止水槽加工工藝簡析

李鈺瓊，萬月英，黃佩兵

(中國電建集團江西省水電工程局有限公司， 南昌 330096)

1 止水槽加工背景

近年來，伴隨著我國經濟社會事業(yè)的快速發(fā)展，我國抽水蓄能電站的建設迎來了又一個高潮。由于抽水蓄能電站具有水頭高、水流雙向流動等特點，其金屬結構產品制造要求比常規(guī)水電站高。特別是尾水事故閘門門槽因其結構復雜、機加工面積大、加工要求高而成為質量控制的重點和難點。其中門槽中的座圈與頂蓋之間的大型止水槽加工質量直接影響到門槽的止水效果，進而影響到整個尾水閘室的安全，因此保證其加工質量成為門槽加工工作的重中之重。

近年來，中國電建集團江西省水電工程局有限公司承攬的多個抽水蓄能電站水工產品制造項目中，均含有尾水事故閘門門槽，其座圈結構形式及止水槽尺寸如圖1所示，詳圖如圖2所示。

2 加工工藝試驗

首先，在鏜銑床的工作平臺上將試件定位，調整試件處于水平狀態(tài)，然后啟動數(shù)控程序，再調整主軸轉速和進刀量，進行試件的加工。

在加工過程中，對槽深、槽寬以及凹槽內壁進行實時觀察和檢測，且待止水槽加工完成后進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)加工過程中存在以下問題。

(1)經常會出現(xiàn)掉刀現(xiàn)象，導致部分槽底有深約1 mm左右的圓弧坑出現(xiàn)，有的圓弧坑呈連續(xù)下坡形式。因此導致部分槽深超標，最深處達到12 mm。

(2)銑刀會有輕微的擺動現(xiàn)象，導致槽寬超標，最寬處達到18.5 mm。

(3)止水槽的側壁一些位置出現(xiàn)了寬1 mm左右、長度不等的清晰可見的臺階，在圓弧轉角處更為明顯。

(4)單條止水槽的總長均超過12 m，加工過程中，如果遇到下班暫停加工，下次鏜銑床重新啟動時，銑刀很難再與前次停止的位置吻合，也導致了止水槽側壁臺階的出現(xiàn)。

圖1 尾水事故閘門門槽座圈Fig.1 Seat ring of tailwater emergency gate groove

圖2 尾水事故閘門門槽座圈止水槽Fig.2 Stop-water groove of tailwater emergency gate

(5)所采用的二刃銑刀在加工過程中出現(xiàn)磨損后，導致止水槽出現(xiàn)上口寬度為18.5～19.0 mm，底部寬度為16.5～17.0 mm的梯形。

3 問題分析

針對上述工藝試驗存在的問題，為制定出合理的止水槽加工工藝，技術人員集思廣益，進行了廣泛的討論，并征求了操作人員的意見，然后進行了多次實驗，找出以上問題發(fā)生的原因，主要是集中在銑刀裝夾方式、進刀量的控制、銑刀的型號和不同加工階段銑刀直徑的選擇等方面。

3.1 銑刀裝夾方式

出現(xiàn)止水槽深淺不一的原因主要是銑刀裝夾不牢固，加工過程中銑刀產生松動而發(fā)生掉刀情況。第一次實驗時采用的是三爪小卡盤直接夾緊銑刀，銑刀處于懸臂狀態(tài)。在銑削加工過程中，因為向下的切削分力大于銑刀預緊力，銑刀從夾具中逐漸伸出，甚至完全掉落，所以造成止水槽深度超標。而銑刀預緊力不足是因銑刀出廠時通常都涂有防銹油，且切削時使用非水溶性切削油，造成夾具與銑刀刀柄之間存在油膜，導致摩擦力和機械咬合力不足。

3.2 進刀量的控制

止水槽深度超標，除了與銑刀裝夾不牢固有關外，可能還與切削速度、進給速度和進刀量有關。但試驗設置的切削速度和進給速度都不高，卻仍存較大振動，因此止水槽深度超標與進刀量偏大有關。

另外，此次加工的止水槽較深，只能采用立銑刀。銑刀伸出夾具較長，加工時側向的切削分力造成銑刀產生較大的彎曲變形，引起銑刀振動，導致止水槽的槽深超標，因此也應考慮減小進刀量。

3.3 銑刀的型號

銑刀刀刃數(shù)量要根據切削加工時銑刀產生的振動和磨損程度來確定，一方面要確保在切削時沒有太多的刀刃同時和工件嚙合，另一方面在銑削狹窄型腔時，要確保有足夠的刀片和工件嚙合。銑刀刀刃越多，每個刀刃的切削量就越小，切削越平穩(wěn)。按照這個原理，四刃優(yōu)于三刃，三刃優(yōu)于二刃，相同進給量時多一刃，分攤到每刃的鐵屑切削量就越小，切削就更輕松。

在實際操作中發(fā)現(xiàn)，同直徑的銑刀，二刃的銑刀適用于粗銑，可以選擇較大的進刀量，但銑刀振動較大，且容易磨損。銑刀一旦磨損較大，就會影響止水槽的寬度，還可能導致槽內壁出現(xiàn)臺階，所以大型止水槽不宜用二刃銑刀。

由于三刃比二刃多一刃，因此銑完后的表面粗糙度比二刃好。三刃銑刀與四刃銑刀相比，加工過程的平穩(wěn)性稍差，且四刃銑刀耐磨。但四刃銑刀排屑性不如三刃，加工過程中還要隨時人工協(xié)助排屑，增加了工作量，如鐵屑未及時清理還會影響凹槽的質量。通過以上綜合對比分析，后續(xù)加工時決定選用三刃銑刀。

3.4 不同加工階段銑刀直徑的選擇

在試驗中發(fā)現(xiàn)，由于止水槽槽寬為18 mm，如自始至終均采用直徑為?18 mm的銑刀加工，很容易導致槽寬超標，且加工過程中如出現(xiàn)槽寬超標和臺階等問題將無法修正。因此，應先采用較小直徑的銑刀加工，最后統(tǒng)一用大直徑銑刀加工，一次成形。

4 改進措施

4.1 改變銑刀裝夾方式及減少進刀量

先對銑刀裝夾方式進行改進，就是在套筒的頂部中心位置，鉆一個直徑為?10.5 mm的小孔，同時在銑刀頂部中心位置鉆孔攻絲M10，內螺紋長度不小于20 mm。裝夾銑刀時，銑刀從套筒下方伸進套筒，然后用M10螺桿從套筒頂部穿入與銑刀頂部內螺紋相連，最后用扳手擰緊，如圖3所示。銑刀如此裝夾，加工時幾乎不會擺動，也不會掉刀。

圖3 改進后銑刀裝夾示意Fig.3 Schematic of the improved milling cutter clamping

將深度方向每次進刀量從2.5～3.0 mm改為2.0 mm，降低加工過程中銑刀的擺動和工件的振動，以便更好地保證止水槽深度和寬度尺寸。

4.2 銑刀型號及銑刀直徑選擇

選用三刃銑刀，并將?18.0 mm的銑刀改為先用?16.5 mm的銑刀，每次進刀2.0 mm，銑完5圈，槽深達10.0 mm時，再用?17.5 mm的銑刀對準止水槽中心線再銑一圈，總體切削量也不大，擴深擴寬，其作用相當于擴槽。止水槽最后一刀成形。

最后一圈加工時，必須銑好完整的一圈才能關閉銑床，防止因龍門銑再次啟動需要重新對刀，從而產生臺階或是槽寬超標現(xiàn)象。

5 加工效果

根據制定的新工藝和新措施，重新進行試驗。采用改裝過的套筒裝夾，并用螺栓緊固銑刀，然后選擇?16.5 mm的三刃銑刀，設置龍門銑床的轉速為350 r/min，前進速度為30 mm/min，深度方向每次進刀2 mm，深度達到10 mm后換成?17.5 mm的三刃銑刀，一次進刀加工完成了一條完整止水槽。

該止水槽加工完成后，用游標卡尺進行槽寬及槽深的測量，尺寸均在圖紙要求范圍內，且槽內無臺階痕跡，槽壁較光滑，加工效果良好。

本次試驗完成后，進行批量加工，止水槽質量均符合設計和規(guī)范要求。在止水槽中裝配了止水橡皮后，能夠起到很好的密封效果，保證了尾水閘門門槽的止水性能。

6 結束語

在套筒內采用螺栓固定了銑刀，銑刀的擺動程度大為減小。但由于銑刀與夾具之間仍存在微小間隙，因此加工過程中銑刀會出現(xiàn)輕微振動現(xiàn)象，導致銑刀的進刀量不均勻，從而影響加工精度。

在凹槽的一些圓弧轉角處，槽內壁仍不太光滑，有少量毛刺，肉眼不可見，但用手觸摸便能感覺到，這是銑刀磨損及工件輕微振動導致的結果。

通過多次工藝試驗，在銑刀裝夾方式、進刀量的控制、銑刀的型號和直徑的選擇等方面進行了改進，重新制定了全新的大型止水槽加工工藝，很好地改善了止水槽的加工質量，滿足了閘門門槽座圈的使用性能。