CAP1000 大型薄壁吊籃筒體的加工工藝研究

董明亮

（東方電氣（武漢）核設(shè)備有限公司，湖北 武漢430223）

1 概述

CAP1000 吊籃筒體是大型薄壁零件，主要材料為奧氏體不銹鋼，加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱變形和振動(dòng)變形，對(duì)零件的尺寸精度和形位公差精度及表面粗糙度影響較大，由于吊籃筒體的壁厚與徑向、軸向尺寸相差較大，所以剛性較差，容易產(chǎn)生變形，本課題對(duì)CAP1000 吊籃筒體的加工過程進(jìn)行研究探討，研究出變形最小的加工方法。

2 加工零件分析及精度要求

CAP1000 吊籃筒體屬于大型薄壁零件，加工薄壁零件時(shí)，會(huì)遇到很多問題，為了有效控制出口接管的焊接變形，采取將上中筒節(jié)與法蘭焊接之后再開管嘴孔進(jìn)行管嘴焊接的方式，所以CAP1000 上部吊籃總高度高度5548mm，內(nèi)徑φ3397.2mm，壁厚51mm，屬于大型薄壁件，而陸豐的吊籃在前期卷制效果并不理想，內(nèi)徑最大值R1698.35mm，內(nèi)徑最小值R1691.15mm，圓柱度達(dá)到7.2mm，造成加工余量大，為了保證后續(xù)焊接出口接管能有充足的裕度，在此道工藝控制中，我司需要將圖紙要求的φ3397.2±3mm 控制到φ3398±1mm，于是更加增大了車削的難度。

CAP1000 上筒節(jié)卷制之后筒體卷制的圓度達(dá)到7.2mm，在壁厚一定的情況下，增加了車削難度，在增加內(nèi)支撐的情況下，端口變形達(dá)2.8mm，如表1 所示。

表1 上部吊籃法蘭朝上翻身至法蘭朝下變形數(shù)據(jù)

由于卷制圓度較差，在吊籃筒體內(nèi)外壁加工時(shí)控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致部分余量加工不足。所以，加工必須采取一系列措施來保障尺寸精度。

3 加工技術(shù)的研究

3.1 合理的裝夾方式

大型薄壁零件剛性比較差，加工過程中的切削力、夾緊力以及切削產(chǎn)生的熱量和殘余應(yīng)力對(duì)加工變形會(huì)產(chǎn)生影響，所以控制大型薄壁零件的加工質(zhì)量的關(guān)鍵在于控制加工變形，主要措施有調(diào)整進(jìn)給量、改變裝夾方式和增加工件自身結(jié)構(gòu)性能等，合理的裝夾方式至關(guān)重要。

裝夾會(huì)引起25%-50%的加工變形，裝夾是在加工過程中通過布置夾具和支撐塊的位置及合適的夾緊力，進(jìn)行工件的定位、約束和支撐。大型薄壁零件在裝夾中的位置受夾緊力不當(dāng)會(huì)引起工件夾緊點(diǎn)局部轉(zhuǎn)動(dòng)，工件相對(duì)于刀具的位置會(huì)發(fā)生改變。所以通過優(yōu)化裝夾方式減小裝夾引起的彈性變形可以提高加工精度和生產(chǎn)效率[1]。

吊籃筒體高度5.5m，常規(guī)的四爪卡盤夾緊不能解決高度上的剛性問題，而且振動(dòng)太大，導(dǎo)致加工時(shí)轉(zhuǎn)速小于3r/min，加工效率大大降低。本課題采用大支墩，并將大支墩連成一個(gè)整體，可以大大增加工件的剛性，如圖1 所示。

圖1 筒體車削夾具

3.2 合理的切削參數(shù)

加工分為粗加工、半精加工和精加工，粗加工時(shí)的背吃刀量和進(jìn)給量較大；半精加工背吃刀量和進(jìn)給量較??；精加工的背吃刀量一般控制在0.2～0.5mm，進(jìn)給量一般控制在0.2～0.3mm/r。切削速度對(duì)切削力的影響不大，根椐工件的材料和直徑、刀具材料及角度，需要控制在一定范圍內(nèi)，一般取Vc=6-120m/min。精車時(shí)盡量用高的切削速度，但要采取措施來防止工件共振，降低工件的表面粗糙度，切削速度也會(huì)影響刀具耐用度。切削速度高會(huì)引起刀具的磨損，鋒利程度相應(yīng)減弱，切削力增加。因此需減少切削深度和走刀量，否則振動(dòng)時(shí)容易引起“軋刀”，減小切削時(shí)的吃刀力，將會(huì)減少工件變形。對(duì)于吊籃筒體的加工，我司經(jīng)過一系列摸索，確定加工參數(shù)如表2。

表2

3.3 合理的冷卻方式

我司6.3m 專機(jī)上采用的是ER-315 極壓切削油，由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)限制，采用切削液會(huì)泄露。為了減少工件變形，我司改進(jìn)了機(jī)床密封結(jié)構(gòu)，將切削油換成了切削液，切削液比熱容大、黏度小、流動(dòng)性好，可以加速冷卻，吸收大量的熱量，使切削切削溫度降低，防止工件變形。

3.4 加工順序的探索

在切削的過程中，一部分切削刃前方晶粒隨切屑流出，已加工表面上殘留一部分；晶粒在分離處的水平方向上受壓，在垂直方向受拉，形成了殘余拉應(yīng)力。另外，在形成已加工表面的過程中，已加工表面與刀具的后刀面產(chǎn)生擠壓與摩擦，使表層金屬形成拉伸的塑性變形；刀具離開工件后，在里層金屬的作用下，表層金屬會(huì)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。所以不合理的加工順序會(huì)導(dǎo)致金屬內(nèi)部的殘余應(yīng)力增多，也就增加了零件變形。

對(duì)于工件的內(nèi)外圓切削，選擇合理的切削順序，對(duì)變形至關(guān)重要。保證內(nèi)徑及其公差要求的重點(diǎn)，在選擇切削方向上進(jìn)行了探索，內(nèi)外圓交替加工的常規(guī)方法每刀變形為0.6～1.5mm（單邊），本次課題研究的方法，可以解決沒有熱處理對(duì)工件變形的影響，可以很好的控制應(yīng)力釋放對(duì)筒體尺寸的影響。

在加工吊籃筒體過程中，經(jīng)過反復(fù)測量以及試驗(yàn)，進(jìn)行了多次測量，選擇端口外圓的監(jiān)控帶數(shù)據(jù)來進(jìn)行研究，可得到以下規(guī)律（見表3、圖2）

圖2 每一次加工的變形曲線圖

表3 中筒節(jié)端口外圓監(jiān)控帶跳動(dòng)

從數(shù)據(jù)來看，從第23 次加工開始，變形區(qū)域穩(wěn)定，加工變形量≤0.35mm。

在多次試驗(yàn)及測量中，得到最優(yōu)的加工順序：法蘭朝下時(shí)，上筒體內(nèi)孔自上向下車一刀，中筒體外圓自下向上車一刀，中筒體內(nèi)孔自上向下車一刀，此加工方案筒體每刀變形0.3mm 以內(nèi)。

3.5 翻身方式的改進(jìn)

目前采取的翻身方式為吊帶吊起，以筒體一端為支點(diǎn)，進(jìn)行的翻身，為了滿足加工要求，于是將支點(diǎn)位于長軸處，用翻身的變形來消除一部分橢圓度，效果良好。

4 結(jié)論

經(jīng)過本課題的研究，最終加工效果如下，內(nèi)孔圖紙要求：Φ3398±1 ，實(shí)測Φ3398（-0.4～-0.1）；內(nèi)孔精車完成后，測量圓柱度0.2mm ；圖紙要求51（+0.5～+1.5），精車完成后，壁厚52～52.5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足工藝控制要求。

該成果可以成功運(yùn)用到加工內(nèi)外壁的大型薄壁零件，如CAP1000 大型筒體、華龍一號(hào)大型薄壁筒體。