ACPR50S試驗(yàn)堆壓力容器橢圓封頭數(shù)控加工工藝研究

徐晨洲 袁宗煥

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

收稿日期：2021-07-12

ACPR50S試驗(yàn)堆壓力容器是ACPR50S反應(yīng)堆的核心設(shè)備，主要包括整體頂蓋、下封頭、法蘭接管段筒體、堆芯段筒體等零部件。其中，橢圓下封頭是壓力容器制造中的難點(diǎn)之一，其內(nèi)曲面為橢球面，外曲面為近似橢球面，控制工件法線方向壁厚的均勻性是其加工制造的難點(diǎn)。本文主要研究橢圓封頭內(nèi)、外曲面的數(shù)控加工工藝方法。

1 零件結(jié)構(gòu)及精度要求

1.1 幾何特征

該零件為橢球體類結(jié)構(gòu)，由上部圓柱面，下部橢球體類曲面組合而成，如圖1所示。橢球體內(nèi)曲面輪廓線為長軸與短軸比為2∶1的橢圓，在橢圓長軸端點(diǎn)上與上部內(nèi)圓柱面相接，并形成一個(gè)20 mm的內(nèi)臺階面。橢球體外部曲面是與內(nèi)曲面保持120 mm等壁厚的曲面，且上部圓柱曲面在51 mm處相切。

圖1 橢圓封頭Figure 1 Elliptical head

1.2 精度要求

該零件內(nèi)橢圓長軸尺寸直徑公差為0.5 mm，半徑公差為0.25 mm，精度等級達(dá)到IT9級，精度要求較高；壁厚公差為0.5 mm，對于線性尺寸來說，其精度等級為IT13，屬于普通精度等級，但要滿足內(nèi)、外曲面任意一點(diǎn)的法線壁厚均一致，且公差為0.5 mm，其加工難度就增大了很多。工件各表面的粗糙度為Ra6.3，一般數(shù)控機(jī)床均能滿足要求。

2 數(shù)控加工工藝分析

從該零件的幾何特征及精度要求分析，可得出其制造加工的難點(diǎn)在于控制內(nèi)、外曲面等壁厚達(dá)到要求，以及控制厚度公差及精度。

2.1 工藝系統(tǒng)誤差分析

零件加工過程中影響零件壁厚公差尺寸的因素較多，對于本橢球體類工件主要包括工藝系統(tǒng)誤差、工藝性誤差、數(shù)控加工數(shù)學(xué)模型及編程方法的誤差。

(1)工藝系統(tǒng)誤差主要來源于數(shù)控機(jī)床，具有不可壓縮性，在工藝過程中必須考慮。本零件為回轉(zhuǎn)類零件，需用4 m左右的數(shù)控立車加工。因此，工藝系統(tǒng)誤差主要包含工作臺幾何精度、刀架(橫梁)垂直運(yùn)動(dòng)與工作臺回轉(zhuǎn)精度、定位與重復(fù)定位的精度、刀具系統(tǒng)剛性、夾具系統(tǒng)的剛性、工件切削熱變形等，這些因素均會影響零件的內(nèi)、外輪廓精度，占用壁厚公差，使壁厚公差實(shí)際可調(diào)整范圍變窄。

(2)工藝性誤差與加工工藝方法、工藝手段有著直接的因果關(guān)系，屬于非原理性誤差。在制定工藝過程中要充分考慮加工流程、工藝基準(zhǔn)、裝夾方式、切削參數(shù)等因素，制定合理可操作的工藝方案，盡量減少工藝性誤差。

圖2 等距m外曲線與外橢圓曲線示意圖Figure 2 Schematical diagram of outer curve with equidistant m and outer elliptic curve

2.2 主要工藝措施

針對本零件特點(diǎn)及精度要求，可以采取以下工藝措施，提高零件加工精度。

(1)合理選用數(shù)控加工設(shè)備，調(diào)整數(shù)控設(shè)備的精度指標(biāo)，包括工作臺回轉(zhuǎn)精度、刀架垂直度、重復(fù)定位精度等，使其設(shè)備精度累計(jì)誤差控制在0.2T(圖紙公差)范圍內(nèi)；

(2)工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)統(tǒng)一，且工序前后基準(zhǔn)重合，均按零件內(nèi)曲面為基準(zhǔn)，可以有效地降低不同加工工位的誤差；

(3)加工過程中，采取粗精分開，分多刀次加工的原則，有效減少工件內(nèi)應(yīng)力與切削熱變形引起的誤差；

(4)增加內(nèi)、外曲面、端面裝夾、定位工裝，控制工件找正精度(水平、垂直，圓度)，使累計(jì)誤差控制在0.2T(圖紙公差)范圍內(nèi)；適當(dāng)加大刀具截面尺寸，提高工藝系統(tǒng)的剛性；

(5)合理選擇數(shù)控程序的切入、切出角度，減少零件加工殘留，提高工件表面加工質(zhì)量；

3 數(shù)控加工

零件數(shù)控加工過程，實(shí)際就是將零件的幾何特征轉(zhuǎn)換成能被數(shù)控機(jī)床識別的空間坐標(biāo)點(diǎn)，以該坐標(biāo)點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，以達(dá)到數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡符合零件幾何特征的一個(gè)過程。

現(xiàn)有數(shù)控設(shè)備均只有線性插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，即對線性幾何特征只需得到線性特征的起、終點(diǎn)坐標(biāo)，對圓弧幾何特征只需得到圓弧特征的起、終點(diǎn)坐標(biāo)和半徑值就可控制機(jī)床加工出線性和圓弧幾何特征。對于其他曲線幾何特征，將其幾何特征信息轉(zhuǎn)化為機(jī)床能識別信息，是數(shù)控加工中研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用有效幾何特征信息，建立零件輪廓的數(shù)學(xué)模型，求解出相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)方程，是準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化零件幾何特征的有效手段，也是數(shù)控加工常用方法。求解出零件輪廓參數(shù)方程后，只需按參數(shù)方程進(jìn)行編程得出NC代碼，以NC代碼控制數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡便可加工出相應(yīng)的幾何特征。

3.1 參數(shù)方程

根據(jù)本零件的幾何特征，內(nèi)輪廓線為標(biāo)準(zhǔn)橢圓曲線，外輪廓線為與內(nèi)橢圓曲線上各點(diǎn)法線方向距離相等的曲線。

橢圓標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)方程：

(1)

橢圓外等距曲線方程：

如圖3(a)所示，設(shè)平面橢圓曲線f(x)上任意一點(diǎn)P沿著該點(diǎn)法線方向向外移動(dòng)一段距離m，所得到的軌跡為F(X)，即F(X)為f(x)的外等距曲線。

圖3 橢圓外等距曲線Figure 3 Outer equidistant curve of elliptic curve

式中，i、j表示在坐標(biāo)軸X、Y上的單位向量，法向量指向等徑曲線為正。

根據(jù)外等距曲線法向距離相等，F(xiàn)(X)=f(x)+m·n，則有：

可得出橢圓外等距曲線的參數(shù)方程：

(2)

將(2)式整理后得：

(X-acosθ)2+(Y-bsinθ)2=m2

(3)

由式(2)與式(3)可以得出，橢圓的等距曲線為圓心在已知橢圓上且半徑為m的圓族包絡(luò)線，不是橢圓曲線。利用切向量與法向量之間的關(guān)系，還可以求出其他任意曲線f(x)的等距曲線。

3.2 數(shù)控編程

3.2.1 圓弧逼近法

在橢圓曲線的加工過程中常會用到圓弧逼近法完成橢圓曲線的近似加工，即將橢圓曲線分為若干(有限)弧段，每個(gè)弧段上選取3個(gè)點(diǎn)(含起、終點(diǎn))確定一段圓弧，就可以用若干首尾相連的圓弧段逼近橢圓曲線。

如圖4所示，在橢圓曲線上任取3點(diǎn)A、P、B，形成弧段AB，δ為擬合圓弧與橢圓曲線的最大誤差，只要δ≤T(圖紙公差)，則擬合圓弧滿足要求。根據(jù)曲線曲率半徑公式、弦長公式以及公差T，計(jì)算出最大L，然后使LAP≤L，計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)(已知起始點(diǎn)A坐標(biāo))，依次類推計(jì)算B點(diǎn)坐標(biāo)，通過A、P、B計(jì)算出擬合圓弧半徑R，則該弧段擬合計(jì)算完成。然后利用相鄰擬合圓弧端首尾相接(共點(diǎn))性質(zhì)，同理計(jì)算剩余各段圓弧的參數(shù)。

圖4 圓弧逼近法擬合計(jì)算Figure 4 Fitting calculation by arc approximation method

對于橢圓外等徑曲線，可以將橢圓擬合圓弧偏置一個(gè)m，然后利用R/(R+m)的比例關(guān)系計(jì)算得到外等徑曲線的擬合圓弧參數(shù)。

如果橢圓曲線輪廓精度要求較高，則擬合圓弧的計(jì)算量很大，計(jì)算錯(cuò)誤概率較高，不適合用圓弧逼近法。通常圓弧逼近法適用于零部件輪廓精度不高的曲線數(shù)控加工。

本零件內(nèi)橢圓曲線長半徑為1156 mm，短半徑為578 mm，其長半軸的尺寸公差為0.25 mm。按0.2 mm公差計(jì)算，需要9個(gè)模擬圓弧段才能得到符合要求的近似橢圓曲線，然后以G02圓弧編程即可。例如第一個(gè)擬合圓弧的起點(diǎn)為(1156，0)，終點(diǎn)為(1145.082，79.251)，半徑為293.094，則該擬合圓弧的程序段為：

G01 X1156 Z0

G02 X1145.082 Z79.251 R293.094

3.2.2 參數(shù)編程法

參數(shù)編程不僅可以實(shí)現(xiàn)特定數(shù)值下的一次加工，也可以實(shí)現(xiàn)同類型不同數(shù)值下的其他加工，只需改變參數(shù)賦值即可，操作靈活簡便。通過改變增量參數(shù)的大小，調(diào)整切削步長，改變密化點(diǎn)數(shù)量，以匹配不同零件的精度要求。事實(shí)上，增量參數(shù)固定時(shí)，編程軌跡與曲線本身存在一個(gè)δ的誤差，只是增量很小時(shí)，誤差δ可忽略不計(jì)，不影響加工精度。

經(jīng)計(jì)算簡化后得：

當(dāng)β=0.1°，0°≤θ≤90°時(shí)，δmax=4.4×10-4mm，基本可以忽略不計(jì)。

圖5 參數(shù)編程示意圖Figure 5 Schematical diagram of parametric programming

設(shè)定變量參數(shù)與增量參數(shù)后，可按內(nèi)、外輪廓線的參數(shù)方程式(1)和式(2)進(jìn)行編程，以SIEMENS系統(tǒng)R參數(shù)編程為例，外輪廓線部分程序段如下：

(1)設(shè)定參數(shù)及賦值

R11=578.313；Z軸方向橢圓半徑

R12=1156.625；X軸方向橢圓半徑

R13=121.75；壁厚

R21=0；起始角度

R22=0.1；角度增量

R23=R21；循環(huán)角度

R24=90；終止角度

(2)循環(huán)及切削

MARK1：

IF R23>R24 GOTOF MARK2

R31=R11*sin(R23)+R13*R12*sin(R23)/SQRT(R12*R12*sin(R23)*sin(R23)+R11*R11*cos(R23)*cos(R23))

R32=R12*cos(R23)+R13*R11*cos(R23)/SQRT(R12*R12*sin(R23)*sin(R23)+R11*R11*cos(R23)*cos(R23))

G01 X=2*R32 Z=R31

R23=R23+R22

GOTOB MARK1

3.2.3 CAM輔助編程法

對于幾何特征十分復(fù)雜的零件，各輪廓線的參數(shù)方程很難計(jì)算出來，通常會借助CAM編程軟件輔助編程。CAM輔助編程的NC代碼幾乎是以點(diǎn)到點(diǎn)的方式呈現(xiàn)，因此，CAM輔助編程具有唯一性。即同一程序只能在相同零件、相同狀態(tài)、相同工序、相同工位的情況下相互使用，否則不能使用。CAM輔助編程的零件輪廓精度主要取決于三維模型的精度和切削參數(shù)的匹配性。圖6為CAM輔助編程示意圖。

圖6 CAM輔助編程示意圖Figure 6 Schematical diagram of CAM auxiliary programming

4 結(jié)論

(1)橢圓的等距m線不是橢圓，而是圓心在已知橢圓上且半徑為m的圓簇包絡(luò)線，是樣條曲線。

(2)對于該橢圓封頭的內(nèi)、外曲面輪廓線均可用圓弧逼近法、參數(shù)編程法、CAM輔助編程法進(jìn)行數(shù)控編程，達(dá)到其圖紙精度要求。一般而言，圓弧逼近法多用于輪廓精度要求不高的零部件加工；參數(shù)編程法多用于零件輪廓為標(biāo)準(zhǔn)曲線或能求解出參數(shù)方程的零部件加工，同類型曲線只需更改參數(shù)賦值即可，靈活方便；CAM輔助編程法具有唯一性，多用于形狀復(fù)雜的零部件加工。

(3)影響橢圓封頭加工精度的主要因素是工藝系統(tǒng)誤差、加工工藝性誤差、數(shù)控加工數(shù)學(xué)模型誤差。合理地對這三項(xiàng)因素進(jìn)行分析與控制，制定合理的工藝方案，能有效地降低加工誤差，提高加工精度。

(4)文中所述的工藝方法均成功應(yīng)用于ACPR50S試驗(yàn)堆壓力容器橢圓下封頭或其他項(xiàng)目橢圓封頭制造，所加工零件符合技術(shù)參數(shù)要求，質(zhì)量良好。