大型核電汽缸撐桿凸臺(tái)的數(shù)控編程加工及應(yīng)用

廖世超 蒙波 譚萬斌 劉蕾

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

本次加工的核電汽缸屬于常規(guī)島汽輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，該汽缸具有形狀尺寸復(fù)雜、加工面眾多、汽缸易變形、尺寸精度難以控制等難點(diǎn)，特別是狹窄內(nèi)腔有多個(gè)空間復(fù)合角度的撐桿凸臺(tái)，如圖1所示，這些凸臺(tái)端面加工困難。以往采取的方式為近似包容加工為簡(jiǎn)單一維平面，因此容易造成凸臺(tái)位置偏移、尺寸超差等問題，影響產(chǎn)品的質(zhì)量與交貨期。

圖1 汽缸內(nèi)腔示意圖Figure 1 Cylinder chamber

1 存在的問題及解決方案

經(jīng)分析該汽缸空間凸臺(tái)的加工存在如下難點(diǎn)：

(1)加工空間受限，凸臺(tái)處于內(nèi)腔或管壁中，機(jī)床加工干涉碰撞概率極大；

(2)刀軌偏差范圍較嚴(yán)格，由于空間狹小，對(duì)刀軌精細(xì)度提出了很高的要求；

(3)刀具懸伸長(zhǎng)剛性差，局部凸臺(tái)懸伸近2 m，對(duì)刀具工裝剛性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了難題。

為解決上述難題需從以下三個(gè)方面入手：

(1)建立機(jī)床ISV仿真模型，模擬分析加工中的干涉情況，為后續(xù)汽缸裝夾、走刀方式、程序編制等提供支撐；

(2)設(shè)計(jì)專用刀具；

(3)編制準(zhǔn)確的數(shù)控程序。

2 加工方式選擇

該汽缸長(zhǎng)約7 m，寬4 m，高2.5 m，重達(dá)100 t，目前現(xiàn)有的T6920×154數(shù)控落地鏜床及6 m×24 m數(shù)控龍門銑能滿足該汽缸撐桿凸臺(tái)的加工。

若采用T6920×154數(shù)控鏜床加工存在以下問題：

(1)需把汽缸沿長(zhǎng)度7 m方向豎直擺放，裝夾剛性、安全性差；

(2)為保證安全，加工時(shí)行車必須全程輔助起吊，防止工件側(cè)傾，占用行車資源。

采用6 m×24 m數(shù)控龍門銑加工較T6920×154數(shù)控鏜床加工具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)起吊、裝夾、找正安全、方便，只需汽缸平放，剛性較好。

(2)同時(shí)該數(shù)控龍門銑配備一個(gè)1.2 m加長(zhǎng)直角銑頭，能適用于空間狹小部位的加工，見圖2。

故本次采取6 m×24 m數(shù)控龍門銑加工為較優(yōu)選擇。

圖2 1.2 m加長(zhǎng)直角銑頭Figure 2 1.2 m lengthening right-angle milling head

3 虛擬機(jī)床數(shù)控仿真模型的建立

由于撐桿凸臺(tái)位于汽缸內(nèi)腔狹小空間，加工采用數(shù)控程序控制，整個(gè)數(shù)控程序運(yùn)行過程須確保加工安全性，避免機(jī)床、銑頭、工件相互發(fā)生干涉。所以必須經(jīng)過虛擬機(jī)床仿真模擬整個(gè)切削過程，在加工前找到優(yōu)化刀軌的辦法。虛擬機(jī)床是利用CAD軟件搭建一臺(tái)與現(xiàn)場(chǎng)幾乎一致的1∶1的機(jī)床模型，并為其賦予運(yùn)動(dòng)與邏輯關(guān)系，使之能較真實(shí)的模擬實(shí)際加工存在的問題。利用虛擬技術(shù)創(chuàng)造的機(jī)床，不論從外形，還是運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系及行程都可設(shè)定為與現(xiàn)場(chǎng)加工機(jī)床環(huán)境一致。為搭建好虛擬機(jī)床，導(dǎo)入相應(yīng)的控制代碼，例如數(shù)控指令，它就能嚴(yán)格按指令運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控程序的仿真，從而更有效、更經(jīng)濟(jì)、柔性靈活的組織生產(chǎn)[1]。

3.1 虛擬機(jī)床各零部件的建模與裝配

通過ug軟件對(duì)6 m×24 m數(shù)控龍門銑進(jìn)行建模，建模時(shí)銑軸、加長(zhǎng)直角銑頭等關(guān)鍵尺寸需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)量準(zhǔn)確，因?yàn)榧庸r(shí)該部位最易與工件發(fā)生碰撞。其余部位建模允許有誤差，按照表1參數(shù)對(duì)各重點(diǎn)部位進(jìn)行建模。

表1 重點(diǎn)部位建模參數(shù)Table 1 Modeling parameters of key positions

建模后進(jìn)入裝配模塊，對(duì)各零部件進(jìn)行裝配，并導(dǎo)入汽缸三維模型，在ug軟件中進(jìn)行裝配，最終完成機(jī)床加工系統(tǒng)建模如圖3。

3.2 虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型的搭建

加工系統(tǒng)裝配好后，進(jìn)入機(jī)床導(dǎo)航器模塊，按表2參數(shù)定義X軸、Y軸、Z軸、工件、夾具、主軸等部件，同時(shí)給出各軸行程范圍。

當(dāng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)關(guān)系確定后，就可以配置相應(yīng)的加工后處理、機(jī)床驅(qū)動(dòng)、虛擬NC控制器等，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)控操作系統(tǒng)為840D系統(tǒng)。整個(gè)虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型搭建流程如圖4。

圖3 加工系統(tǒng)建模Figure 3 Modeling of machining system

表2 機(jī)床導(dǎo)航器參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters setting of machine navigator

圖4 虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型搭建流程Figure 4 Constructing process of virtual machinemotion model

圖4中的機(jī)床驅(qū)動(dòng)器是利用UG后處理創(chuàng)建的，有兩層含義，一是賦予虛擬機(jī)床運(yùn)動(dòng)邏輯關(guān)系，另一層是賦予虛擬機(jī)床一整套數(shù)控代碼系統(tǒng)。當(dāng)利用虛擬機(jī)床仿真數(shù)控程序時(shí)，該數(shù)控代碼通過該機(jī)床驅(qū)動(dòng)器被識(shí)別轉(zhuǎn)化為相應(yīng)機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)中，從而使虛擬機(jī)床正確運(yùn)動(dòng)起來。

4 刀具設(shè)計(jì)

加工時(shí)如果刀具直徑較小，則滑枕及直角銑頭根本無法加工，刀具直徑必須大于直角銑頭處直徑，加工時(shí)才不會(huì)干涉，同時(shí)直徑不能過大，因?yàn)檫^大直徑在直角銑頭功率一定的前提下，獲得的切削力較小，且大直徑刀具重量大。由于加工部位為空間角度，為方便數(shù)控程序編制，需考慮切削刃在刀具外徑范圍全覆蓋，設(shè)計(jì)刀具為三面刃形式，刀片采用圓刀片提高表面粗糙度及加工效率。表3為專用刀具設(shè)計(jì)參數(shù)。

通過UG建模完成刀具設(shè)計(jì)如圖5。

表3 刀具關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Key design parameters of tool

圖5 ?500 mm三面刃銑刀Figure 5 ?500 mm three-edge milling tool

5 數(shù)控程序的編制及仿真

5.1 撐桿凸臺(tái)銑削程序編制

采用UG數(shù)控編程，編制前MCS設(shè)定為與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)床一致，程序原點(diǎn)設(shè)置在方便對(duì)刀位置，編制時(shí)選定固定軸銑削，驅(qū)動(dòng)曲面選擇空間曲面，投影方向設(shè)置為沿X向，為提高光潔度選擇順銑，按表4設(shè)置其余編程參數(shù)。

設(shè)置完參數(shù)，運(yùn)算刀軌生成如圖6所示。

表4 其余編程參數(shù)Table 4 Other programming parameters

圖6 空間凸臺(tái)銑削刀軌Figure 6 Milling tool route of space boss

5.2 數(shù)控程序在虛擬機(jī)床中仿真

程序編制完后，調(diào)用虛擬機(jī)床，模擬刀軌運(yùn)行，運(yùn)行前設(shè)定直角銑頭、滑枕與工件為碰撞對(duì)，如果發(fā)生碰撞則仿真過程會(huì)報(bào)警并顯示，仿真界面如圖7所示。

通過虛擬機(jī)床仿真，逐一仿真各凸臺(tái)數(shù)控加工程序，通過碰撞分析優(yōu)化刀軌，再仿真，如此反復(fù)，直至仿真結(jié)果無碰撞情況發(fā)生。

圖7 空間凸臺(tái)加工刀軌仿真Figure 7 Simulation on machining tool route of space boss

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工

現(xiàn)場(chǎng)加工時(shí)，裝夾嚴(yán)格按照前期虛擬機(jī)床模擬情況進(jìn)行。程序運(yùn)行前，先在機(jī)床面板模擬，為安全起見，實(shí)際加工過程中數(shù)控程序調(diào)為單段執(zhí)行，邊加工邊觀察是否有碰撞情況，加工現(xiàn)場(chǎng)情況見圖8。

圖8 撐桿凸臺(tái)加工現(xiàn)場(chǎng)Figure 8 Machining site of supporting pole boss

由于采用了合理的加工方式、設(shè)計(jì)專用刀具及編制了數(shù)控程序，并且通過虛擬機(jī)床技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化仿真刀軌，最終高效且高質(zhì)量地完成了該核電汽缸撐桿凸臺(tái)的加工，加工效果見圖9。

圖9 加工效果Figure 9 Machining effects

7 結(jié)束語(yǔ)

大型核電汽缸狹窄內(nèi)腔分布的帶空間角度的撐桿凸臺(tái)的加工，需選取合適的加工機(jī)床、設(shè)計(jì)專用刀具、編制合理數(shù)控程序，并采用虛擬機(jī)床技術(shù)仿真，一方面能克服該部位的加工難題，另一方面又最大限度地保證了加工過程的安全與準(zhǔn)確性，同時(shí)該方法為行業(yè)內(nèi)同類零件部位的加工提供一些可借鑒的思路。