数控龙门铣镗床加工水轮机控制环方法与技巧

聂士海，陈荣，高有谋

（中国长江动力集团有限公司，武汉430074）

0 引 言

水轮机的关键零部件——大型控制环上圆周分布的斜面、斜孔加工是整个零件加工中的难点。控制环本体外轮廓的直径为5700 mm，圆周上有16个与环体平面夹角60°的台面，每个台面上有一个垂直于台面的定位销孔，销孔的孔径精度和位置精度要求高，加工难度大。这些定位销孔都以60°的方向按圆周均布指向控制环的空间原点上，各孔之间累计误差不大于0.05 mm，加工中如何采取有效的技术手段保证斜孔的角度和在圆周上的位置精度是加工成功与否的关键。

本文以大型控制环圆周斜面及斜面上销孔加工过程为研究对象，通过合理选择设备、工件装夹方法、刀具、加工参数、加工方法及手工编制数控程序等，形成了一套经生产应用证明行之有效的圆周上斜孔加工工艺。

1 加工难点

水轮机控制环结构如图1、图2所示。

图1 控制环俯视图

图2 销孔剖视图

1）控制环装夹容易造成变形。零件外形尺寸较大，并且是Q235-B材料的焊接件，在零件装夹的时候，要选择正确的夹紧点，然后按照夹紧点的位置选择合适的压紧力，要使压紧点和支撑点保持一致，让夹紧力作用在支撑点上，从而避免因装夹而使工件变形。并且压紧点在不干涉加工的情况下，尽量选择靠近加工面，才能减小加工过程中产生的变形。对于控制环这个零件，我们认真分析其结构特点，选择在内外圆周错开加支撑和压紧（如图3），同时考虑装夹的先后顺序，以精车基准平面下面垫等高铁并打表检查基准平面平面度，打表按顺序压紧，保证表针晃动不超过0.01 mm，外圆周加可调垫铁并打表适当压紧，保证表针晃动不超过0.01 mm，同时要加大零件和夹具的接触面积，这样就会减小在装夹时零件产生的变形。

图3 装夹简图

2）控制环圆周斜面和垂直于上台面的销孔加工难点。控制环圆周上有16个与环体平面夹角60°的台面，每个60°台面的正反两面都需要加工，并且凸台反面加工空间有限，不易加工，台面厚度51+0.5-0.5mm，而台面上需要加工的正反斜面较大，如果选用一般刀具，用沉切法加工，加工时间较长、效率低，而且也达不到图样要求的粗糙度。零件外形尺寸较大，环体件刚性差加工过程易变形，定位销孔加工精度要求较高，φ50销孔尺寸公差为0～0.03 mm，相对基准面的角度公差为0.02 mm方向按圆周均布指向控制环的空间原点上，各孔之间累计误差为0.05 mm, 各孔之间累计误差不大于0.05 mm。

2 工艺方案

2.1 设备选用

根据工件外形尺寸和设计的要求，加工设备我们选择了德国科堡移动龙门铣镗床，设备主要参数如表1所示。

表1所示设备参数完全可以满足控制环圆周上60°的台面正反面加工和台面垂直方向上的斜孔加工。

表1 加工斜孔时所用设备主要参数

2.2 工件装夹注意事项

零件装夹时要保证两个过中心的60°台面与X轴平行，要保证另两个中心的60°台面与Y轴平行，以图2所示的“基准平面”作为基准，装夹校正好，同时也要考虑数控机床C轴的分度角及数控加工程序的编写，为后面加工做好充分的准备，保证工件的各个位置的精度和公差。在装夹时按照本文第1节的方法放置支撑点，按照图3所示的序号去校正适当夹紧，可有效减少零件在加工时产生的应力变形。

2.3 刀具选择

三面刃（φ630）、φ49普通钻头和微调精镗刀（φ45～φ51）的主要切削参数如表2所示。

表2 所选刀具主要切削参数

3 加工过程

3.1 确定工件坐标系

首先要确定工件的X、Y轴的零点，即图1中的O点。然后确定Z轴零点：把万能附件头在没有安装刀具的端面与图2所示“基准平面”重合，完成Z轴对零。这一步非常关键，关系到各个孔相对于空间的位置度，要把Z轴对零误差控制到最小，运行加工程序，X轴、Y轴、Z轴回到工件中心。这时手动把万能附件头B轴旋转-60°，并运行B轴旋转后的模态程序，系统默认B轴角度就可以了，保证附件头的角度和工件上的凸台面的孔角度统一轴线，通过三轴加工程序完成圆周上各个凸台面及斜孔的加工。

3.2 编写加工程序

确定刀具的长度（即刀尖到附件头端面的长度），在控制面板参数里面设置好刀具的长度、厚度、半径，在编程中可以直接写刀具代号；然后编写加工程序，要熟练运用ROT、AROT、TRANS、ATRANS指令编写加工台面上的正反斜面的加工程序。

该程序是加工16-60°台面正反面的粗精加工通用加工程序，粗加工时正反面各留有1 mm加工余量（手动打开切削液）；加工反面的斜面时，需注意三面刃的厚度（三面刃的厚度已在选用刀具时设置好）。留余量是为了防止零件在粗加工时产生变形，同时也是为了精加工时松开所有的压板，为应力释放做好准备工作。

该程序时加工垂直于台面的φ50销孔（手动打开切削液），预钻成φ49的通孔，为精镗孔做好准备。

以上所有的粗加工都已经完成，可以松开所有的压板，使工件适当释放加工时产生的应力，再一次适当地夹紧，重新确定工件的加工零点，那么在精加工时可最大限度地减少工件变形，保证各个相关尺寸。

精加工16-60°台面的正反面时，需要更换好三面刃的刀片，在加工余量小的情况下，可有效保证台面的厚度51 mm。只是在镗孔时，需要更改程序二中的“程序段N15”钻孔循环，更改成镗孔循环：N15 MCALL CYCLE86(500,0,2,,-52,1,3,0,-0.2，0,0,0,1,11)，并更改刀具号H3（微调精镗刀（φ45～φ51）），微调精镗刀需多次调整刀具直径，来完成孔的加工。使用镗孔循环的优点是在每次镗孔完成后，退刀时可以有效地避免退刀时划伤孔壁，保证孔的表面质量。

上述简单的加工宏程序中的H`2和L，如果图样没有给尺寸，我们可以通过三角函数计算得出，如：H`2=R·tan 30°、L=R/cos 30°（如图4）。当然也可以通过CAD软件画图进行测量得到。

图4 H`2和L尺寸计算示意图

4 结 论

本文在分析水轮机控制环圆周斜面及斜孔加工技术要求和加工难点的基础上，从设备选用、工件装夹、刀具选用、加工过程等方面进行研究，形成较为合理的圆周斜面及斜孔加工方案。生产实际装配应用表明，圆周上斜面及斜孔加工方案能保证加工满足设计要求，为以后此类圆周斜面及斜孔零件的数控加工提供了参考。