浅析压力容器机加装夹方式改进实践

宋阳 薛钢

摘要：压力容器作为常用的工业设备，在加工生产中常离不开装夹操作。本文主要讨论为保证薄壁压力容器机加精度所采用的装夹方式。通过分析在各个机加工序过程中的难点并结合立式装夹与卧式装夹的优缺点来确定最終的压力容器机加装夹改进方案。希望本文能对相关人员具有一定的启发作用。

关键词：薄壁;压力容器;装夹;立式;卧式;机加

压力容器是一种能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛，它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。在压力容器加工生产中常离不开装夹操作，下面探讨一种保证薄壁压力容器机加精度所采用的装夹方式。

前言

在柱式薄壁压力容器制造过程中按照工艺要求依次完成了上下法兰面外圆的粗车、孔的加工以及上下法兰面的精车削，现要进行法兰孔的加工。此工序直接影响着压力容器的装配精度。此压力容器高2794mm，内径为3505.2mm，壁厚为25.4mm。需要加工法兰上均布的40个法兰孔。

针对法兰孔的位置以及筒体的分析，加工难点主要表现在：其一，相对压力容器的高度，筒壁可以认为薄壁件，加工时候的振动易造成刀具的损伤，从而影响加工件的质量;其二，容器内径为3505.2mm，壁厚25.4mm，筒体在吊装过程中容易产生机械变形，另外，孔与底法兰内圆以及顶法兰上表面更有位置度要求为0.38mm，公差相对严格，这一要求在加工上增添了难度。

考虑上述难点与各个工序，选择数控落地镗铣床TK6920B来加工。此设备工作台尺寸满足此容器加工的同时，还可以进行360°的旋转，方便找正。此设备为三轴联动，加工精度可满足相应要求。在此考虑进行了两种加工方式的实验。

一、柱式薄壁压力容器的卧式加工

根据以往经验，类似零件一般采用“V”型铁辅助卧式加工。这种加工方式方便程序编程加工，而且能提高加工的准确性。

（一）前期准备工作

压力容器的壁厚为25.4mm，相对3m高的筒体可认为薄壁件，吊装过程中能引发筒体挤压变形，造成筒体失去本身固有的形状。另外，卧式放置本身的重力以及捆扎带的压力会造成筒体上下两边突的变形。

而在压力容器内部装入撑圆器，可以有效地防止上述情况的产生。撑圆器结构是由24个调整螺栓均布在环形梁上焊接而成，通过调节与筒体内壁贴合的螺栓与筒体之间的间隙实现调整容器圆柱度。吊装前在筒体内部装入撑圆器，撑圆器中间由支撑立柱链接。调整撑圆器上的螺栓，在保证筒体圆柱度在允许范围内的同时，又可以确保薄壁压力容器内径与筒体在自由状态下的内径差值在公差内。

（二）找正与装夹

（1）“V”型铁的找正装夹

准备工作结束后，首先要进行的是找正“V”型铁。两“V”型铁规格为2000mm×600mm×700mm×120°，均布在可回转工作台上，两者间隔为1400mm。以“V”型铁其中一边为基准，另一边测得的数据最大差值仅为0.04mm，相对内径高度为3m多的压力容器并不影响加工精度。而且，压力容器的外端为毛坯面，放置到“V”型铁后还需要进一步的找正。

（2）薄壁压力容器的找正与装夹

薄壁压力容器放置在已经找正的“V”型铁上，以已经加工完成的底法兰面为基准XY两个方向上校表找正筒体，回转工作台使顶法兰面朝向主轴，以XY两个方向校表验证顶法兰面。验证结果可知底法兰面找正后在X轴方向上已找平，Y轴方向顶部比底部高0.348mm，略前倾;顶法兰面X轴方向差0.02mm，Y轴方向相差0.365mm。这样的差值在0.38mm之内满足找正条件，可以进行装夹。

薄壁压力容器在装夹时用卡箍带固定，尾部配弯板辅助支撑。完成后验证底法兰顶法兰端面与主轴的垂直度，验证结果可知，经装夹后底法兰和顶法兰在X方向上基本无变化，在Y方向上最大差0.3mm，说明在装夹过程中没有引起薄壁压力容器“前倾”或者“后仰”的位置变化。

2、程序实现

卧式加工方式最大的好处是能将图纸给出孔的直角坐标系直接写入程序内。但在实际的装夹过程中，很难将0°～180°线、90°～270°线线与X轴线、Y轴线相平行，他们之间总会有一定的夹角。这样在程序编写上若仍按常规的编写方式，则要将偏移后各个孔的坐标重新进行计算，这样将会带来烦琐的计算量，进而卧式加工方式的优势就不复存在。

为解决这一问题，方便程序编写实现。引入旋转坐标系“ROT”命令。在实际加工中测得筒体的0°～180°线、90°～270°线构成的直角坐标系与机床坐标系的夹角为20°，Z轴垂直于要加工面，因此旋转时要以Z轴为中心，程序实现上，只需在程序开头处加入ROTZ20，其他的坐标系按照原图纸上的坐标来进行编写即可。

三、加工过程及测量结果

程序验证结束后，进行法兰孔的钻削。在试加工过程中发现，钻孔时筒体有振动，特别在加工顶部孔的时候，振动尤其严重。另外，钻孔结束后，在XY方向分别取直径上两孔，分别测量两孔之间的距离。测得数据：

X方向：11138.51-7642.615+10=3505.895;

Y方向：3620.129-129.823+10=3500.306;

两个方向上的孔距相差5.59mm，超出了公差的范围。

分析总结后，薄壁压力容器装夹时虽有“V”型铁定位，但是压紧装置只有卡箍带辅助一弯板，装夹强度不能满足加工需求，而且切削力的方向与夹紧力的方向不平行，加工极易发生振动。另外，薄壁压力容器内虽然装有内撑圆加以支撑，防止筒体变形。但是没有考虑薄壁压力容器本身自重，造成了筒体与孔距严重超差。因此，这种理论性的卧式加工方式在实际加工中不可取。

四、薄壁压力容器立式加工

数控落地镗铣床TK6920B工作台可以在平面360°内任意旋转角度为薄壁压力容器立式加工提供了可能性。筒体直径为3556mm，限于Z轴的长度，钻孔不可能一次性将所有的孔都加工完。只能每次旋转90°，分4次加工。

（一）前期准备

鉴于薄壁压力容器易变形的特点，在装夹前仍需将3层内支撑放置在筒体内，调整撑圆器上的螺栓，保证筒体圆柱度以及中筒体内径差值在允许范围之内，并将撑圆器点焊在筒体上。

（二）找正装夹

将准备好的筒体放置在已经清扫干净的工作台面上，底法兰朝上，验证底法兰的平面度，可知平面度在0.15mmm之内，满足加工要求。然后以已经加工的底法兰外圆为基准，找正屏蔽罩中心与回转工作台中心同心，找正结果显示底法兰圆度较好，未发生明显的变形。装夹过程中，在与工作台贴合的顶法兰处用均布的压板固定，与底法兰相近内撑圆处选择合适3～4个位置点进行压紧。

（三）程序实现

薄壁压力容器装夹完成后，开始程序的编写。编写过程中无法直接用图纸给出孔的直角坐标，必须进行计算转换下。将直角坐标系转换成孔中心到筒体中心的距离以及孔中心筒体中心连线与0°～180°线的夹角。程序实现时候调用钻孔循环CYCLE80，结合极坐标进行钻孔加工。

（四）加工过程及测量结果

程序验证结束后，进行钻孔加工。在加工过程中，由于钻头垂直于工作台面，钻削力的方向平行于筒体侧壁，且平行于压板压紧力的方向，故相对于立式加工方式振动要轻很多，得到孔的表面质量也相对比较高。

加工结束后，利用激光跟踪仪进行孔之间的位置以及孔的位置度的测量，测得的数据都在图纸加工要求的范围内。

结语

在薄壁压力容器加工过程中，先后进行了卧式和立式的两种加工方法的试验。在试验过程中发现，卧式加工方式容易引起屏蔽罩的变形和振动，而立式加工方式加工比较平稳，且能钻削出高质量的符合要求的法兰孔。类似这种大型薄壁工件在加工时选择立式加工方式能有效地避免振动和变形，进而能得到较高的加工质量。

参考文献：

[1]张延荣.浅谈普通机床数控化改造技术[J].民营科技，2017（6）：14.

作者简介：

宋阳，薛钢，沈阳东方钛业股份有限公司。