弯孔类核电主管道取棒加工技术研究

陈 刚 胡余平 陈小波

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000)

弯孔类核电主管道分为两段，一段为长直段，另一段为弯头段，由于弯孔长度相对较短，因此该段采用机械加工的方式加工成型。但由于弯头段的存在，导致直段内孔套棒加工后，弯头端取棒异常困难，如图1所示。本文重点阐述了弯孔类核电主管道在取棒加工方面的工艺技术方案。

1 取棒加工工艺方案流程概述

工件弯头段中心线与直段中心线存在弯曲角度α，取棒加工工艺方案基本流程为：弯管段取棒加工相关找正基准面的选定→利用激光跟踪仪对找正基准面进行验证→镗床数控加工切断芯棒连接部位→将芯棒从工件中取出。

2 找正基准的选定

工件长直段中心线与弯管段弯曲内圆中心线在同一平面内，因前期工件热处理消应，工件外表面存在黑皮及变形情况，因此加工前，必须在工件弯曲段余量范围内铣找正基准。找正基准限制三个自由度，包括扭摆找正带、水平找正带、垂直找正带(见图2铣削见光部位)。此步骤较为关键，加工后的找正基准面不但利于取棒加工，而且为后续弯管段内孔及中部各管嘴精加工前的装夹找正带来便利。

2.1 确定弯管段弯孔中心

由于工件弯管段包容于方头余料内(见图2)，若要在取棒的同时不伤及工件成品，必须要将弯管段弯孔中心进行精确确定。

图1 弯孔类主管道的弯头端局部示意图Figure 1 A partial diagram of the elbow end of a main pipeline with curved holes

图2 确定弯孔中心X向中心位置基准Figure 2 Determine the reference of the center of the curved hole in X direction

其次，用外径千分尺准确测量基准圆直径，并记录好基准圆所在位置，以水平找正带打表记录与基准外圆落差，用以定弯头端弯孔Y向中心。

3 找正数据的验证

由于工件为异形结构，任何一次装夹找正必须一次成功且准确无误，因此在正式加工弯管段弯孔时，须增加一次激光三维检测，以验证装夹找正的正确性，同时也是验证上述加工基准的正确性。在准备工作就绪后，采用激光跟踪仪对工件的找正情况及端面余量等进行复查及计算。弯曲角度可以直接用仪器得出，但两端端面余量须通过CAD作图间接得出，包括圆头端端面余量、弯头段端面余量。通过实测数据与CAD包容模拟数据之间的对比可以反映出找正后的误差。

4 数控半精加工弯孔并贯通中心芯棒底部

正式加工前，先将弯头段内圆粗加工铣成多个随型台阶孔后，为保证贯通芯棒根部，且不伤及工件成品，需要拟合弯曲段弯孔表面留量进行加工，该加工属于曲面加工，因此采用UG软件自动数控编程，为最大程度减少装夹找正次数，提高加工效率，采用两次装夹找正的加工方案(见图3)。

4.1 数控加工贯通芯棒底部12侧

执行第一个数控程序，程序执行原点X、Y向位于第一个台阶孔中心，Z向位于第一个台阶孔外端面，对应刀具为：X、Y原点与圆弧刀盘中心重合，Z向原点与圆弧刀片顶点重合。对刀后必须空走刀验证程序无误后方可进行加工。最后执行程序加工弯管内孔直至弯管底部与X轴正侧大部分贯通。

4.2 数控加工贯通芯棒底部剩余部分

由于工件弯管段内孔为弯曲弧段，因此在执行第2个数控程序前需要将工件重新旋转找正装夹，使镗杆主轴与工件长直段中心成10°夹角。

装夹找正步骤如下：工件在第一次装夹找正状态下，旋转α-10°。找正完毕后，执行第2个程序贯通芯棒底部剩余部分。

4.3 快速捕捉空间对刀原点技巧

程序1与程序2的程序原点(刀具起始点)为同一位置，即端面孔的圆心，但由于工件执行程序2前已将工件进行α-10°旋转装夹找正，程序原点相对于刀具而言，由以前的平面点变为了现在的空间点，在执行第2个程序前，需按下列方式准确、快速捕捉数控程序原点，完成对刀过程：

工件在旋转前，以端面孔为中心，划该孔中心相对机床的X、Y坐标十字中心线(或机床配合打点)。工件进行旋转、通过各找正带找正完毕后，通过端面已做点，可以找到数控原点(端面圆心)X、Y坐标值。由于工件进行了旋转，Z向坐标值已无法直接对刀得到，需要通过间接对刀得出Z向坐标值(见图4)。

(a)第一次装夹找正打表复查旋转角度(b)第二次装夹找正图3 旋转找正示意图Figure 3 Rotating alignment diagram

图4 空间对刀示意图Figure 4 Schematic diagram of space knife alignment

通过图4中的三步可以定出Z向坐标点。这样X、Y、Z三个程序坐标点(对刀原点)均明确了，确定后，便可开始执行第2个程序。

图5 芯棒底部贯穿照片Figure 5 Through the mandrel bottom

此方法的优点在于大幅降低了对刀加工辅助时间，提高了加工效率，并提升了对刀加工精度。

5 贯通芯棒底部后最终取棒

按上述方式对刀后，再次空走刀验证程序无误后方可进行加工。最后执行程序加工弯管内孔直至弯管底部与X轴负侧(剩余部位)贯通。经过两个数控程序加工后，弯管段内孔已基本贯通至中心芯棒底部，见图5。

在第2次程序执行完毕后，中心芯棒与孔壁之间完全脱离，中心棒至此可从工件内部取出。

6 结论

通过对弯曲类核电主管道弯曲内孔加工技术的探索与研究，创新性提出较为准确、可靠的装夹、找正及原点定位方式，为其大直径芯棒取棒加工难点的成功突破奠定了基础，同时为后期整个弯曲类核电主管道的保质完成起到了关键性作用。该技术方案的成功实施填补了核电弯孔加工领域工艺研究的空白，对提升公司在核电市场的产品竞争力，具有重要意义。