天津重型装备工程研究有限公司冷工艺研究部 天津 300457
摘要:超大型封头类零件具有毛坯形状复杂,金属去除率需求极大的特点，因此在数控加工过程中，存在毛坯建模包络形状过大导致加工过程中出现空切削，形状复杂导致刀具轨迹复杂，非切削运动较多等问题。针对这些问题，本文研究了准确建立封头毛坯的三维模型，并进行刀检修正的方法；优化了加工工艺流程；用新的编程方法进行刀轨规划和数控程序编制；应用了基于切削参数的数控加工程序优化技术。经过实际加工验证，毛坯建模和毛坯刀检修正方法准确，精度约20mm；经过统计，应用研究的几项技术后，整体加工效率提高约30%。
关键词：超大型，封头，数控编程，高效加工
1 简介
在核电设备中，各种重型容器是非常重要的部件，公司主要制造内容包括RPV（主容器），SG（蒸发器），PRZ（稳压器）等部件。这些部件多呈长筒型，而在其顶部和底部，则是通过一种巨大的，具有多个管嘴的球形零部件与一回路和二回路进行连接，通常净重约70-100吨，这种零件被称为超大型封头类零件。
超大型封头类零件因其作用特殊，故具有以下几个特点：
图1 加工中的超大型封头类零件
（1）形状及其复杂，其外部形状为多个向心管嘴和非向心与球形相贯，并在内外球面相贯处有大小不同的圆角。整个外形呈复杂曲面状，多个部位使用常规方法难以加工到，并且清根困难。在局部甚至出现内大外小的“倒型腔”特征，使得计算机编程过程非常困难。
（2）毛坯为整体锻件，毛坯余量非常巨大。金属去除率可达约70%，为了保证出产工期，要求极高的加工效率。
（3）零件价值非常高，绝对不允许碰刀等事故的发生，因此要求数控加工工艺方法和程序具有非常高的可靠性。
2封头毛坯三维模型的精确建立
由于封头类零件材质机械性能和耐久度要求极为严格，故需使用整体锻造毛坯。本厂的超大型封头类零件毛坯多采用“胎模锻”方法进行制造。同时为了保证局部材料性能，余量较大，导致毛坯经常出现余量不均匀的情况。在之前加工时，编程人员为了保证加工的安全性，在计算机编制数控程序过程中，将毛坯部件建立的尽可能大。这种方法虽然最大程度上的保证了加工过程的安全性，但是存在着一个非常明显的不足，那就是由于计算机模型在局部不能较为精确的体现实际毛坯的特征，从而导致局部空走刀的发生，一定程度上影响了加工效率。
为了在满足安全条件下，尽可能准确的建立封头毛坯三维模型，本文介绍了一套建立精确毛坯模型的方法，流程如图2所示。
图2精准建模流程
2.1图像数据的采集与分析
通过对毛坯部件图像数据进行多角度正交采集，并加工基准尺寸特征，依据比例画法，对毛坯的特征尺寸进行估算。
图3 图像数据采集和分析
2.2特征点数据的测量
单纯图像测量的数据有一定的误差，为了模型的准确性，在数控车上进行了特征点的采集使用机床对多组特征点进行机械式测量，精准确认各个部位特征尺寸。
图4 特征点数据测量
2.3模型的建立、对比和校正
通过图像数据建立毛坯三维模型，将三维模型与图像数据在各个正交方向进行对比，并与特征点数据进行比照，根据误差进行详细校正。
图5模型建立、对比和校正
2.4毛坯的数控刀检及修正
为了防止毛坯在局部存在突变特征，使用机床在各个部分进行刀具检查，如存在特变特征，使用刀检程序对此局部进行修整，防止后续加工中出现碰刀事故。
图6 数控刀检
3 优化数控加工工艺流程
3.1原数控加工工艺流程
原有加工工艺流程参照德国某企业，主要工序顺序如下：
粗加工：
a）立车，车内外球；
b）镗床，封头平放，回转四次，加工各向基准及装夹面；
c）镗床，封头侧立，加工至主轴极限；
d）镗床，封头平放，回转三次，加工剩余环带。
精加工：
a）立车，车内外球；
b）龙门铣床，封头平放，加工各向管嘴精基准；
c）镗床，封头侧立，加工至主轴极限，角铣头加工管嘴外形；
d）镗床，封头平放，回转三次，精加工剩余环带。
此工序存在一定问题，制约了加工效率，主要包括：装夹次数多，封头重量较大，变换竖直水平工位难度极大，浪费时间；工件侧立装夹不稳定，危险系数高，此工艺方案侧立加工部位较多，不但影响效率，而且影响加工安全性；精加工使用龙门铣床和镗床加工，需多次设备间基准传递，多次移动工件，影响效率和精度；立车粗加工内球面底部大余量，线速度低，排屑困难，效率很低。
3.2优化后的数控加工工艺流程针对以上问题，进行了数控加工工艺流程优化，优化后的数控加工工艺流程如下：
粗加工：
a）立车，车内球至1200mm深，车外球；
b）镗床，封头平放，回转四次，互为基准，每向加工至1600mm深；
c）镗床，封头侧立，顶部区域，回转加工内球底部；
精加工：
a）立车，车内外球；
b）龙门铣床，封头平放，精加工外型各部。
优化后的数控加工工艺流程，大幅减少了装夹次数；粗加工在工件平放加工过程中便去除了大部分余量，减小侧立加工难度；粗加工内球底部由车床更改为铣床插铣加工，便于排屑，效率较高；精加工由龙门铣床一次完成，效率高，精度好。
4 新的数控编程方法的应用
4.1“跟随部件”与“跟随周边”方法
在使用计算机软件进行数控加工编程的过程中，根据刀具轨迹生成原理不同，主要采用的是两种刀轨规划方案，即“跟随部件”与“跟随周边”方法：
“跟随部件”也称沿零件切削，是通过对指定的零件几何体进行偏置来产生的刀轨；而“跟随周边”是沿着周边轮廓顺序，创建同心的刀位轨迹。
为了保持切削方向的一致，在之前的加工中，使用的是“跟随部件”方法，但此种方法刀具轨迹不规整，抬刀空刀多，加工时间长；虽然保持了切削方向一致，但由于频繁切入切出冲击，在一定程度上影响了刀具的使用寿命。
4.2刀轨规划和数控程序编制
为了提高效率，尝试采用了“跟随周边”的方法进行刀具轨迹规划和数控程序编制。可以看出，使用“跟随周边”方法后，刀轨明显更加整齐有规律，抬刀、进出刀轨迹变少，整体刀轨长度减少了约20%。虽然为了保持切削连续性，局部出现了切削方向变换（顺逆铣交替），但刀具始终保持切削状态，通过加工试验证明，此状况切削状态好于反复进退刀。经过产品的加工试制，采用此方法在局部可以有效的提高加工效率，延长刀具寿命。
（a）跟随部件
（b）跟随周边
图7 刀轨规划和数控程序编制
5 基于切削参数的数控加工程序优化技术的应用
一般在数控加工过程中，采用是恒进给率（F）方式，即在整个加工过程中均采用一个进给率进行加工。这种方式具有比较明显的缺陷：
（a）采用恒进给率加工，在刀具切入工件时，会有较大的冲击，容易损坏刀具。
（b）由于在切削过程中，切削量是随时变化的，进给率必须适用于最大切削量，导致切削量较小的时候，功率浪费。
（c）手动调节进给率完全依靠操作者的经验，如果误操作，质量事故发生的风险较高。
针对这些缺点，需要根据切削状况去改变切削参数F值，其原理是实际生产是完全统一的，就是根据不同的切削量，切削余量较大时，降低速度；当切削余量较小时，就提高速度，实现更高的效率。
但是由于目前的CAM系统计算出的复杂数控加工程序，体积较大，一般有数万行程序组成，无法使用人工去逐行检查，修改进给率参数，就必须依靠相应的工具软件进行优化。作者采用的便是国际先进VERICUT数控仿真和优化软件。
目前VERICUT采用的优化方法，就是计算每步程序的切削量，再将所得数值与切削参数经验值或刀具厂商推荐的刀具切削参数进行比较，经计算分析，当余量较大时，VERICUT就降低速度；当余量较小时，就提高速度，进而修改程序，插入新的进给速度，最终创建更安全、更高效的数控程序。
为了验证其有效性，对某数控加工程序进行了优化，如图8所示：
图8 数控程序优化计算
可以看出，通过优化，将一个加工时间为17小时20分钟左右的加工程序，缩减至16小时8分钟，效率提高了8.73%。通过对多个数控加工程序进行优化试验，平均提升效率5-10%。采用此种优化手段，在不增加设备成本的情况下，可以明显的提高数控加工效率，减少刀具的冲击和损耗，降低成本。
6 应用与结论
AP1000堆型水室封头毛坯重约220吨，加工后净重约69吨，加工周期约300天。通过在某项目此堆型的水室封头加工与制造过程中，应用了文中描述的技术和措施后，加工周期有效缩短至210天（如表1所示），加工效率提升了约30%。
表1加工时间统计
合计：210天
文中提出的多项技术与措施，如毛坯三维精确建模技术，基于切削参数的数控加工程序优化等，不但可以应用于超大型封头类零件的加工制造中，对于多种大型锻件的高效率加工，也具有一定的指导和应用意义。
参考文献：
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论文作者:李松
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/15
标签：加工论文; 数控论文; 毛坯论文; 封头论文; 刀具论文; 余量论文; 程序论文; 《防护工程》2018年第4期论文;