大型柱体相贯孔高效加工方法

大型柱体相贯孔高效加工方法

程,鹏

一重集团大连核电石化有限公司 辽宁 大连 116113

摘要：大型柱体上加工大直径开孔加工效率低是一个加工难题，本论文基于大型柱体上大直径开孔加工撰写，大型柱体一般指直径2000mm以上，壁厚200mm以上的圆柱筒节，大直径开孔一般指800mm以上，本文只针对大型柱体向心大直径孔加工而言。大型柱体上大直径开孔在几何关系上来说，开孔轴线方向存在高低落差，大型柱体的直径越大，开孔直径越大，其高低点落差越大，尤其是从闷孔加工至开孔完成，加工余量非常大，常规加工方法是按直孔加工方法加工，即不考虑高低点落差，加工程序的执行过程中有很多的空走刀，即加工程序是通长的圆柱孔，而不是随型的马鞍形孔，加工效率很低。

关键字：大直径圆柱孔  马鞍形  数控加工

一、大马鞍形孔特点及加工难点：

大型柱体上的大直径圆柱孔因其形成的曲面类似马鞍，也常被称作马鞍形孔，就是在大型圆柱体上向心位置开大直径圆柱孔，其几何特点如下：1、大直径圆柱孔回转中心线一定是向大型圆柱体轴线的，即在大型柱体圆形截面上，大直径圆柱孔的轴线是经过大型柱体圆形截面的圆心上的；2、大直径圆柱孔在轴线方向（回转中心线）上是存在高点、低点的，大型圆柱体直径越大，大直径圆柱孔直径越大，高低点的落差越大；3、微观上看，大直径圆柱孔与圆柱体相交的线类似“马鞍”的线，在大型圆柱体壁厚方向上，大直径圆柱孔可看做是多个马鞍线沿开孔轴线方向上罗列而成。

加工难点：1、大直径圆柱孔一般在1-2米直径，由闷孔到加工完成，加工余量很大，机床成本、刀具成本、时间成本均很大；2、常规加工方法是按直孔加工方法加工，即不考虑高低点落差，加工程序的执行过程中有很多的空走刀，即加工程序是通长的圆柱孔，而不是随型的马鞍形孔，加工效率很低。

二、解决方案：

为解决加工余量大，加工效率低等难题，需对大直径圆柱孔（俗称马鞍形孔）的几何特点进行深入研究。

2.1、加工引割孔，气刨留量的方式快速切除大部分余量；

2.2、深度研究“马鞍形”孔的数学逻辑关系，将直孔加工程序修改为马鞍形孔随型加工程序，大大减少空走刀时间；

2.3、选用合适的刀具，大大提高加工效率。

三、主要研究内容：

3.1、气割意味着产品局部受热，需研究气割时是否会对孔周边位置材料产生影响，并且气割有不稳定性，留量多少的确定非常关键，直接关系到后续是否有足够的加工余量。

3.2、马鞍形的数学逻辑关系如何突破，突破的数学逻辑关系是否可以以刀具可实现加工的方式来表达，即数学逻辑关系是否适用于加工；

3.3、气割后的孔内壁表面存在大部分硬点，对刀具、刀片提出了更高的要求，那么，刀具、刀片的选择对于适用于加工的数学逻辑的实现至关重要；

3.4、粗、半精、精加工的留量控制，要充分考虑加工效率、刀片磨损程度、加工后表面粗糙度等因素。

四、具体措施：

4.1、通过对等壁厚、等材质的工件进行气割试验，并进行性能分析，确定了留量状态；根据工件材质、大直径圆柱孔的内径尺寸的不同，来确定气割后圆柱孔的留量多少。

4.2、马鞍形的形成可以由两个方向来分析，第一、圆柱孔是有多层等直径的圆罗列而成，即对圆柱孔按孔回转中心线来投影，其都是一个圆；第二、大直径圆柱体按其回转中心线来投影，同样是一个圆；通过分析发现，在圆柱孔上的点，同样都在大直径圆柱体上，那么，它们必然存在一定的逻辑关系。

4.2.1、建立合适的工件坐标系，以有利于建立数学关系；

假设将大直径圆柱体平放在镗床上，使待加工大直径圆柱孔正对镗床主轴，那么建立坐标系X0Y0于大直径圆柱孔回转中心处，Z0建立在大直径圆柱体回转中心处，如简图一所示。

简图一

4.2.2、在建立的坐标系下，将马鞍形曲线用数学表达式来表达；

如果设定R1是大直径圆柱孔的半径，R10是大直径圆柱孔上的点与圆柱孔圆心连线相对于X轴的夹角，那么大直径圆柱孔上的点X=R1*COS(R10)、Y=R1*SIN(R10)，这也是圆方程的一种表达形式；如果设定R2是大直径圆柱体外圆半径，则在大圆柱体的截面圆上，利用勾股定理即可得出Z=SQRT(POT(R2)-POT(R1*COS(R10)),其中SQRT代表开根号，POT代表平方，由此可见，马鞍形孔上任意一点是可以通过数学关系式来进行表达的。那么如何利用这个数学逻辑关系呢，在这里首先需要将其（马鞍形曲线）划分为无数个细小的点，划分的越密，形成的图形就越接近马鞍形，也就是通过控制角度步距来调整拟合圆的密集度，这样点到点之间的行程就可以用G01（直线插补）来实现了，如果微分的点更密，也可以使用G02/G03（圆弧）插补来实现，由此，便可以将无数个孤立的点形成连续的点，即形成曲线（马鞍形曲线）。

4.2.3、将数学表达式转化为CNC程序代码；

根据数控系统的不同，编制对应的数控程序，其核心思想就是将马鞍形轮廓线分成无数个细小的点，通过G01直线插补、G03圆弧插补均可以实现点与点之间的刀具运动，由此就可以编制相应的数控加工程序，在这里就不详细赘述了，采用此方法加工的数控程序刀路轨迹完全跟随马鞍形轨迹，无高低点落差的空走刀。

4.2.4、选择合适的刀具、刀片来实现马鞍形轨迹的加工；

    气割后的孔壁有大量的氧化皮，有很多高低不平的硬点，尤其马鞍形螺旋线相当于螺旋插补铣，需要刀具的周齿、端齿均参与切削，这对刀具提出了较高的要求，既要满足切削需要，又要耐磨损，与此同时，还要保证足够的刀具长度，具体的刀具、刀片型号不详细列出，目前选用的是进口玉米铣刀。

4.3、合理分配粗、半精、精加工留量状态；

粗加工要充分考虑刀具合理的切削宽度、刀片磨损情况、以及加工效率等因素，目前采用的是粗加工单边留量10mm，目的是快速去除表面氧化皮及大部分余量；半精加工单边留量0.5mm-1mm，给精加工留有合适的余量；精加工孔符图，满足尺寸公差及表面粗糙度的要求。

五、本研究成果的意义：

5.1、生产效率高。马鞍形数控加工程序加工一个整圆的马鞍形曲线时只有一次进退刀，没有空走刀，大大的提高了效率；经过计算，采用此方法加工一个大直径圆柱孔的效率至少提高了5倍，大大的提高了产品的加工效率。

5.2、表面质量好。使用该程序精加工时，可采用螺旋立铣刀进行精加工，大大地提高了表面质量。

5.3、推广应用性强。程序使用的是R参数编程，修改程序中相应的参数值，便可以实现加工所有大直径圆柱体上的圆柱孔，还可以方便地修改步长、刀补，实现了使用一个程序就完成粗、半精、精加工过程，运用方便。值得一提的是，该程序逻辑关系的突破具有很强的推广意义。