核（hé）電冷卻（què）泵泵體五軸數控（kòng）加工工藝研究-加工中心（xīn）網-數控機床市場網

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核電冷卻泵泵體五軸數控加（jiā）工工藝研究（jiū）

2021-1-13 來源：雲南機（jī）電職業技術學院校企合（hé）作（zuò）辦公（gōng）室實訓作者：孫建明，黃曉明，朱蘭（lán），楊曉春，劉春美

摘要: 核電冷卻泵泵體是（shì）主回路係統中三大核心部件之一，泵體的製造加工精度（dù）對整體（tǐ）設備的運行安全有直接影響。為提高泵體的加工精度，提出用（yòng）五軸數控加工工藝加工泵體。分析泵體特征，應用尺寸中差建（jiàn）模，並設計專用夾具（jù）。基於遺（yí）傳算法，研究加工工藝及方法（fǎ），應用五軸聯動數（shù）控加工中心（xīn）完成核電冷卻泵泵體加工。解決了圓柱（zhù）倒（dǎo）扣麵、90°彎管（guǎn）管道、薄壁件等加工難題。

關鍵詞: 核電冷卻泵; 夾具設計; 中差建模; 五軸聯動

0 、前言

核電冷卻（què）泵泵體是主回路（lù）係統中三（sān）大核心部件之一，也是核島中的一級安全部件。泵在主回路係統（tǒng）中所起的作用相當（dāng）於人體內的（de）心髒，泵體負責將主（zhǔ）回路的冷卻劑完成熱循環，在反應堆輸出功率（lǜ）之前加熱反應堆裝（zhuāng）置。泵體（tǐ）內部管道必須銜接光順，以保證冷卻劑高效完（wán）成熱循環。

泵體（tǐ）的製造加工精度直接影響整個設備的運行安全。傳統的鑄造技術很難滿足核電冷卻泵泵體的使用功能要求，五軸數控加工技（jì）術在提高泵體（tǐ）內部管（guǎn）道表麵質量及精度方麵具有很大的優勢。五軸加工的主要優勢:

( 1) 通過調整刀軸矢量避免刀具、主軸與工件及工裝發（fā）生碰撞幹涉; ( 2) 刀具相對於加工工件（jiàn）的位置可以靈活調整，保證刀具切削時處於最佳姿態，有效提高（gāo）工件的表麵質量。因此（cǐ），五軸數控加工技術主要應用在航空、航天、水利水電、船舶、軍工等（děng）領域的核心產品製造。

1 、泵體分析

泵體工程圖如圖 1 所（suǒ）示，泵體主要（yào）由泵心、90°彎管、支（zhī）撐體組成。泵心（xīn）呈Ｒ150 mm 倒扣麵，管道壁厚為 5 mm，並且要求管道內壁銜（xián）接光順、無明顯接痕，管道外壁Ｒ4 倒角麵（miàn）光順。

圖 1 核電（diàn）冷卻泵泵（bèng）體工程圖

加工難點:( 1) Ｒ150 圓柱倒扣麵，加工時需合理調整刀軸的角度及刀具切（qiē）削姿態，才能保證加工完（wán）成的倒扣（kòu）曲（qǔ）麵（miàn）表麵質量（liàng）及精度符合設計要求。( 2) 管道壁厚僅為 5 mm，要求設（shè）計合理（lǐ）的加工（gōng）工藝方案，保證（zhèng）薄壁加工不變形。( 3) 90°彎管（guǎn）內壁要求銜接光（guāng）順，內外壁曲麵呈均勻壁厚管道狀，應用（yòng） 3+2 軸、4+1 軸任意擺動刀軸（zhóu）均無法（fǎ）滿足彎管（guǎn）內（nèi）壁銜接光（guāng）順的（de）設計要求，必須（xū）應（yīng）用五軸五（wǔ）聯動加工工藝技術才能滿足加工設計要求。

2 、中差建模（mó）

按（àn）照設計人員的習慣建模方式，建模時都以（yǐ）對零尺寸建模，至於實際加工精度是否能夠滿足設計圖紙要求，主要取決於操作機床的工人能否依（yī）經驗調整刀具半徑補償（cháng）值。隨著現代技術不斷發展，機床生產廠家生產的數控機床定位精度已達到 0. 02 ～ 0. 05 mm級，發達國家生產的機床定位精度能夠達（dá）到 0. 005mm 級，機床控製係統也越來越（yuè）先進。通（tōng）過控製係統（tǒng）的補償，在刀具未磨損的情況下加工出來的產品都能（néng）夠達（dá）到圖（tú）紙要求。

編程工程師隻需（xū）嚴格按照中差建模及編程，機床（chuáng）運行加工一次，零件尺寸就能達到（dào）圖紙要（yào）求。

例如文中冷卻泵泵體尺寸 60+0－0. 19，如果建模時不計算尺寸中差，還是按對零尺寸建模（mó），加工完（wán）成的零件尺寸（cùn）偏（piān）大，操作機床的工（gōng）人需反複修改刀具半（bàn）徑（jìng）補償值並運行機床再加工，直到零件尺寸（cùn）符合圖紙要求為止（zhǐ），這種做法（fǎ）費時（shí）費力（lì）耗能，並且容易出錯。故中差建模是保證產品零件尺寸精度的關鍵。

3 、夾具設計

五軸聯動加工時（shí），工作（zuò）台 A、C 軸都要轉動，當（dāng）A 軸擺動角度大於等（děng）於 90° 時，工（gōng）作台（tái）與主軸容易發生碰撞。為了避（bì）免此（cǐ）類事故（gù）發生，工件（jiàn）裝夾時應抬（tái）高裝夾位置，需要設計五軸專用夾具來實現。根據EMCO LM600 五軸聯動加工中心工作（zuò）台直徑、主軸直徑，設計夾具。夾具安裝在（zài）工作台中心，充分利用五軸聯動機床的行（háng）程，同時保證 A 軸擺動角度大於等於 90°位置時，主軸（zhóu）與轉台（tái）保（bǎo）持一定的（de）安全距離。

工件（jiàn）裝夾示意圖如圖 2，L 代表 A 轉台直徑，L1代表最小安全間隙，L2代表主（zhǔ）軸半徑，H1代表三爪卡盤高度，H2代（dài）表夾具高度。經分析可得 H2計算公式。

圖 2 裝夾（jiá）示意圖

為了（le）方便（biàn）裝夾及拆卸工件，設計如圖 3 所示的夾具，夾具上 3×8. 2 的通孔（kǒng）用於 M8 螺栓鎖緊工件。

圖 3 夾具設（shè）計圖樣（yàng）

4 、加工工藝方案

4. 1 基於遺傳算法（fǎ）優化加工工藝

核電冷卻泵泵體加工有多種加工工序，一種加工工序有多（duō）個（gè）加工（gōng）策略，一個加工（gōng）策略又有多個加工參數。例如: 加工 28. 5+0. 084+0彎管外（wài）管（guǎn）麵工序有 4 種:

( 1) 先把（bǎ）外管麵粗加工、精加工到尺寸，然後再粗加工、精加工內管道; ( 2) 先粗加工、精加工內管道，再（zài）粗（cū）加工、精加工外管麵; ( 3) 先粗加工外管麵，然後粗加工內管道，再精加工外管（guǎn）麵，最後精加工內管道; ( 4) 先粗加工內管道，然後粗加工外管麵，再精加（jiā）工內管道，最後精加工外管麵。

精（jīng）加工外管麵時可以應（yīng）用 Power Mill 最佳等高精加工（gōng）策略，也可以應用 Power Mill3D 偏置精（jīng）加工（gōng）策略。加工工藝包括 8 個（gè）關鍵參數: 加（jiā）工工序、加工策略、切深 ap、切寬 ae、主（zhǔ）軸轉速 S、進給量 F、加工（gōng）時間、表麵粗糙度。應用遺傳（chuán）算法優化加工工藝，既能保證加工精（jīng）度和表麵質量又能縮短加工時間。遺傳算法優化加工工藝流程如圖 4 所示。

圖 4 遺（yí）傳（chuán）算法最優解（jiě）流程（chéng）圖（tú）

4. 2 加工策略

4. 2. 1 刀具（jù）選擇

選擇合適的刀具材料和刀具類型不僅可以提高（gāo）加工效（xiào）率，而且能夠保證零件的加工精度。刀具（jù）的選擇可遵循以下原則:

( 1) 粗加工時在尺寸允許（xǔ）條件（jiàn）下盡量（liàng）采用大直徑刀具，提高生產效率，降低刀耗。

( 2) 在保證產品零件尺寸的情況下，為使刀具有足夠的剛度（dù），其懸伸長度應盡可能短。核電冷卻泵泵體毛坯材料為 2AL2，屬於易加（jiā）工材（cái）料。在綜合考慮核電冷卻泵泵體的形狀、材料（liào）等各個方麵的（de）因素後所選刀具的參數如表 1 所示。

表 1 選用刀具參數

4. 2. 2 關鍵重（chóng）要工序過程

( 1) Ｒ150 倒扣型腔及彎管外（wài）管麵半（bàn）精加工粗加工後（hòu）外管麵留有大（dà）量台階（jiē）餘量，如圖 5 所示（shì）。

圖 5 泵體外管麵粗加工成（chéng）品（pǐn）

如果（guǒ）直接精加工（gōng），精加工餘量大並且不均勻，加工後的外管麵表麵質（zhì）量較差。應將外管（guǎn）麵大（dà）部分餘量除去後再進行精加工，去除（chú）大（dà）部（bù）分（fèn）餘量可以應（yīng）用模型殘留區域（yù）清除策略，也可以應用最（zuì）佳等高精加工策略（luè），還（hái）可（kě）以應用等（děng）高精加工策略。應用遺傳算法優化加工工藝後采用等高（gāo）精加工策略。優化後的刀路軌跡如圖 6 所示，提刀 301 次，加工時間 24 min4 s。

圖 6 優化後（hòu）的刀路軌跡

沒有優化前的刀路軌跡如圖 7 所示，提刀 781 次，加（jiā）工時（shí）間 50 min23 s。

圖 7 優化前的刀路（lù）軌跡（jì）

( 2) 內（nèi）管道粗加工

為了（le）保證內（nèi）管道銜接光順，外（wài）管麵粗加工後加工內管道。如果外（wài）管麵精加工完成後再加工內管道，內管道加工時（shí）工件會產生振動，導致內部管道麵產生振紋，表麵不光順。粗加工內部管道麵應用 Power-Mill2016 等高精加工策略從兩端分（fèn）別加工，比應用（yòng）常規（guī）的模型區域清除策略開（kāi）粗加工節省時間 23 min50 s，減少提刀 89 次（cì）。

( 3) 內管道半精加工應用

Power Mill2016 管道加工策略（luè）半精加工內管道，其刀路軌跡（jì）計算有 2 種（zhǒng）方式:

①隻需設置（zhì）中心參考（kǎo）線，根據（jù）參考線（xiàn）的變化截取管道，完成刀路軌跡的（de）計算，這種方式適合截麵變化（huà）規律的管道; ②需要設置中心參考線、管道上下麵坐（zuò）標（biāo）係，根（gēn）據上下坐標係確定加工範圍，用平行（háng）等距（jù）的方式截取管（guǎn）道，中心參考線作（zuò）為刀軸的傾斜曲線，從而（ér）計算刀路軌跡，這種方式適合截麵變化不規律的管道。此次加工的管道呈90°，總（zǒng）長為 115 mm，通過刀路軌跡計算，測得有效切（qiē）削刃 95 mm 才能完成該管道加工，查閱山高刀具樣本，最長的棒棒（bàng）糖銑刀有效（xiào）切削刃為（wéi） 60 mm。由此可知，想用（yòng）一個加工策略完成整個管（guǎn）道（dào）加工是不可行（háng）的。仔細分析內部（bù）管道麵，有 65 mm 管道（dào）麵是直管道麵，應用 3+2 軸就能把該部分加工完成，為了（le）保（bǎo）證內部管道麵（miàn）銜接光順、無明顯接刀痕，計算直管加工（gōng）深度 W，W = 65－25+6+0. 5= 46. 5 mm。加（jiā）工部位及

刀路軌跡如圖 8 所示。

圖 8 3+2 直管加工（gōng）刀路軌跡

另一端長度為 64. 25 mm 的彎管麵應用 3+2 軸定軸加工（gōng），應用管道粗加工策略配合直徑 10 mm 的棒棒糖銑刀加工內管道彎管部位。中心參考線從管麵到型腔中心位置，軸向餘量為0. 35 mm，行距為（wéi） 3 mm，下（xià）切步距為 0. 3 mm，刀軸方向為自動，傾斜角度（dù）為 15°，順序自末端均勻螺旋方式，快進高度為幾（jǐ）何形體安（ān）全區域方框，打開自動碰撞模塊，夾（jiá）持（chí）間隙為 0. 5 mm

，刀柄間隙為 0. 5 mm。刀路軌跡、中心參（cān）考線、加工位置如圖9 所示。

圖 9 彎管加（jiā）工參考線及刀路軌跡

( 4) 內管道精加工

內（nèi）管（guǎn）道加（jiā）工的精度影響到核電冷卻泵主回路係統冷卻劑的熱循環效率（lǜ），加工精度至關重要。長 46. 5mm 直管道麵加工應用等高精加工策略加工（gōng），3 + 2 軸定軸加工方（fāng）法，最小下切步距為

0. 9 mm，螺旋（xuán）下刀方式。

彎管部精加工有 2 種精加工策略:

①管道（dào）插銑精加工策略，適合加工管道內部截麵變化的管道; 管道螺旋精加工策略（luè），適合加（jiā）工（gōng）管道內部截麵一（yī）致的管道。文中加工的內（nèi）部管道麵屬於截麵一致的管道（dào），應用管道螺旋精加工策略加工，行距為（wéi） 5 mm、下切步距為 0. 3 mm、合並點為（wéi） 60，提刀（dāo）高度開始為 10mm，重疊為 8 mm，提刀高度為 0. 3 mm，打（dǎ）開自動碰撞模塊，夾持間隙為 0. 5 mm，刀柄間隙為 0. 5mm，刀軸方向為自動，快進高（gāo）度為幾何形（xíng）體安全區域方框，切入切出（chū）延伸（shēn）移（yí）動方（fāng）式，距離為 1. 5 mm。

( 5) 外管麵精加工外（wài）管麵精加工有 3 種加工策略:

①平行精加工策略; ②3D 偏置精加工（gōng）策略; ③最佳（jiā）等高精加工策略。平行精加工策略計算刀路軌跡的原理是計算出 2D 刀路，然後沿著（zhe） Z 軸方向投影到（dào）曲（qǔ）麵上，采用該策略計算（suàn）的刀路軌跡有一個弊端，如果加工的曲麵較陡，投影到該區域的刀路就稀疏，加工出來（lái）的曲麵（miàn）不光滑，刀路軌跡如圖 10 所示; 等高精加工策略計算刀路軌跡的原理是根據設定的下切步距把曲麵（miàn）按照（zhào）層切方（fāng）式分割（gē），得到曲麵加工刀（dāo）路

。

圖 10 平行精（jīng）加工刀路軌跡局部截（jié）圖

該策略計算生成的刀路軌跡隻能按照 U、V 方向（xiàng）排列，不能（néng）按照（zhào）彎管的彎曲率均勻生成刀（dāo）路軌跡，存在多處零點切削，加工後的管麵也不光（guāng）滑; 3D 偏（piān）置精加工策略計算（suàn）刀（dāo）路軌跡的原理是根據曲麵的法向線投影計算，計算生成的刀路軌跡無論是陡曲（qǔ）麵還是平緩曲麵行距均一致。設置參考線及參考線方向後，可以按照參考線方向計算生成刀路軌（guǐ）跡，這樣生成的刀路軌跡能有效減少刀具零點切削問題，加工出來的曲麵表麵質量較好，刀路軌跡及參考線如圖 11 所示。

圖 11 3D 偏置精加工刀（dāo）路軌跡及參考局部截圖

( 6) 底部（bù）Ｒ4 倒角精加工中心型腔兩側（cè）Ｒ4 倒角呈倒（dǎo）扣（kòu）負角麵，需要旋轉工件把負角轉化為正角才能加工。

文中（zhōng）加工方法是通過新建編程坐標係來（lái）控製工件旋轉（zhuǎn）的（de）方向及角度，複製 G54 坐標係得（dé）到 G54－1 坐標係，該坐標係繞 X 軸旋轉 30°得到編程（chéng）坐標係。加工Ｒ4 倒角負角麵應用清角精加工策略，按照默認的加（jiā）工策略計算生（shēng）成的刀路軌跡像縫衣服一樣加工倒角麵，如圖 12 所示。

圖 12 縫衣式刀路

加工出來的倒（dǎo）角麵不光順，有一道一道的接刀痕。為了倒角麵光順，應改變刀路軌跡（jì）的加工方向，通過（guò）把清角精加工策略中的方式設置為自動方式，重新計算生成的刀路軌跡沿著倒角麵平滑走刀，如圖（tú） 13 所示。

圖 13 光順式刀路

泵體（tǐ）左（zuǒ）右兩側（cè）支撐體Ｒ4 倒角（jiǎo）麵應用原（yuán） G54 坐標係編程，加工存在 2 個弊端: ①刀具懸伸長; ②刀杆擦到已加工麵。刀具伸出夾持刀柄的長度（dù）要大於 30 mm，刀具伸出長度過長（zhǎng），切削（xuē）時刀具會振動（dòng）並存在讓（ràng）刀現象。切削（xuē）過程加工倒角特征（zhēng）的刀具直徑隻有（yǒu） 6 mm，直徑為 6 mm 的球體銑刀（dāo）有效切削刃隻有（yǒu） 18 mm，刀杆會把已加工（gōng）表麵（miàn）擦（cā）傷。

為了避免上述弊端，加工（gōng）兩側支撐體時均（jun1）要旋轉工作，讓刀具和刀杆與側麵呈5° ～ 10°角度，如圖 14 所示。

圖 14 刀具與側麵夾角示意圖

4. 2. 3 關（guān）鍵工藝參數

根據（jù）工序過程，分析零件各加工區域幾何特征，結合（hé）加工過程，應用（yòng）遺（yí）傳算法得到最佳（jiā）工（gōng）藝參數，如表 2 所（suǒ）示。

表 2 加（jiā）工工序及關鍵工藝參數

5 、五軸聯動加工

5. 1 裝夾方式

用三爪卡盤夾持夾具，然（rán）後用螺釘固定待加工的毛坯，如圖 15 所示。卡盤用 4 塊壓板壓緊在工作台上，卡盤壓緊固定前裝夾圓柱度小於等於 0. 005mm 的環規，用百分表校正三爪卡盤與機床工（gōng）作台軸心線同軸度，調整（zhěng）三爪卡盤（pán）位（wèi）置，保（bǎo）證同軸度在0. 02 mm 跳動範圍之內，如圖 16 所示。

圖 15 毛坯裝夾

圖 16 校正三（sān）爪卡盤

5. 2 機床運行加工

嚴格按照刀具參數表表 1 夾持（chí）刀具長度（dù），按照刀具參數表序號依（yī）次把刀具裝入機（jī）床對應刀庫刀號。應用 EMCO LM600 定製後處理器，處理生成的刀位軌（guǐ）跡，轉化成（chéng） NC 程序。通過 DNC

把加工程序輸入機床控製係統，按照加工工序運行程（chéng）序，加工過（guò）程中注（zhù）意觀察。加工過程如圖 17 所示，加工完成泵體如圖 18 所（suǒ）示（shì）。

圖 17 五軸（zhóu）聯動加工過程

圖 18 產品（pǐn）零件泵（bèng）件

6 、結束語

核電冷（lěng）卻泵泵體作為（wéi）具有代表（biǎo）性的五軸（zhóu）加工零件，本（běn）文（wén）作者應用 Power Shape 2016 尺寸中差建模，Power Mill 2016 編程，應（yīng）用遺傳算法，獲得最優核電冷卻泵泵體加工工藝方法; 利用

EMCO LM600 五軸聯動加工中心加工完成（chéng），經 HEXAGON GLOBAL SDL07 10 07 三（sān）坐標測量機檢測，尺寸精度及表（biǎo）麵質量（liàng）均到達要求; 解決了圓柱（zhù）倒扣麵、90°彎管管道、薄（báo）壁件等加工（gōng）難題。該加工工藝可為企業生產，學員培訓提供參考。

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