CN114309817A - 高精度大规格条形工件制造及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及机械加工及检测技术。本申请公开了一种高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，获得工件坯料后，采用切削加工制造；包括粗加工、半精加工、精加工工序；每个工序中都采用分层切削加工，分层层数为偶数，相邻层采用相反方向进行切削加工；每个工序完成后进行自然时效，最后一次自然时效完成后进行检测；所述最后一次自然时效在检测平台上完成，所述工件与检测平台之间间隔放置有直径相等的圆柱体垫块。本申请在产品加工过程中采用分层切削，相邻层切削方向相反的技术和自然时效处理技术，提高了产品加工精度；在产品检测中采用等圆柱体支撑的方式，提高了检测精度。本申请的技术方案特别适合高精度大规格条形工件制造及检测。

Description

高精度大规格条形工件制造及检测方法

技术领域

本申请涉及机械加工技术领域，特别涉及高精度工件制造及检测技术，具体而言，涉及高精度大规格条形工件制造及检测方法。

背景技术

大规格或大尺寸零部件的加工精度及检测精度阈值是机械加工技术领域的一个难点，特别是大规格条形工件的加工制造更是如此。

工件加工过程中各种机械加工产生的应力、工件搬运挪动产生的应力，甚至工件自身重力产生的应力，都会对工件加工和检测精度产生影响，特别是大规格长条形弧形工件的制造和检测。随着工件尺寸的增加、加工精度要求的提高等，这些因素的影响就会非常显著并不可忽略。

用于支撑固定压水堆核电站“华龙一号”堆型蒸发器的U型换热管用J形卡扣，就是一种高精度中低温容器用合金钢弧形条。这是一种偏心对称的半圆弧形条工件，工件上非均匀分布的50余处孔的位置度要求极高（位置度：Φ0.1mm，分布在半圆弧半径R1715mm上；工件弧长约4560mm、宽度50mm、厚度25mm）。弧形条上孔系的符合性是保证蒸汽发生器成功装配和在寿命期内正常运行的重要保证。

国产自主三代核电技术“华龙一号”蒸汽发生器每台有弧形条4种规格24件，其材质采用的是ASME牌号中低温容器用合金钢SA-516 GR.70（该材料具有抗拉强度（约450～585MPA）、屈服强度（≥230MPA）低的特点）；弧形条结构尺寸及位置精度要求非常高。

对这类零件的加工一般采用数控机床进行，但是若仅仅采用数控机床进行常规性加工，对于弧形条中单个孔的尺寸精度和位置精度在固定加工过程中时是可以保证的。但是基于此种工件宽度窄、厚度薄而弧形长的孔系零件（厚长比达到约1/180），机械加工过程中产生的加工应力及材料内应力，及易使细长的弧形条工件在加工完成后发生变形，导致其弧形外形和各孔的位置精度难以保证。

弧形条中每个孔的位置度都是以弧形条的中心为基准，对工件位置精度的检测，传统的检测方法就是采用现代化的检测设备-三坐标测量机，将弧形条放在三坐标测量机检测平台上进行检测。检测技术精确，且每个孔相对基准的位置度能够读出来，但是该方法难以克服工件与检测平板之间的滑动摩擦力对工件外形进行约束的不确定影响，难以获得准确的三坐标检测数据。

概括来看，现有技术这类工件制造和检测方法的主要缺点包括：

机械加工残余应力对弧形条精度影响非常大，致使加工完成后自然放置的工件孔系随工件外形的应力变形发生重大改变，难以达到设计图纸对工件结构形状、孔系位置度的高精度要求；

由于工件需要三坐标测量机对外形尺寸、数量众多的孔系进行形位公差检测，工件与检测平台之间的滑动摩擦力会极大的阻止工件处于自然状态，致使难以获得工件准确的三坐标检测数据。

发明内容

本申请的主要目的在于提供高精度大规格条形工件制造及检测方法，以解决现有技术中这类工件制造及检测精度难以保证的问题。

为了实现上述目的，根据本申请具体实施方式的一个方面，提供了一种高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、获取工件坯料；

b、对工件坯料进行切削加工得到工件；

c、将工件放入检测平台进行自然时效，并在工件与检测平台之间间隔放置直径相等的圆柱体垫块；

d、对工件进行检测。

在某些实施例中，所述工件为弧形条工件。

在某些实施例中，所述圆柱体垫块轴线与工件切线垂直。

在某些实施例中，所述工件上有孔和/或槽。

在某些实施例中，所述工件宽长比≤1/50和/或厚长比≤1/100。

在某些实施例中，所述圆柱体垫块长度≥所述工件宽度。

在某些实施例中，所述间隔为等间隔。

在某些实施例中，所述步骤a采用水切割方法获取工件坯料并进行自然时效。

在某些实施例中，所述步骤b根据不同的工序对工件坯料进行分层切削加工得到工件，所述工序包括粗加工工序、半精加工工序和精加工工序。

在某些实施例中，所述分层切削加工分层层数为偶数，并且相邻层切削方向相反。

在某些实施例中，所述步骤b采用数控设备对工件坯料进行切削加工。

在某些实施例中，所述步骤d采用三坐标测量机对工件进行检测。

根据本申请技术方案及其在某些示例性实施例中进一步改进的技术方案，本申请具有如下有益效果：

本申请将反变形加工技术（即分层切削相邻层切削方向相反的加工技术）和自然时效的尺寸稳定化处理技术巧妙结合，满足了大规格工件的批量制造及检测的高精度要求，特别适合开放式大规格多孔弧形条工件的制造和检测。本申请在工件检测中巧妙的采用等圆柱体支撑的方式，改变工件与检测平台之间的滑动摩擦接触方式为滚动摩擦接触方式，极大的降低了工件与检测平台之间的摩擦力，工件在检测前能够排除传统工件摆放中由于工件自重造成的滑动摩擦力对工件恢复自然状态的影响，使工件在非常自然的状态进行检测。本申请很好的解决了该类高精度多孔细长弧形工件形位公差的检测问题，在满足检测数据可靠度的前提下，有效的提高了检测效率和降低了检测成本。本申请的技术方案具有工件加工质量稳定，尺寸精度高，合格率高，生产效率高的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本申请做进一步的说明。本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的具体实施方式、示例性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请示例性实施例的弧形条工件结构示意图；

图2为本申请示例性实施例的弧形条工件放置在检测平台上的示意图。

其中：

100——工件；110——通孔；200——圆柱体垫块；300——检测平台；L——工件弧长；O1——弧BC的圆心；O2——弧AC的圆心；XY——圆柱体垫块的轴线；PQ——切线；d——圆柱形垫块间距；k——工件宽度；t——工件厚度。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、示例性实施例以及其中的特征可以相互组合。

为了使本领域技术人员更好的理解本申请方案，下面将结合本申请具体实施方式、示例性实施例中的附图，对本申请具体实施方式、示例性实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的示例性实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的具体实施方式、示例性实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的高精度大规格条形工件制造及检测方法，涉及机械加工工艺，主要是切削加工技术。

切削加工是一种常用的机械加工方法，通常是指采用切削工具（包括刀具、磨具和磨料）把坯料或工件上多余的材料切去成为切屑，使工件获得规定的几何形状、尺寸和表面质量的加工方法。

根据切除率和精度，切削加工可以分为：

粗加工：通常用大的切削深度，经一次或少数几次走刀从工件上切去大部分或全部加工余量，如粗车、粗刨、粗铣、粗镗等。粗加工加工效率高而加工精度较低，一般作为预先加工工序。

半精加工：一般作为粗加工与精加工之间的中间工序，但对工件上精度和表面粗糙度要求不高的部位，也可以作为最终加工；

精加工：用精细切削的方式使工件达到较高的精度和表面质量，如精铣、精镗等。精加工一般是最终加工工序。

本申请的高精度大规格条形工件制造及检测方法，在获得工件坯料后，采用切削加工方法进行制造得到工件成品，切削加工工序包括粗加工工序、半精加工工序和精加工工序。

本申请的技术方案，每个工序都采用分层切削加工，分层层数为偶数，相邻层采用相反方向进行切削加工。

本申请这种分层加工方法，相邻层切削方向相反，产生的机械应力可以相互抵消。分层层数为偶数，能够保证同正反方向切削次数相等，可以最大限度地减小加工应力残留，保证工件加工精度。

本申请的技术方案，每个工序完成后进行自然时效，充分释放工件加工的机械应力，有效保证下一工序加工的精度。工件精加工工序完成后，进行最后一次自然时效，然后进行检测。

最后一次自然时效在检测平台上完成，可以避免不必要的搬动产生的额外应力对工件形状的影响，最大限度保证工件的自然状态。

最后一次自然时效时，在工件与检测平台之间间隔放置直径相等的圆柱体垫块，改变工件在检测平台上的滑动摩擦为圆柱体垫块的滚动摩擦，使工件在搬动或转运过程中外力造成的变形力得到充分释放，让工件在自然无外力状态下完成检测，大大提高工件检测精度。

实施例

如图1所示，本例工件为我国三代核电技术“华龙一号”蒸汽发生器4种规格弧形条中的一种。该工件100为弧长AB=L的弧形条工件，工件宽度为k，厚度为t，其尺寸如下：

L≈4560mm，k=50mm，t=25mm。如图1所示。

工件100由半径OC=1615mm，圆心相距60mm的两段弧形条构成，即图2中弧AC的圆心为O2，弧BC的圆心为O1，线段O1O2=60mm。图1和图2中C为两段圆弧的交汇点，也是整个工件100的中心点，直线OC为线段O1O2的垂直平分线。该工件100上分布有59处通孔110，通孔直径φ=13.5mm。这些通孔对工件结构造成了影响，进一步增加了保证弧形条工件形状的难度。

本例工件100的加工及检测面临的主要问题包括：

机械加工残余应力对弧形条精度影响非常大，致使加工完成后自然放置的工件孔系随工件外形的应力变形发生重大改变，难以达到设计图纸对孔系位置度Φ0.1mm的高精度要求。

由于工件需要三坐标测量机对外形尺寸、数量众多的孔系进行形位公差检测，工件100与检测平台300之间的滑动摩擦力会极大的阻止工件处于自然状态，致使难以获得工件准确的三坐标检测数据。

为了解决“华龙一号”蒸汽发生器用弧形条等高精度大规格条形工件的制造、检测难题，本实施例工艺流程如下：

①水切割下料得到工件坯料—②自然时效48h—③粗铣外形加工—④自然时效48h—⑤半精铣外形及粗加工孔系—⑥自然时效48h—⑦精铣外形并精镗孔—⑧自然时效8h—⑨三坐标测量机检测。

本例工件100材质为SA-516 GR.70 中低温容器钢 {含碳0.30%，含磷p≤0.035、硫S≤0.035、硅Si（0.13～0.45）、锰Mn（0.79～1.30）等合金成分}，抗拉强度（约450～585MPA）、屈服强度（≥230MPA），该材质具有强度低、塑性很高的特性。

工件100外形为弧形细长条状，且内部具有不均匀分布的59处通孔（位置精度Φ0.1mm）。

详细工艺流程如下：

1、首先对弧形条工件所用的板材进行数控水切割加工得到工件坯料，沿工件理论外形均匀留出加工余量。最大限度的避免常规下料加工中采用火焰切割或等离子切割方法在下料过程中工件的热变形和热应力的集聚。

2、对水切割工序完成的工件坯料及时进行平放自然时效处理48小时。充分释放水切割过程中产生的加工应力。

3、对于前序加工完成的工件坯料采用数控铣床分层粗铣加工。

该工序切削参数如下：

切削线速度：100m/分钟；每层下刀深度：0.5mm/层；走刀量：1000mm/分钟；分层加工总数量规划为偶数层，同时奇数层采用逆铣加工、偶数层采用顺铣加工的走刀方法。这种切削方法能够在加工过程中及时消除部分加工应力。

切削过程中注重保证刀具的锋利性及冷却的及时充分性，减少切削热量的产生及加强散热的及时性。对后序需加工的部位进行均匀留余量处理。同时对59处通孔进行留量粗加工，以在半精加工前充分释放加工应力。

4、对粗铣加工工序完成后及时对其进行平放自然时效处理48小时，充分释放粗铣加工过程中产生的加工应力。

5、前工序处理完成后对工件外形采用数控铣床分层半精铣加工和对59处孔系进行留量粗加工。该工序中，可以根据前期试验加工积累的检测数据，对弧形条工件主要变形区域添加反变形凸台，从工件形状上采取反变形措施，进一步降低工件变形。

该步骤分层切削加工参数为：

切削线速度：120m/分钟；每层切削深度：0.5mm/层；进给速度：1500mm/分钟；分层加工总数量规划为偶数层，奇数层采用逆铣加工、偶数层采用顺铣加工的走刀方法，在加工过程中及时消除部分加工应力。

切削过程中注重保证刀具的锋利性及冷却的及时充分性，减少切削热量的产生及加强散热的及时性。对后序需加工的部位进行均匀留余量处理。

6、半精铣加工工序完成后及时对工件进行平放自然时效处理48小时，充分释放半精铣加工过程中产生的加工应力。

7、前工序处理完成后，外形采用数控铣床分层精铣加工和对59处孔系采用低应力的镗孔加工。

该步骤切削加工参数为：

切削线速度：150m/分钟；每层切削深度：约0.3mm/层；进给速度：2000mm/分钟；分层加工总数量规划为偶数层，奇数层采用逆铣加工、偶数层采用顺铣加工的走刀方法。

切削过程中注重保证刀具的锋利性及冷却的及时充分性，减少切削热量的产生及加强散热的及时性。同时对该工件孔系采用镗削精加工到成品图纸公差范围内。

8、精铣加工工序完成后将工件放入检测平台按下列方法对其进行自然放置8小时，具体放置过程中如下：

对工件100中间C部位的孔采用插销固定，同时在检测平台300和工件100之间，沿弧形条切线PQ垂直方向放置等直径（如：Φ16）的淬火圆柱体垫块200，圆柱体垫块200间距d=300mm左右，对工件进行等高支撑，改变工件在检测平台的滑动摩擦为圆柱体滚动摩擦，使工件在搬动或转运过程中外力造成的弧形条变形力得到充分释放，让工件处于自然无外力待检状态，如图2所示。

图2中，圆柱体垫块200的轴线为XY，弧形条工件100的切线PQ与圆柱体垫块200的轴线垂直，这样的支撑方式，垫块与工件接触面最小，摩擦力也最小，有利于降低应力对工件100的束缚，有利于应力释放，提高检测精度。

最后一次自然时效在检测平台300上完成，可以减少工件100搬运或移动，进一步保障检测精度。

9、检测过程中，采用三坐标测量机对处于自然待检状态的工件100进行检测，得到准确的检测数据。

Claims (10)

1.高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、获取工件坯料；

b、对工件坯料进行切削加工得到工件；

c、将工件放入检测平台进行自然时效，并在工件与检测平台之间间隔放置直径相等的圆柱体垫块；

d、对工件进行检测。

2.根据权利要求1所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述工件为弧形条工件。

3.根据权利要求2所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述圆柱体垫块轴线与工件切线垂直。

4.根据权利要求1所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述工件上有孔和/或槽。

5.根据权利要求1所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述工件宽长比≤1/50和/或厚长比≤1/100。

6.根据权利要求5所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述圆柱体垫块长度≥所述工件宽度。

7.根据权利要求1所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述间隔为等间隔。

8.根据权利要求1所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述步骤a采用水切割方法获取工件坯料并进行自然时效。

9.根据权利要求8所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述步骤b根据不同的工序对工件坯料进行分层切削加工得到工件，所述工序包括粗加工工序、半精加工工序和精加工工序。

10.根据权利要求9所述的高精度大规格条形工件制造及检测方法，其特征在于，所述分层切削加工分层层数为偶数，并且相邻层切削方向相反。

Images