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編者按

本文以核反應堆冷卻劑泵電動機殼鍛件精加工為例，對同軸階梯孔系及端面孔系的加工進行工藝性分析，透過研發多功能鏜孔系統，解決深孔加工技術難題，並結合公司裝置現狀，研究更多的深孔精加工方案並進行模擬試驗，為產品質量提供可靠保障。

1 序言

圖1所示電動機殼是國家科技重大專項CAP1400先進壓水堆核電專案反應堆冷卻劑主泵CAP1400中的關鍵件，由於其特殊的使用條件和複雜的受力情況，其同軸階梯深孔系及端面孔系的尺寸精度、形狀和位置精度要求非常高，因此對加工工藝、測量技術等均提出了很高的要求，帶來了很大的挑戰。為了提高產品精度及保證專案的順利進展，透過研製一套多功能深孔鏜孔系統來解決深孔加工技術難題，並結合公司裝置現狀，開發研究更多深孔精加工方案。每種方案在精加工前均進行模擬加工試驗驗證，根據試驗結果最佳化精加工工藝方案，保證產品質量。

圖1　電動機殼三維立體圖

2 電動機殼精加工主要技術指標

如圖2所示，電動機殼總長約4m，內孔為多階同軸階梯孔，中間主孔徑φ D與左、右兩端肩孔φ D1H7、φ D2H7同軸，要求與基準A―B的徑向圓跳動≤0。1mm；左端大法蘭肩面、右端面為密封面，法蘭端面無痕，左端φ D2肩孔端面、φ D1右端面，要求與基準A―B的軸向圓跳動≤0。05mm；主孔徑φ D內孔，φ D2H7孔肩面、φ D1H7右端面表面粗糙度值Ra＜1。6μm；左法蘭端24個φ135mm、右端面20個M72×3mm孔系沿圓周均布，孔系中心圓要求與孔軸線同軸，各孔位置度公差≤φ0。5mm。

圖2　電動機殼精加工要求示意

3 深孔加工製造難點及解決方案

3.1 深孔加工製造難點分析

主孔徑φ D H 7直徑1000mm以上，深度約2500mm，與基準A―B的徑向圓跳動≤0。1mm，採用立式車床加工時，方滑枕懸伸量2700mm以上。滑枕切削力與懸伸量的關係見表1。由表1可知，懸伸越長，方滑枕剛度越差，加工時所用的切削力越小。當懸伸量為2500mm、滑枕變形量約為0。5mm時，切削力的推薦值為76。67kN，可見立式車床的加工精度及切削效率都較差。選用臥式車床加工時，常規方法需要使用車刀排，但因刀排懸伸過長而產生的撓度會影響加工精度，因此無論在臥式車床或是在立式車床上加工，均難以保證產品內孔的尺寸精度、形狀和位置精度。

表1　不同懸伸量時的滑枕剛度-切削力計算結果

3.2　深孔加工解決方案

針對電動機殼深孔加工的特點及加工效率的要求，研製一套多功能深孔鏜孔系統（見圖3）。該系統裝置在臥式車床導軌上，具體方法是鏜杆與車床刀架透過連線裝置相連，隨車刀架實現軸向進刀運動，機床導軌上前後支承架輔助支撐增加剛性，保證鏜頭行進的直線性，增加接觸剛性和進給切削的穩定性。加工時用鏜頭上的多用途導向頭進行後引導。鏜頭工作部位噴壓力切削液，以沖走切屑和進行冷卻、潤滑，再透過鏜杆內孔排出，從而提高工件表面的加工精度和刀具壽命，保證深孔加工的直線性、同軸孔系精度及表面粗糙度要求。整體浮動鏜刀、珩磨裝置具有後導向裝置，集半精鏜、精鏜、浮鏜和珩磨等工藝手段為一體，在臥式車床上進行半精加工、精加工和超精加工，確保孔的尺寸精度、圓柱度和直線度滿足要求。

圖3　多功能深孔鏜孔系統

1 車床卡盤　2 刀體　3 多用途導向頭　4 支架　5 前支撐架　6 鏜杆　7 後支撐架　8 車刀架　9 油箱、泵　10 託輪架　11 工件

4 兩端面圓周孔系加工製造難點及解決方案

左法蘭24個φ 135mm 孔、右端面20個M72×3mm孔沿圓周均布，孔系位置度公差≤φ0。5mm，且兩端角度方位一致。由於兩端圓周均布孔尺寸較大，若深孔精加工後再進行端面孔加工，可能會因產生較大的變形量而影響深孔精度。因此，深孔精加工前端面孔系需要粗加工，僅保留較小的精加工餘量，法蘭端φ20H7處加工出工藝基準孔φ10H7，以保證精加工時兩端孔系角度方位一致。

5 加工過程控制

電動機殼的精加工是在熱處理後，鍛件理化檢驗各指標符合設計要求後進行的，主要工藝過程包括外圓、內圓及端面孔系的加工。工序步驟為：內、外圓半精加工→端面孔系粗加工→深孔精加工→外圓精加工→端面孔系精加工。

在進行深孔主孔徑φ D H7精加工前，各檔外圓、端面及肩面均留精加工餘量並做好基準圓同軸；φ D1H7、φ D2H7肩孔加工與φ DH7主孔徑同直徑，以便深孔加工落刀；深孔精加工後，再以精加工後的主孔徑φ D H7為基準校正，進行兩端φD1H7、φD2H7肩孔及外圓精加工。

大法蘭端面圓周上等分孔、小端面等分螺紋孔加工，要求在內、外圓半精車後做好中心基準，留餘量粗鑽擴孔，孔距誤差≤1。5mm；深孔及外圓精加工後，留精加工餘量鏜孔，孔距誤差≤0。70mm；精加工時先試一刀，測量確認孔位置度≤0。5mm後，精加工至設計要求。

6 深孔加工模擬試驗及結果分析

6.1 模擬試驗

多功能鏜孔系統工裝製造完成後，為降低產品質量風險，要進行模擬試驗，目的是驗證工藝方案的可行性、可靠性以及精加工方案的工藝最佳化，且使操作人員透過模擬試驗能熟練掌握用多功能鏜孔系統加工深孔的要點，為精加工積累經驗。

深孔模擬試驗安排在鍛件調質後，目標孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm。模擬試驗要求與工件精加工技術要求相同（見圖4），φ808H7深孔圓柱度≤0。1mm，小端端面與基準A端軸向圓跳動≤0。05mm。模擬加工前要對機床定位精度、幾何精度進行標定。加工時的切削引數：轉速10r/min，進給量0。4mm/r，背吃刀量0。3mm。

圖4　深孔模擬加工示意

6.2　試驗結果分析

深孔模擬加工試驗資料見表2，直徑最大相差0。01mm，圓度最大相差0。01mm，圖樣要求圓柱度≤0。1mm。

表2　深孔模擬加工試驗資料（單位：mm）

試驗結果表明，選用SIU3150數控臥式車床及多功能鏜孔系統加工深孔，能夠滿足電動機殼精加工技術要求，操作方便，執行穩定，加工精度滿足產品要求。

7 端面孔加工模擬試驗

端面孔加工模擬試驗在相同材料、同爐熱處理的試塊上進行。為了提高螺紋精度，降低表面粗糙度值，採用螺紋銑刀銑削加工螺紋。對所選用的螺紋銑刀要進行刀具壽命試驗和最佳切削引數試驗，透過模擬試驗，驗證機床等分精度、數控程式及角度位置準確性。

8 加工方案具體實施步驟

加工的具體步驟如下。

1）立式車床上留半精加工餘量，粗車內、外圓及端面。

2）劃兩端面孔線，鑽出兩端孔角度方位基準孔，粗鑽兩端面孔。

3）臥式車床上半精車，留量車外圓（頂夾裝夾）。安裝多功能鏜孔裝置，半精鏜內孔→精鏜內孔→浮動鏜內孔→珩磨內孔→精車兩端沉孔→精車外圓。

4）精鏜端面孔，鑽攻螺紋。

5）尺寸精度檢查，幾何公差檢查。

9 技術測量

9.1　主孔徑φDH7對A―B基準的徑向圓跳動測量

（ 1 ）方法一光學掃描，即在φ D H 7 、 φD1H7和φD2H7孔分別裝光靶掃描，測量出主孔徑φDH7各點的徑向圓跳動。

（2）方法二鐳射跟蹤儀測量。

9.2　兩端軸向圓跳動測量

（1）在立式車床上測量在測量出主孔徑φ DH7對A―B基準的徑向圓跳動量並確認合格的情況下，可直接在立式車床上測量兩端軸向圓跳動（立式車床檯面做好平面基準）。

（2）在臥式車床上測量在測量出主孔徑φ DH7對A―B基準的徑向圓跳動量並確認合格的情況下，校正A―B基準圓及主孔徑φ DH7，用百分表測量。

9。3孔、螺紋孔等分測量

（1）通用量具（遊標卡尺）直接測量測量對應孔壁厚及跨孔距，可以計算出位置度誤差和角度誤差。

（2）機床打表測量利用滾齒機分度裝置輔助以測量棒，測量出位置度誤差和角度誤差。

10

更多深孔加工技術可行性探索

由於電動機殼精加工專案屬於批次生產，交貨週期緊，所以僅用前述方案的1臺機床和1套工裝，無法滿足批次生產進度要求，因此需要在原方案的基礎上開發更多具有可行性的深孔加工技術，從而保證電動機殼精加工專案順利進行。

10.1　在立式車床上加工深孔的可行性試驗

（1）試驗狀態鍛件調質前，目標孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm（見圖4）。目標孔徑尺寸φ808H7在加工前要進行試切削，檢查機床橫樑與滑枕垂直度誤差，檢驗結果見表3。

表3　機床橫樑與滑枕垂直度誤差（單位：mm）

機床按照試切削結果，在滑枕行程2700mm範圍內，直線度約為0。11mm。根據試車結果調整橫樑與滑枕垂直度，對機床進行標定後，按目標尺寸加工孔徑φ808H7，切削引數：轉速10r/min，進給量0。4mm/r，背吃刀量0。3mm。試驗資料見表4。

表4　立式車床深孔模擬加工試驗資料（目標孔徑φ808H7）（單位：mm）

（2）試驗結果①直線度：孔深2160mm處尺寸偏小，在135°方位，深度0mm與2160mm處，直徑最大相差0。11mm，圖樣要求0。1mm。②圓度：深度1080mm位置，最大圓度0。05mm。

（3）加工誤差原因分析①由於表3所示的機床自身橫樑與滑枕垂直度誤差，造成車出的內孔尺寸呈上小、下大的錐形。②根據表4試驗結果，採用C5263數控立式車床加工深孔時，在孔深2160mm處，可能由於該區域刀架滑枕磨損，造成深孔加工時直線度呈腰鼓狀。

（4）解決措施及存在的風險①對於機床自身橫樑與滑枕垂直度誤差，需要根據上檔加工尺寸的直線度，調整橫樑與滑枕垂直度，確保機床工作臺面與橫樑的平行度，使橫樑與刀架滑枕的垂直度符合精加工要求。②對於刀架滑枕磨損，可採用區域性區域拋光的方法解決，在精加工前進行多次試切削，測試工件的直線度。此方案對操作者的加工技術、測量水平及測量點選取要求較高，人為因素影響較大。

10.2　在臥式車床上加工深孔的可行性試驗

（1）試驗狀態鍛件調質前，目標孔徑尺寸φ808H7，孔深2700mm（見圖4）。

目標孔徑尺寸φ 808H7在加工前要進行試切削，檢查機床導軌自身誤差、刀具磨損及刀排剛性不足等因素對加工精度的影響，測出半精加工尺寸的直線度，為精加工提供尺寸分段補償量，試驗結果見表5（目標孔徑尺寸為φ807。4mm）。按照測試資料要求，在軸向深度2250mm處，直徑補償量為0。25mm；在軸向深度490mm處，直徑補償量為0。13mm。孔徑φ808H7的圓柱度0。1mm，軸向圓跳動0。05mm。進刀直徑0。65mm。

表5　尺寸分段補償量測試（單位：mm）

按照表5試切削結果，透過尺寸分段補償後，目標孔徑尺寸φ808H7的模擬加工試驗資料見表6。加工時的切削引數：轉速10r/min，進給量0。4mm/r，背吃刀量0。3mm。

表6　臥式車床深孔模擬加工試驗資料 （單位：mm）

（ 2 ）試驗結果①直線度：直徑最大相差0。02mm，圖樣要求0。1mm。②圓度：最大處0。02mm。

（3）採取的措施①對於機床導軌自身誤差、刀具磨損及刀排剛性不足產生的加工誤差，要求在精加工前進行多次試切削，測試工件直線度，採用分段補償方法解決。②對於機床精度，精加工前要對機床定位精度、幾何精度進行標定。存在的問題：對操作者的加工技術、測量水平及測量點選取要求較高，人為因素影響較大。

在SIU3150數控臥式車床上加工深孔時，根據精加工前多次試切削結果，採用尺寸分段補償方法，加工結果比較理想。

11 結束語

透過對電動機殼深孔加工方案的多方面探索及研究，立式車床及數控臥式車床（使用車刀排）的加工方案可行，應用後可緩解公司機床數量緊張的狀況，但人為影響因素較多，對於產品質量的穩定性存在潛在的風險。而多功能鏜孔系統在加工過程中操作方便、執行穩定，加工精度滿足產品要求。深孔加工及端面孔系精加工前，都要進行方案驗證，在模擬加工各項技術指標合格後，再實施精加工方案，因此該精加工方案安全可靠。

本文發表於《金屬加工（冷加工）》2021年第3期23-28頁，作者： 上海電氣上重碾磨特裝裝置有限公司工藝研究所程升，原標題：《國產化電動機殼精加工工藝》。

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