一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法

摘要

本发明属于镍基合金双层薄壁结构件机械加工技术领域，具体涉及一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法。本发明通过先采用工装定位，有效避免了高强度合金板材的成型误差，利用内支撑工装增加了刚性；通过平台划一圈腰线，解决D型段拼接的各段尺寸误差。机床划线解决了D型段外圆弧成型误差对18°的影响。固定胎具，定位夹紧工件，施力点采用垫板增加了加工时的定位接触面，同时在定位接触面上制作近似形状的不锈钢板垫在施力点上，增大接触面积，最大限度地减少产品的变形。采用本发明的方法，可以较好地解决双层薄壁件加工后产生扭曲、皱折、端面平面度超差、金属屑掉入夹层流道等问题。

说明书

技术领域

本发明属于镍基合金双层薄壁结构件机械加工技术领域，具体涉及一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法。

背景技术

大型双层薄壁D型截面真空室扇形段用于制造磁约束热核聚变装置中的主体部件真空室，根据国内外热核聚变研究现状，新型真空室共由20个D形段组成，每个D型段均为空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、流道槽钢和外壳焊接而成。

在大型双层薄壁D型截面段加工时，如何防止镍基合金双层薄壁件加工后产生扭曲、皱折、端面平面度超差、金属屑掉入夹层流道、流道污染、磁导率升高等问题，是保证大型双层薄壁D型截面真空室扇形段18°端面加工质量的关键，也是当前大型双层薄壁D型截面加工技术亟需解决的技术问题。

为解决以上问题，亟需制定详细的机加工方案，同时设计制作内支撑工装、18°加工工装，在加工刀具选择、加工参数设定、防金属屑等方面进行深入研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，以解决双层薄壁件加工后产生扭曲、皱折、端面平面度超差等问题，确保D扇形段按图纸尺寸精度、形位精度等进行制造，进而确保真空室制造精度、满足磁约束热核聚变研究使用要求。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，本方法涉及的大 型双层薄壁D型截面真空室扇形段用于制造磁约束热核聚变装置中的主体部件真空室，真空室共由20个D型截面真空室扇形段组成，20段组成一个整环，每个D型截面真空室扇形段均为镍基合金制备的空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、槽钢和外壳焊接而成，两个端面之间的圆心角为18°；包括以下步骤：

(1)复核D型截面真空室扇形段尺寸；

内支撑工装定位：通过内支撑工装将D型截面真空室扇形段的D型截面调整到同一尺寸；

通过内支撑工装将D型截面真空室扇形段的D型截面尺寸调整至内径长轴的长度为2960mm，短轴的长度为1550mm；

(2)划线：

将D型截面真空室扇形段放在工作平台上，调整D型截面真空室扇形段，划一圈腰线将D型截面真空室扇形段上下中分，控制整圈腰线在同一平面内；

(3)机床划线：

选用XK2735数控龙门镗铣床工作台，在工作台上放置3个调整垫铁，其中两个调整垫铁放置在对应D型截面真空室扇形段的直段两端位置，一个调整垫铁放置在对应D型截面真空室扇形段上距离直段最远的圆弧端位置，控制D型截面真空室扇形段与工作台接触的端面在与工作台在同一个平面上；

将D型截面真空室扇形段吊装至工作台，按步骤(2)划的腰线和D型截面真空室扇形段的直段找正，检测D型截面真空室扇形段外轮廓的长轴、短轴尺寸；

利用XK2735数控龙门镗铣床的可编程旋转编程，装夹划针，划D型截面真空室扇形段的两个端面的加工尺寸线；

(4)固定胎具：

将18°倾角胎具平放于XK2735数控龙门铣镗床工作台上，利用XK2735数控龙门镗铣床的可编程旋转编程，在铣头上装夹百分表找正18°倾角胎具的18°斜面，使其误差小于0.05；找正好之后，固定18°倾角胎具；

(5)定位夹紧工件：

吊装划好线的D型截面真空室扇形段置于18°倾角胎具上，D型截面真空室扇形段放于18°倾角胎具的底座部分上，定义D型截面真空室扇形段与18°倾角胎具接触的端面为下端面，另一个端面为上端面；利用18°倾角胎具上的内挡块进行内定位，按步骤(3)中划的加工尺寸线找正D型截面真空室扇形段上端面的加工线；

在D型截面真空室扇形段下端面与18°倾角胎具之间设置不锈钢垫片，通过调整不锈钢垫片的厚度控制若D型截面真空室扇形段上端面在一个平面；

调整至同一平面后，对D型截面真空室扇形段进行夹紧；夹紧时在施力点位置设置垫板；

夹紧力通过18°倾角胎具上的外夹紧座传递给18°倾角胎具上的调节螺柱，调节螺柱通过18°倾角胎具上施力点位置的垫板进行夹紧；

(6)第一个端面加工：

XK2735数控龙门镗铣床用锯片刀直接切离法沿D型截面真空室扇形段外侧进刀切削加工D型截面真空室扇形段的第一个端面，具体包括：

(6.1)采用锯片刀进行沿D型截面真空室扇形段外侧100mm处进刀切削，切入D型截面真空室扇形段第一个端面50mm后沿机床模拟外形尺寸进行锯切；锯片刀的直径为200mm，厚度为4mm，自转转速为15～20r/min，走刀速度为6～8mm/min；

(6.2)锯切完成后，采用三面刃铣刀沿D型截面真空室扇形段第一个端面 外侧50mm处走一周完成第一个端面加工；三面刃铣刀的直径为200mm，厚度为12mm，自转转速为15～20r/min，走刀速度为18～20mm/min；

(7)翻转D型截面真空室扇形段：180度翻转D型截面真空室扇形段，将加工完成的第一个端面翻转后接触18°倾角胎具，在翻转前清理18°倾角胎具与D型截面真空室扇形段第一个端面的贴合处；将未加工的D型截面真空室扇形段第二端面作为待加工面按步骤(5)的方法定位夹紧D型截面真空室扇形段；

(8)第二个端面加工：

按步骤(6)的方法加工D型截面真空室扇形第二个端面；

(9)松开内支撑工装，取出工装，完成两个端面的加工。

进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，步骤(1)复核D型截面真空室扇形段尺寸中，根据大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面的D型结构，20段组成一个整环的特点，内支撑工装由上部分，螺柱，螺母，中部分，右端加长杆，千斤顶，左端加长杆，下部分组成；

上部分用来调整D字形上部内尺寸达到理论尺寸要求，包括相互对称的两个部分，每个部分都由三段组成：顶部是半径为890mm的圆弧段，记为R890段；R890段的左侧与直边段相切，R890段的右侧与半径为1910mm的圆弧段内切；每个部分的三段共同连接形成D字形的上半部分；上部分在底部的最大宽度为1493mm，最高点高度为1020mm，通过3块尺寸逐渐变大的上部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的上部分；

在3块上部连接板中的内侧和外侧两块分别与中部分连接，内侧上部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧上部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与中部分连接；外侧上部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧上部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通 孔与中部分连接；

上部分和中部分之间采用5个螺柱联接，每个螺柱的两端有4个螺母，分别设置在上部分的底板上下侧、中部分的上板上下侧；

中部分用来连接上部分和下部分，并且通过10吨的千斤顶调整宽度，达到尺寸要求；中部分包括相互对称的两个部分，每个部分的左侧由2件700mmx150mmx20mm钢板和2件300mmx150mmx20mm钢板与15号槽钢焊接而成；中部分右侧由2件700mmx150mmx20mm弧形钢板和2件750mmx150mmx20mm钢板与15号槽钢焊接而成；中部分的宽度最大处为1550mm，最高点高度为740mm；通过3块尺寸逐渐变大的中部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的中部分；

在3块中部连接板中的内侧和外侧两块分别与上部分和下部分连接，内侧中部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧中部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与上部分和下部分连接；外侧中部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧中部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通孔与上部分和下部分连接；

右端加长杆和左端加长杆都是直径为57mm，长度为420mm的杆；

千斤顶未使用伸长时的长度为300mm；

下部分用来调整D字形下部内尺寸达到理论要求，包括相互对称的两个部分，每个部分都由三段组成：底部是半径为890mm的圆弧段，记为R890段；R890段的左侧与直边段相切，R890段的右侧与半径为1910mm的圆弧段内切；每个部分的三段共同连接形成D字形的下半部分；下部分在底部的最大宽度为1493mm，最高点高度为1020mm，通过3块尺寸逐渐变大的下部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的下部分；

在3块下部连接板中的内侧和外侧两块分别与中部分连接，内侧下部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧下部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与中部分连接；外侧下部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧下部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通孔与中部分连接；

中部分和下部分之间采用5个螺柱联接，每个螺柱的两端有4个螺母，分别设置在中部分的下板上下侧、下部分的上板上下侧；

通过调整中部分和上部分、中部分和下部分之间10个螺柱上的螺母，来达到要求的内径长轴方向尺寸；

通过调整中部分的千斤顶和右端加长杆、左端加长杆，来达到要求的短轴尺寸。

进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，步骤(4)固定胎具中，18°倾角胎具包括垫板、底座、内挡块、外夹紧座；垫板用来减小压强，减少工件变形；垫板长度为150mm,宽度为150mm，厚度为5mm，材料为不锈钢；底座用来形成18°倾角并支撑D形段进行18°端面加工；内挡块用来对工件进行粗定位；外夹紧座用来对工件进行施力，并在装夹中进行精确调整。

进一步的，如上所述的一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，步骤(5)定位夹紧工件中，在D型截面真空室扇形段下端面与18°倾角胎具之间设置的不锈钢垫片的厚度为0.3～0.5mm。

本发明技术方案的有益效果在于：本发明通过先采用工装定位，有效避免了高强度合金板材的成型误差，利用内支撑工装增加了刚性；通过平台划一圈腰线，解决D型段拼接的各段尺寸误差。机床划线解决了D型段外圆弧成型误 差对18°的影响。固定胎具，定位夹紧工件，施力点采用垫板增加了加工时的定位接触面，同时在定位接触面上制作近似形状的不锈钢板垫在施力点上，增大接触面积，最大限度地减少产品的变形。采用本发明的方法，可以较好地解决双层薄壁件加工后产生扭曲、皱折、端面平面度超差、金属屑掉入夹层流道等问题，能通过定位压紧后内外双层可一次加工完成，而且成本低，操作简便。

附图说明

图1是内支撑工装结构示意图；

图2是内支撑工装中连接部示意图；

图3是18°倾角胎具结构示意图；

图4是18°倾角胎具中内挡块和外夹紧座示意图。

图中：1上部分，2中部分，3右端加长杆，4千斤顶，5左端加长杆，6下部分，7垫板，8底座，9内挡块，10外夹紧座。

具体实施方式

为了方便本领域的技术人员理解，下面将结合实施事例对本发明做进一步的描述。实施事例仅仅是对该发明的举例说明，不是对本发明的限定，实施事例中未作具体说明的步骤均是已有技术，在此不做详细描述。

本发明一种大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面加工方法，本方法涉及的大型双层薄壁D型截面真空室扇形段用于制造磁约束热核聚变装置中的主体部件真空室，真空室共由20个D型截面真空室扇形段组成，20段组成一个整环，每个D型截面真空室扇形段均为镍基合金制备的空间双层双曲面薄壁结构，由内壳、槽钢和外壳焊接而成，两个端面之间的圆心角为18°；其特征在于：包括以下步骤：

(1)复核D型截面真空室扇形段尺寸；

内支撑工装定位：通过内支撑工装将D型截面真空室扇形段的D型截面调整到同一尺寸；

通过内支撑工装将D型截面真空室扇形段的D型截面尺寸调整至内径长轴的长度为2960mm，短轴的长度为1550mm；

在本实施例中，如图1和图2所示，根据大型双层薄壁D型截面真空室扇形段端面的D型结构，20段组成一个整环的特点，内支撑工装由上部分，螺柱，螺母，中部分，右端加长杆，千斤顶，左端加长杆，下部分组成；

上部分用来调整D字形上部内尺寸达到理论尺寸要求，包括相互对称的两个部分，每个部分都由三段组成：顶部是半径为890mm的圆弧段，记为R890段；R890段的左侧与直边段相切，R890段的右侧与半径为1910mm的圆弧段内切；每个部分的三段共同连接形成D字形的上半部分；上部分在底部的最大宽度为1493mm，最高点高度为1020mm，通过3块尺寸逐渐变大的上部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的上部分；

在3块上部连接板中的内侧和外侧两块分别与中部分连接，内侧上部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧上部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与中部分连接；外侧上部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧上部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通孔与中部分连接；

上部分和中部分之间采用5个螺柱联接，每个螺柱的两端有4个螺母，分别设置在上部分的底板上下侧、中部分的上板上下侧；

中部分用来连接上部分和下部分，并且通过10吨的千斤顶调整宽度，达到尺寸要求；中部分包括相互对称的两个部分，每个部分的左侧由2件700mmx150mmx20mm钢板和2件300mmx150mmx20mm钢板与15号槽钢焊接而成； 中部分右侧由2件700mmx150mmx20mm弧形钢板和2件750mmx150mmx20mm钢板与15号槽钢焊接而成；中部分的宽度最大处为1550mm，最高点高度为740mm；通过3块尺寸逐渐变大的中部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的中部分；

在3块中部连接板中的内侧和外侧两块分别与上部分和下部分连接，内侧中部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧中部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与上部分和下部分连接；外侧中部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧中部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通孔与上部分和下部分连接；

右端加长杆和左端加长杆都是直径为57mm，长度为420mm的杆；

千斤顶未使用伸长时的长度为300mm；

下部分用来调整D字形下部内尺寸达到理论要求，包括相互对称的两个部分，每个部分都由三段组成：底部是半径为890mm的圆弧段，记为R890段；R890段的左侧与直边段相切，R890段的右侧与半径为1910mm的圆弧段内切；每个部分的三段共同连接形成D字形的下半部分；下部分在底部的最大宽度为1493mm，最高点高度为1020mm，通过3块尺寸逐渐变大的下部连接板将相互对称的两个部分连接而成内支撑工装的下部分；

在3块下部连接板中的内侧和外侧两块分别与中部分连接，内侧下部连接板是300mmx150mmx20mm的钢板，在内侧下部连接板上以中线对称设置2个间距105mm、直径33mm的通孔与中部分连接；外侧下部连接板是750mmx150mmx20mm的钢板，在外侧下部连接板上以中线对称设置3个间距192mm、直径33mm的通孔与中部分连接；

中部分和下部分之间采用5个螺柱联接，每个螺柱的两端有4个螺母，分 别设置在中部分的下板上下侧、下部分的上板上下侧；

通过调整中部分和上部分、中部分和下部分之间10个螺柱上的螺母，来达到要求的内径长轴方向尺寸；

通过调整中部分的千斤顶和右端加长杆、左端加长杆，来达到要求的短轴尺寸。

(2)划线：

将D型截面真空室扇形段放在工作平台上，调整D型截面真空室扇形段，划一圈腰线将D型截面真空室扇形段上下中分，控制整圈腰线在同一平面内；

(3)机床划线：

选用XK2735数控龙门镗铣床工作台，因为D型截面真空室扇形18°段是一个薄壁焊接结构件，变形必然存在，为了保证精度，根据三点定面原则，在工作台上放置3个调整垫铁，其中两个调整垫铁放置在对应D型截面真空室扇形段的直段两端位置，一个调整垫铁放置在对应D型截面真空室扇形段上距离直段最远的圆弧端位置，控制D型截面真空室扇形段与工作台接触的端面在与工作台在同一个平面上；

将D型截面真空室扇形段吊装至工作台，按步骤(2)划的腰线和D型截面真空室扇形段的直段找正，检测D型截面真空室扇形段外轮廓的长轴、短轴尺寸；

利用XK2735数控龙门镗铣床的可编程旋转(ROT RPL＝9°，在当前的平面中旋转G17到G19，单独程序段)编程，装夹划针，划D型截面真空室扇形段的两个端面的加工尺寸线，具体是钳工配合划上表面一圈的9°加工尺寸线；接着再划下表面一圈的9°加工尺寸线，利用数控机床可以进行斜线插补这个特性，减少圆弧成型误差对18°±0.03°的影响。

(4)固定胎具：

将18°倾角胎具平放于XK2735数控龙门铣镗床工作台上，利用XK2735数控龙门镗铣床的可编程旋转(ROT RPL＝18°，在当前的平面中旋转G17到G19，单独程序段)编程，在铣头上装夹百分表找正18°倾角胎具的18°斜面，使其误差小于0.05；找正好之后，固定18°倾角胎具；

在本实施例中，如图3和图4所示，18°倾角胎具包括垫板、底座、内挡块、外夹紧座；垫板用来减小压强，减少工件变形；垫板长度为150mm,宽度为150mm，厚度为5mm，材料为不锈钢；底座用来形成18°倾角并支撑D形段进行18°端面加工；内挡块用来对工件进行粗定位；外夹紧座用来对工件进行施力，并在装夹中进行精确调整。

(5)定位夹紧工件：

吊装划好线的D型截面真空室扇形段置于18°倾角胎具上，D型截面真空室扇形段放于18°倾角胎具的底座部分上，定义D型截面真空室扇形段与18°倾角胎具接触的端面为下端面，另一个端面为上端面；利用18°倾角胎具上的内挡块进行内定位，按步骤(3)中划的加工尺寸线找正D型截面真空室扇形段上端面的加工线；

在D型截面真空室扇形段下端面与18°倾角胎具之间设置不锈钢垫片，通过调整不锈钢垫片的厚度控制若D型截面真空室扇形段上端面在一个平面；

在本实施例中，在D型截面真空室扇形段下端面与18°倾角胎具之间设置的不锈钢垫片的厚度为0.3～0.5mm。

调整至同一平面后，对D型截面真空室扇形段进行夹紧；夹紧时在施力点位置设置垫板；

夹紧力通过18°倾角胎具上的外夹紧座传递给18°倾角胎具上的调节螺 柱，调节螺柱通过18°倾角胎具上施力点位置的垫板进行夹紧；

(6)第一个端面加工：

XK2735数控龙门镗铣床用锯片刀直接切离法沿D型截面真空室扇形段外侧进刀切削加工D型截面真空室扇形段的第一个端面，具体包括：

(6.1)采用锯片刀进行沿D型截面真空室扇形段外侧100mm处进刀切削，切入D型截面真空室扇形段第一个端面50mm后沿机床模拟外形尺寸进行锯切；锯片刀的直径为200mm，厚度为4mm，自转转速为15～20r/min，走刀速度为6～8mm/min；

(6.2)锯切完成后，采用三面刃铣刀沿D型截面真空室扇形段第一个端面外侧50mm处走一周完成第一个端面加工；三面刃铣刀的直径为200mm，厚度为12mm，自转转速为15～20r/min，走刀速度为18～20mm/min；

(7)翻转D型截面真空室扇形段：180度翻转D型截面真空室扇形段，将加工完成的第一个端面翻转后接触18°倾角胎具，在翻转前清理18°倾角胎具与D型截面真空室扇形段第一个端面的贴合处；将未加工的D型截面真空室扇形段第二端面作为待加工面按步骤(5)的方法定位夹紧D型截面真空室扇形段；

(8)第二个端面加工：

按步骤(6)的方法加工D型截面真空室扇形第二个端面；

(9)松开内支撑工装，取出工装，完成两个端面的加工。

本实施例中，将加工好的双层薄壁D型截面真空室扇形段18°段经检测，零件无扭曲、皱折等缺陷，端面平面度0.1mm，角度18°±0.03°，满足工艺要求。