大规格垫片钢环车铣加工堵点技术攻关与设备改造研究

摘要：针对6英寸及以上大直径垫片钢环加工过程中存在的两类设备能力不足问题，开展基于现场工况的专项设备自主改造攻关。在普通铣环机上，自主设计双向约束刚性支撑工装，通过上部可调顶紧约束将悬臂受力体系转化为高刚度框架结构。针对波齿专用车齿机水平承载能力缺失的缺陷，自主研制了气缸驱动随动扶正轴承总成，通过随动轴承实时抵紧工件侧壁动态补偿水平切削力，消除了大规格钢环径向让刀及由此导致的齿形歪斜问题，使环槽对称度误差由±0.15 mm控制在±0.03 mm以内。该研究为同类大直径薄壁环形件在通用设备上的稳定加工提供了"力约束加固+力动态补偿"并重的技术方案，具有广阔的推广应用价值。

关键词：大直径钢环；铣削颤振；刚性加固；车齿机；随动扶正轴承；气动补偿；工艺系统刚度

1引言

石油化工装置法兰连接用金属缠绕式密封垫片，依据公称通径分为小规格与6英寸及以上大尺寸系列。大直径钢环的典型结构特征为径厚比极大（通常大于50），环形本体刚性差，属于典型的弱刚性薄壁环形构件。在其核心机加工工序——铣削与车削中，长期存在因工艺系统刚度不足引发的加工振动、尺寸超差及刀具异常快速损耗等技术问题，构成制约产能与质量的瓶颈环节。

原有普通铣环机未设置工件上部辅助支撑结构，仅依靠底部芯轴单点承载。铣刀盘切削产生的径向与轴向分力缺乏有效约束，加工过程中整机与工件同步振动，成品表面密布振纹，尺寸公差波动超标，刀具磨损速率快，返修与报废比例高，严重制约铣削工序产能。另一方面，现有波齿专用车齿机原始设计仅适配垂直向下切削工况，未设置水平方向受力补偿机构。加工6英寸以上内外钢环时，刀具主切削刃产生的背向力致使工件发生径向偏移，造成内外环槽深浅不均、齿形歪斜等缺陷，直接影响密封接触比压的均匀性，不能满足密封垫片尺寸精度技术要求。上述两道工序叠加，形成大规格钢环加工堵点，一度无法满足大直径密封缠绕垫片所需内外钢环的稳定供应需求。

面对大规格钢环日益增长的维护需求与外委加工周期长、费用高的现实矛盾，依托现有普通铣环机与波齿车齿机进行自主改造，成为保障装置维护效率、降低生产成本的唯一可行途径。结合机加工现场实际工况，依托班组设备改造能力，分别针对普通铣环机与波齿车齿机开展自主改造攻关，设计配套工装与气动扶正总成，从设备刚性增强与切削受力补偿两方面解决振动及环槽成型缺陷问题，形成适配6英寸及以上钢环的成套车铣加工工艺装备方案。

2原有设备加工缺陷的力学与工艺分析

2.1 普通铣环机悬臂切削系统的振动缺陷

普通铣环机采用底部定位芯轴对环形端面进行铣削加工，芯轴上端无任何约束，构成典型的悬臂梁结构。当盘铣刀进行环面铣削时，切削力可分解为垂直分力Fv与径向分力Fr。底部芯轴能够平衡垂直分力Fv及由此产生的倾覆力矩，但对周期性径向分力Fr的约束能力极为有限。由于大直径钢环自身的径向刚度Kr极低（Kr∝EI/R³，其中E为材料弹性模量，I为截面惯性矩，R为工件半径，即半径越大，钢环自身抵抗径向变形的能力呈三次方比例下降），在径向分力Fr的激励下，工件极易产生频率为数百赫兹的径向摆动，并与铣刀齿频耦合形成切削颤振。其直接后果表现为以下方面。

（1）表面质量恶化：加工表面产生明暗相间的波浪状振纹，实测表面粗糙度Ra值由正常工况下的1.6μm恶化至6.3～12.5μm，环槽尺寸离散度超过±0.15 mm，圆度误差达0.3 mm以上，不合格品率高达22%。

（2）刀具寿命骤减：强烈的切削振动使硬质合金刀片承受高频交变冲击载荷，切削刃微观崩碎与热疲劳裂纹扩展加速，刀片平均使用寿命不足正常工况的1/5，刀具耗材成本显著增加。

（3）加工效率受限：为避免振动失稳，被迫将铣削参数由常规的每齿进给量fz=0.15mm/z、切削深度ap=2.5mm下调至fz=0.06mm/z、ap=1.0mm，单件加工工时延长约150%，铣环机成为该工序的产能瓶颈。

从振动力学角度分析，提升该系统稳定性的关键在于引入附加约束，构建“底部支撑+上部限位”的双向夹持结构，以大幅提高工艺系统的径向静刚度与阻尼比，从根本上阻断颤振发生的条件。 

2.2 波齿车齿机水平承载能力缺失

该专用车齿机通过车刀在钢环上下表面加工波齿槽。加工外环波齿时，刀具由外向内径向进给；加工内环波齿时，由内向外径向进给。无论何种加工阶段，刀具均承受持续的背向力Fp——该力垂直于加工表面，沿水平方向指向或背离机床主轴中心。原设备主轴及夹具系统仅按承受垂直方向的主切削力Fc设计，其导轨、轴承及锁紧机构对水平力Fp的承载刚度严重不足。在大规格钢环车削中，该水平分力可达数百牛顿，直接导致以下问题。

（1）径向让刀：工件在Fp作用下发生整体弹性偏移，偏移量随切削位置与力幅波动而变化，导致环槽切深在圆周方向不一致，环槽对称度误差超过0.2 mm。

（2）齿形失准：对于6英寸以上钢环，环槽相对深度公差通常要求为±0.05 mm，任何不可控的偏移均会使密封线与法兰的接触状态偏离设计值，增加泄漏风险。

（3）人工干预弊端：现场原采用人工手持工具进行辅助限位，不仅无法提供稳定、可控的支撑力，且存在严重的安全隐患。同时，由于人工操作的离散性，同批次工件尺寸一致性极差，无法满足标准化批量生产要求。

解决该问题的有效途径是在不改变设备主体结构的前提下，增设一套可控的水平动态补偿机构，实时提供与Fp大小匹配、方向相反的扶正力，在不影响主轴旋转与进给运动的条件下，将工件稳固于理论回转中心。

3普通铣环机双向约束刚性支撑工装设计

3.1 工装结构设计与力学参数

基于上述分析，设计了由承载基座、上定位盘、调节手轮及扶正随转顶尖组成的上部支撑工装，共制作2套，分别应用于2台普通铣环机。

承载基座选用ϕ127×17mm的20#无缝钢管，经线切割去除妨碍操作的多余部位后，箍紧固定于铣环机ϕ100mm主轴外立柱上，以M10螺栓顶持牢固。该管材截面惯性矩I=π(D4−d4)/64≈3.24×106mm4，抗弯截面系数W≈5.10×104mm3，具有充足的抗弯刚度，确保在承受顶紧反力时不产生可见挠曲变形。

升降调节机构由ϕ146mm手轮、螺距3 mm的梯形螺纹丝杠及厚度δ=40的上定位盘构成。梯形螺纹具备自锁特性，可实现无级垂直调节与可靠锁紧。最大手动锁紧力设计为3000 N，相应丝杠副应力远低于材料屈服强度，具有充足的安全裕度。

扶正随转顶尖工作头，丝杠底端串联扶正随转顶尖，经估算其刚度为k≈800N/mm。该顶尖施加预紧力后随芯轴同步回转，提供稳定的刚性支撑，同时其接触阻尼可吸收部分切削冲击能量。关键设计点为支撑位置选择在工件全高约2/5处,该位置经模态分析确认为振型节点附近区域，能够以最小的夹持力获得最佳的径向振型抑制效果。

工装总高627mm，悬伸比（支撑点距基座固定点距离与立柱直径之比）经优化设计，确保在最大载荷条件下系统静刚度不低于15 N/μm。

3.2 安装工艺与工作原理

现场装配严格按以下步骤执行：

（1）在铣环机立柱上精确划线定位，安装上下抱箍，以扭矩扳手对称锁紧至规定扭矩，确保基座与本体形成面接触刚性连接。

（2）吊装立柱与丝杠组件，完成手轮、定位盘及扶正随转顶尖的对中装配，确保顶尖轴线与工作台回转中心同轴度不大于0.05mm。

（3）将待加工钢环吊装于底部夹具，轻旋手轮使随转顶尖逐渐贴合芯轴上端中心孔，使用预置式扭矩扳手施加标准预紧力（按钢环规格设定为150～250 N，以钢环在轻微敲击下发出清脆、无沙哑的声音为预紧力适宜的标志），随即锁紧丝杠防转机构。

其工作机理为：底部夹具提供垂直支承与部分旋转驱动扭矩，上部随转顶尖与芯轴上端形成高刚度配合接触，将原本的悬臂梁约束转变为两端简支的闭合框架结构。铣削产生的径向力Fr被上下支点的反力偶所平衡，工件自身不再承受导致摆动的交变弯矩，工艺系统的径向固有频率与动刚度显著提升，切削过程得以稳定在颤振阈值以下。弹性缓冲元件则作为低通机械滤波器，耗散刀齿切入与切出时的高频冲击能量。

3.3 改造后性能对比

实施刚性加固改造后，经对比测试，获得以下显著效果：

（1）振动抑制：采用加速度传感器测量工件径向振动，切削状态下振动速度有效值由改造前的18.6mm/s降至2.8mm/s，降幅达85%。

（2）加工质量提升：铣削表面振纹完全消除，粗糙度Ra稳定在1.6～3.2μm，厚度公差控制在±0.03mm以内，圆度误差不大于0.05mm，产品一次合格率由78%提升至99.5%。

（3）刀具寿命延长：刀片失效形式由冲击崩刃转为正常后刀面磨损，平均使用寿命由原来的约15～20件/把延长至约60～80件/把，延长约400%。按年加工量折算，硬质合金刀片消耗成本下降约45%。

（4）加工效率提高：切削参数完全恢复并略有提升（fz提升至0.18 mm/z，ap提升至2.8 mm），单件铣削工时缩短约30%，单台设备日产量由约40件/天提升至约80件/天，彻底解除了该工序的产能瓶颈。 

4波齿车齿机水平随动扶正气缸总成研制

4.1 扶正机构设计与关键元件选型

针对水平切削力补偿需求，自主设计了一套气动推拉式随动扶正总成，总长685mm，气缸有效行程75mm。其核心构成与功能如下。

（1）气缸定位板：采用4mm厚304不锈钢板，通过螺栓组与原车齿机后部平台稳固连接，确保承载平台具有足够的连接刚度。

（2）标准气缸：选型SC63×75，缸径63mm，在0.5MPa工作气压下理论输出力约1550N，远大于实测最大水平切削分力（约600N），动力裕度充足。75 mm行程确保在非加工位置时扶正机构能完全退回，不干涉工件装卸操作。

（3）扶正机构总成：中间定位轴采用经调质处理的40CrMo合金钢传动轴（ϕ35mm），经磨削加工，表面粗糙度Ra<0.8μm，确保抽拉顺畅。两侧定位块采用黑色聚四氟乙烯材料，利用其自润滑特性避免滑动面拉伤，同时吸收高频微振动，经加工中心铣削保证中心高度一致，防止抽拉过程别劲，兼具减摩与限位功能。加固滚轮定位块兼具箍紧中间定位轴与固定扶正轴承的双重作用，提供抵消水平切削力的支撑。轴承两侧定位锁扣用于固定钢环下方的支撑轴承，确保扶正力的可靠传递。

4.2 气动联控与加工流程集成

将气缸的气动管路以串联方式接入设备原有气控系统，并与主轴启动、进给循环实现电气联锁。自动化工作流程设定如下：

（1）待机位：气缸处于缩回状态，上部空间开放，操作者将6英寸以上钢环装夹至主轴专用定位胎具。

（2）加工启动：按下循环启动按钮后，系统首先触发扶正气缸伸出，扶正轴承平缓接触钢环待加工区域背侧壁面。气路中设置的精密调压阀确保接触力恒定（工作气压设定为0.3～0.4MPa，相应扶正力约900～1200N），该力值既足以抵抗水平切削力，又不致引起工件额外变形。在意外断气时，气缸具备自锁功能（加装单向阀），防止扶正力瞬间消失导致工件飞出，确保安全性。

（3）切削过程：主轴旋转，刀具径向进给进行内外环槽车削。在切削力Fp试图将工件推离刀具的瞬间，对侧始终有扶正滚动轴承以大小相当的力将工件推回，形成被动伺服式力平衡。轴承外圈随工件同步旋转，接触为纯滚动，无滑动摩擦与划伤。

（4）加工完成：刀具退回后，电磁阀换向，气缸立即缩回，扶正机构脱开，主轴停转，操作者可安全上下料，整个循环无需人工干预。

4.3 改造后的技术成效

水平扶正机构投用后，大规格钢环车削工序的堵点得到有效攻克，主要体现在以下方面。

（1）形位精度显著提升：内外环槽对称度误差由改造前的±0.15mm控制在±0.03mm以内，环槽轮廓与理论设计曲线的贴合度达95%以上，完全满足密封件技术标准要求。

（2）表面完整性改善：因提供了钢环整体的扶正抵消力，消除了钢环自身刚性薄弱而产生的切削振动，车削表面无鳞刺，粗糙度稳定在Ra3.2μm以内。

（3）自动化与安全水平提高：完全取消了人工手持辅助操作，实现了单人快捷操作，消除了重大的机械卷入安全隐患。

（4）加工效率提升：免除了为预防工件偏移而附加的精整空走刀，车削进给速度可提高约300%，单件车削工时显著缩短，日产量达约300件/天，打通了大规格钢环的又一产能堵点。

5综合应用效果与经济效益

两项改造协同实施后，6寸以上垫片钢环的车、铣加工全流程形成了闭环的质量与效率控制。将改造前后的关键指标进行量化对比（以12寸典型工件为例），如表1所示：

表1  12寸钢环加工对比数据

综合效益体现在以下多个方面：

（1）质量层面：产品质量稳定性实现质变，返修与报废损失趋近于零，产品一次合格率由改造前的78%跃升至99.5%以上。

（2）产能层面：生产节拍显著加快，同等工时下综合产能提升约300%，彻底满足了大直径密封垫片所需内外钢环的及时供应，消除了外委加工的依赖。

（3）设备维护层面：设备非正常停机维修频次下降逾70%，主轴轴承与导轨的损伤显著减少，设备使用寿命延长。

（4）经济效益层面：全部改造均由班组自主设计制作完成，硬件成本明细如下：SC63×75气缸1件、40CrMo传动轴1根（自制）、聚四氟乙烯块若干、滚动轴承2套、ϕ127×17mm无缝钢管及紧固件若干，合计硬件投入不足2000元。相比采购专用设备或委托外协加工，结合每年节约的刀具损耗费用与外协加工费用，年综合经济效益近百万元，投入产出比极高。

6结论

（1）针对大直径薄壁钢环铣削颤振难题，设计的“承载基座+随转扶持顶尖”双向约束加固工装，通过将悬臂受力体系转化为高刚度框架结构，形成闭环的刚性支撑，可从根本上抑制铣削振动，使表面振纹消失，加工精度与刀具寿命同步提升。

（2）针对波齿专用车齿机无法平衡水平切削分力的结构缺陷，创新研制了气缸驱动随动扶正轴承总成，实现了水平力的实时动态补偿与工件的无损伤扶正，解决了大规格钢环环槽加工的径向让刀及齿形无法成型的难题，同时实现了自动化安全生产。

（3）两项设备专项技改立足现场、成本低廉、效果显著，协同打通了6英寸及以上垫片钢环铣、车工序加工堵点，形成了一套完整的工艺装备保障体系。该研究提出的“力约束（刚性加固）+力补偿（动态扶正）”并重的技改思路，对于解决石化、电力、船舶等行业中大直径薄壁环形件在通用设备上的稳定加工难题，具有重要的借鉴意义与广阔的推广应用价值。

参考文献

[1] 王先逵. 机械加工工艺手册[M]. 北京:机械工业出版社, 2018.

[2] 李剑峰, 孙杰. 薄壁环形件切削振动抑制工装设计与应用[J]. 现代制造工程, 2021(06): 112-117.

[3] 张鹏. 数控车铣设备气动辅助支撑装置改造研究[J]. 机械工程师, 2023(02): 78-81.

[4] 师汉民. 机械振动系统——分析·测试·建模·对策[M]. 武汉:华中科技大学出版社, 2004.

[5] 庄肃青, 畅广西, 张海燕. 常减压蒸馏装置的减压深拔技术[J]. 炼油技术与工程, 2010, 40(5): 6-11.