钢索塔节段端面机加工

1第三章第三章第三章第三章钢索塔节段端面机加工钢索塔节段端面机加工钢索塔节段端面机加工钢索塔节段端面机加工第一节第一节第一节第一节概述概述概述概述节段端面机加工技术在南京三桥钢索塔制造中的作用至关重要。设计对钢索塔架设安装时节段间端面金属接触率的要求，决定了钢索塔线形的控制必须且只能在节段的端面机加工过程中进行。在所有节段中，最小节段外形结构尺寸为8m×6.8m×5m、最小节段重量约为90t。端面机加工的主要精度要求为：平面度为0.25mm/全平面，端面垂直度为1/10000，同时此类大型钢构件由于受空间精密测量技术、工件尺寸对温度变化敏感、工件状态对支撑方式敏感及精确定位难度大等因素影响，其精密加工技术具有明显的难度和复杂性，目前在国际上仅日本、美国等少数几个工业发达国家掌握。针对南京三桥钢索塔节段的机加工，做了大量的科研工作，攻克了不少技术难关，取得了数项技术成果，最终选择的技术路线是先进的测量方法＋数控找正方法＋有效的工件状态控制方法＋普通机加工设备。其中最关键的成果是在测量技术上采用了目前世界上先进的激光跟踪测量仪器TrackerⅡ型API(简称API)，并针对节段机加工开发了测量划线及找正系统软件，这项测量技术能实现对节段在任意姿态下进行可靠高效的精密空间测量、设定节段机加工和安装基准、机加工找正指导等三方面功能，系统总体技术水平达到国际先进水平，部分性能处于国际领先。由于总体技术线路的选择科学合理，关键技术先进可靠，所以最终所有节段的机加工精度均达到了设计要求。根据检测数据统计结果分析，不仅端面机加工两项最主要的精度指标达到了设计要求，其中平面度误差值全部控制在0.25mm之内，端面垂直度误差值全部控制在1/10000之内，而且其余各项机加工精度值也全部达到《南京长江第三大桥钢塔制造及架设工艺标准》的相关要求。2第二节第二节第二节第二节钢索塔节段端面机加工流程钢索塔节段端面机加工流程钢索塔节段端面机加工流程钢索塔节段端面机加工流程南京三桥钢索塔节段端面机加工的流程，以Tn节段加工为例，示于图3.3.1。图3.3.1钢索塔节段端面机加工流程3第三节第三节第三节第三节工艺装备和厂房工艺装备和厂房工艺装备和厂房工艺装备和厂房一一一一、、、、机加工厂房及工艺布局机加工厂房及工艺布局机加工厂房及工艺布局机加工厂房及工艺布局根据南京三桥钢索塔节段端面机加工方案，节段端面机加工在专用厂房内进行，厂房内配置了大型端面机加工专用机床、数控找正系统、API测量系统、节段运输平车及其它辅助设施，采取了有效的隔热和均温措施，机加工厂房工艺布局及实景照片如图3.3.2、3.3.3所示。钢塔节段机加工工艺布局图1机床2床机769024m匹配安装胎架一7.6m7.6m匹配安装胎架二180t门吊节段转向区4m9.4m10.6m均温厂房36m48m30m1500旋臂吊位置摇臂钻位置R52702300350035001号加工位2号加工位划线工位支座塔段运输轨道图3.3.2钢塔节段端面机加工工艺布局图图（尺寸除注明m者外，余为mm）4二二二二、、、、端面机加工专用铣床端面机加工专用铣床端面机加工专用铣床端面机加工专用铣床南京三桥钢索塔节段端面机加工专用铣床是以T6920D大型落地铣镗床为原型，根据索塔节段端面机加工的具体要求改进设计制造。机床精度标准执行JB4367-96，机床外观如图3.3.4所示，机床主要技术规格参数如下：铣镗床立柱行程（x轴）：10000mm主轴箱行程（y轴）：5300mm滑枕行程（z轴）：1200mm主轴转速：2.3〜485r/min主轴箱、立柱进给速度范围（无级）：1〜4000mm/min主轴电机功率：55kW。为了保证机床的精度，在其设计、制造和安装方面采取了如下关键措施：机床关键零部件光栅数显尺采用了从西班牙进口的FAGOR产品，确保机床工作时能可靠地对各轴行程进行高精度检测；机床设有三项精度补偿结构，即主轴箱重心位移补偿、滑枕变形补偿、方滑枕加装附件补偿，为提高机床平面度精度提供了硬件上的保障；机床安装精调时采取了与传统不同的测量方法，使用了高精度的激光跟踪三维测量仪厂房外景厂房内景图2.7.3图2.7.4图3.3.3节段端面机加工厂房图3.3.4节段端面机加工的机床5API，直接对机床安装平面度误差进行监控，使机床最终的安装平面度误差控制到：在10m×5.5m平面范围，误差值最大为0.22mm，明显低于JB4367-96中规定的等效允许误差值。三三三三、、、、TrackerⅡⅡⅡⅡ型激光跟踪测量系统型激光跟踪测量系统型激光跟踪测量系统型激光跟踪测量系统API精密激光跟踪测量系统（如图3.3.5所示）是由美国自动精密工程公司（AutomatedPrecisionInc）制造的精密测量系统。API主要应用于大型工件的尺寸测量和形位误差测量；各种工具和伺服机构的精确定位及相互位置测量；精密结构、机床的精度检测等。TrackerⅡ精密激光跟踪测量系统不仅能高效进行空间目标点的精密测量，而且具有强大的计算机数据处理功能，能迅速对所测目标特征点采集的众多数据进行处理，并根据需要拟合成直线、曲线，平面、曲面等三维图形，立即报告所指定元素之间的距离尺寸或夹角数据。API测量系统曾经在上海磁悬浮工程轨道梁及功能件等大型加工构件的精密测量中得到成功应用，在南京三桥钢索塔节段的制造中使用该系统在国际钢索塔制造领域尚属首次，南京三桥钢索塔节段制造的最终成果表明，API测量系统的应用将钢索塔节段制造的国际先进水平提升到一个新的高度。API测量系统主要技术规格参数如下：参数名称规格测距范围35m测角范围水平方向偏摆角±235º图2.7.5图3.3.5API精密激光跟踪测量系统6垂直方向俯仰角±55º角度分辨率±0.14″距离分辨率1µm坐标测量精度静态±5ppm(2sigma)5m（16.2ft）处25µm（0.001″）动态±10ppm(2sigma)5m（16.2ft）处50µm（0.002″）四四四四、、、、数控液压支撑定位系统数控液压支撑定位系统数控液压支撑定位系统数控液压支撑定位系统数控液压支撑定位系统为快速准确调整节段和机床间的位置及进行支撑反力控制而设计制造的一套高精度专用数字控制找正定位系统（图3.3.6），它由液压顶升单元、液压泵站、控制系统及连接各单元的液压管路、信号电缆、电源线等组成，系统既能用负载作为反馈信号进行力大小调整控制（控制精度±1t），也能用液压顶升部件的工作位移作为反馈信号进行位移调整控制，同时该系统能在控制台上实时显示各顶升部件的工作压力和工作位移。将该系统与TrackerⅡ检测系统配合使用，能准确调整好塔段在机床坐标系中的加工位置。数控液压支撑定位系统工作原理如图3.3.7所示，通过1、2、3、4号顶升部件调整梁段的y向位置及绕x轴y和z轴的偏角，通过5号侧向顶调整塔段绕y轴的偏角。为了保证索塔节段在加工过程中的安全可靠性，尽量减少工件自身变形对加工精度的影响，在1、2、3、4号千斤顶旁边布置了1’、2’、3’、4’辅助支撑千斤顶，辅助支撑不参与塔段的调整定位过程。系统主要技术指标如下（参照图3.3.7坐标系）：绕x轴角度调整控制精度：1/40000绕y轴角度调整控制精度：1/80000绕z轴角度调整控制精度：1/70000z向调整精度：0.1mm7五五五五、、、、起重运输设备起重运输设备起重运输设备起重运输设备根据钢塔节段的最大重量及其它特殊的吊运要求，为该工程特制了一台180t龙门起重机（如图3.3.8），该机也作为机加工中的起重设备用于钢索塔节段的调运及工序过程中加工面的调换。钢塔节段在机加工段中的运输则用动力平车。图3.3.8180t龙门起重机图2.7.7图2.7.6图3.3.6数控找正定位系统图3.3.7数控液压支撑定位系统工作原理简图z8第四节第四节第四节第四节端面切削工艺试验端面切削工艺试验端面切削工艺试验端面切削工艺试验节段端面切削工艺试验的主要目的是优选端面切削刀具和优化工艺参数。为了使试验尽量接近实际生产情况，专门制作节段试验件，试验件端面尺寸和设计图纸完全一致。一一一一、、、、切削刀具优选试验切削刀具优选试验切削刀具优选试验切削刀具优选试验在机械加工中，切削刀具的材质、几何角度、切削参数对工件的加工精度影响很大，也是影响加工效率的关键因素。根据试制件的材质及加工效率的要求，选择了三个刀具公司的产品进行了半精加工对比切削试验，试验结果如表3.3.1所示，根据试验结果选择德国WIDIA端面铣刀（图3.3.9）作为端面铣削加工刀具。半精加工对比试验结果表3.3.1图3.3.9德国WIDIA端面铣刀9二二二二、、、、切削参数优化试验切削参数优化试验切削参数优化试验切削参数优化试验节段端面加工时，切削参数的选用对加工面的平面度、粗糙度、刀具寿命及加工效率等都有直接的影响，所以用不同的切削参数组合进行了多次切削试验，并经过对试验结果进行分析和对比后，最终确定如下切削参数作为端面加工正式生产工艺参数。粗加工切削参数：切削速度：180m/min切削深度：3~4mm进给量：500mm/min半精加工切削参数：切削速度：180m/min切削深度：1-1.5mm进给量：500mm/min精加工切削参数：切削速度：180m/min切削深度：0.3~0.5mm进给量：300mm/min修整加工切削参数：切削速度：180m/min切削深度：0.1~0.3mm进给量：300mm/min三三三三、、、、切削顺序优化试验切削顺序优化试验切削顺序优化试验切削顺序优化试验节段端面加工时刀具的走刀顺序会对端面的加工平面度有较大的影响，为此，我们通过对多种不同的走刀顺序方案进行试切对比，最终选择了如图3.3.10所示走刀顺序。10图3.3.10节段端面机加工的走刀顺序第第第第五节五节五节五节API测量应用技术研究测量应用技术研究测量应用技术研究测量应用技术研究一一一一、、、、影响测影响测影响测影响测API测量精度的主要因素及对策测量精度的主要因素及对策测量精度的主要因素及对策测量精度的主要因素及对策（一）振动由于激光跟踪仪抗振动干扰能力较差，轻微振动即可能使测量坐标系在测量过程中产生漂移，从而可能使所测得的数据失真，对测量结果产生不利影响。机加工厂房主要振源为机床加工产生的振动、平车及叉车等载物移动产生的振动，为尽量降低振动传递产生的测量误差，应对测量仪器摆放点进行隔振处理，在节段进行精加工或精找正或者进行检测时，应尽量避免平车或其它能够引起仪器和工件相对位置变动的物体靠近。对仪器本身而言，可以进行缓冲减振，将仪器摆放位置固定，仪器支脚垫好橡胶薄片，在仪器产生轻振时调整仪器高度，改变其固有频率，避免与振源产生共振。（二）测量环境温度变化11环境温度和工件本身温度的变化会产生测量结果的不一致性。利用API温度补偿功能将测量数据全部补偿到同一特定温度，可以最大限度的降低温度带来的不利影响，减少累计误差，并对各段梁的数据进行比较及累积计算。另外，如果条件允许，测量应选择每天温度变化最小的时间段内进行，如晚上0到3点之间，以降低整个测量过程或作业过程温度变化带来的不利影响。（三）仪器初始化在开始测量时，与很多传统测量工具一样，API需要零位校准，通过简单测量工作空间中几个靶镜的反视角，可迅速了解跟踪仪的校准情况。当进行反视测量时，前后两次测量角度的差值都应小于0.004度，最好小于0.001度。测量的步骤为：将靶镜固定到一个稳定的基座上，距离激光头至少3m远；跟踪仪将测量靶镜的正视位置，然后切换到反视位置，并报告误差（然后重新回到正视状态）；检测反视精度时，建议至少查看一个高点或一个低点。如果前后视误差超出精度范围，就必需进行快速体积补偿，快速体积补偿校准采用四点测量法。激光跟踪仪在4个固定位置（A，B，C，D）进行角度检测（如图3.3.11所示），API测量软件自动计算出6个系统误差参数，并自动补偿。校准点的布设位置按表3.3.2规定进行。校准点的布设位置表3.3.2校准点A固定在墙面上，俯仰角0º±0.5º，距