弧門面板加工新工藝的探索與應(yīng)用

杜 靜 俠， 彭 建 國， 田 文 恒

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830；2.四川岷江港航電開發(fā)有限責任公司，四川 成都 614400)

1 概 述

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內(nèi)，距天全縣城37 km，距雅安市約72 km。工程布置有混凝土面板堆石壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪放空洞、生態(tài)機組、引水系統(tǒng)及電站廠房等，電站裝機容量為220 MW。鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門為潛孔弧形閘門，孔口尺寸為4 m(寬)×4.4 m(高)，門葉寬度為4 m，弧門面板外緣弧面半徑為9 504 mm±2 mm，設(shè)計水頭100 m。該弧門的結(jié)構(gòu)形式為雙主橫梁直支臂結(jié)構(gòu)，主橫梁和支臂為箱型結(jié)構(gòu)，弧門面板及止水均布置于上游側(cè)，弧門面板外緣為貼焊不銹鋼板，門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)和鉸鏈在廠內(nèi)整體組裝后須對門葉面板外緣的不銹鋼弧面進行整體機加工后方可使用，該加工面弧長約7.5 m。門葉結(jié)構(gòu)不分段，制造后為一個門葉結(jié)構(gòu)并整體運輸至工地。

在水利水電工程中，弧形閘門的應(yīng)用較為廣泛，要求對面板進行加工的弧形閘門主要是水頭較高的深孔(潛孔)弧形閘門，該類弧形閘門的設(shè)計水頭高達近100 m，有的甚至超過100 m，故對其止水效果有更高的要求。尤其是在弧形閘門啟閉過程中，由于面板弧度偏差而導(dǎo)致頂止水射水會引發(fā)弧門震動、進而影響到弧門的安全運行，因此，必須對弧門面板進行加工以提高其止水效果。但此類弧形閘門的孔口尺寸和弧門尺寸通常不大，比露頂式弧形閘門和低水頭潛孔弧形閘門小很多，鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門即屬于閘門尺寸不大、但面板要求加工的高水頭潛孔弧形閘門。此類弧形閘門面板加工的難點在于其加工后既要滿足弧度要求，又要達到門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)與弧門鉸鏈整體拼裝的要求，因而對加工設(shè)備和加工工藝提出了更高的要求，致使弧門面板加工不易實現(xiàn)且難以普及，看似普通的弧形閘門卻存在較大的制造難度，必須對其實施技術(shù)創(chuàng)新并優(yōu)化工藝以提升弧門面板加工的能力。

2 弧門面板加工方式研究

目前該類常規(guī)弧門面板加工的方式主要有：(1)采用數(shù)控鏜床，將單節(jié)門葉結(jié)構(gòu)裝夾在數(shù)控鏜床的工作臺上完成弧面加工；(2)在門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)與鉸鏈整體組裝的狀態(tài)下，采用工藝支臂支承鏜銑設(shè)備，工藝支臂可繞鉸鏈軸孔中心旋轉(zhuǎn)，待鏜銑設(shè)備一個工位的橫向加工結(jié)束后，工藝支臂繞鉸鏈軸孔中心旋轉(zhuǎn)使鏜銑設(shè)備進入下一工位進行加工，依此類推，完成弧門面板的整體加工作業(yè)。第一種加工方式以單節(jié)門葉結(jié)構(gòu)為加工單元依次完成弧門面板的加工。加工前，需將門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)與弧門鉸鏈整體拼裝以確定加工基準，分解后再進行面板加工，其弧門面板的加工效果需待門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)和弧門鉸鏈再次整體組裝后才能體現(xiàn)，工作量較大且對加工設(shè)備的要求高。而第二種加工方式則需要在一些如基坑等特殊場地內(nèi)進行，且加工前需完成工藝支臂及工藝鉸鏈、鏜銑設(shè)備的安裝和調(diào)試，工作量大，加工過程操作繁瑣，加工效率低并存在大量高空作業(yè)，安全風險高。兩種方法均存在多種弊端且不易實施。

項目部技術(shù)人員經(jīng)過多方面的分析比對，針對鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門面板貼焊不銹鋼板的結(jié)構(gòu)特點及目前常規(guī)的弧門面板加工工藝存在的不足，綜合現(xiàn)有加工設(shè)備、加工工藝、加工質(zhì)量、加工狀態(tài)、加工場所、施工安全等多種因素開展了大量的技術(shù)創(chuàng)新和實踐，不斷探索新的加工工藝與方法，研制并推薦了一種新的加工工藝方案，即采用移動式加工設(shè)備進行弧門面板整體加工的工藝方案。具體為：弧門門葉結(jié)構(gòu)側(cè)臥與支臂結(jié)構(gòu)和鉸鏈整體組裝后，將移動式加工設(shè)備吊至弧門面板外緣一側(cè)找正裝夾后對弧門面板外緣進行加工。該工藝方案具有的主要優(yōu)點：(1)實現(xiàn)了弧門面板整體加工，有利于對整體尺寸的控制。(2)加工設(shè)備制備費用低且具有較好的靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)弧門組裝位置和加工部位的變化，加工作業(yè)場所可選擇面廣、加工費用低。(3)弧門側(cè)臥式整體組裝高空作業(yè)少，加工設(shè)備的找正裝夾方便，加工操作靈活，加工尺寸的測量控制簡單并準確。(4)只需進行一次弧門整體組裝(即面板加工結(jié)束后整體組裝狀態(tài)不變，完成側(cè)輪等部件裝配和自檢合格后即可開展相應(yīng)的驗收工作)，施工成本低。該工藝存在的缺點主要是：移動式加工設(shè)備需裝夾2～3次才能完成全弧面的加工作業(yè)，加工設(shè)備的多次找正裝夾將占用一部分加工時間。

綜合上述弧門面板加工方式的分析比對可以看出：新的加工工藝方案優(yōu)點突出且易實現(xiàn)弧門面板的整體加工，加工費用和施工成本低。雖然移動式加工設(shè)備的多次找正裝夾會占用一部分加工時間，但加工設(shè)備的找正裝夾時間較短，對加工效率的影響較小。分析比對后最終確定采用移動式加工設(shè)備進行弧門面板整體加工的工藝方案對鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門面板進行整體加工。

3 加工設(shè)備的研制

加工方式?jīng)Q定著加工工藝的制定，因此，選擇合適的加工設(shè)備是其關(guān)鍵。技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有實際條件，群策群力，不斷改進，設(shè)計并制作了一臺移動式加工設(shè)備。該移動式加工設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，具有很好的剛性，能夠滿足吊裝轉(zhuǎn)移不變形、加工穩(wěn)定性好的要求。其導(dǎo)軌采用鑄鐵加工而成，切削動力為15 kW的鏜銑動力頭，變頻無級調(diào)速電機通過絲桿傳動實現(xiàn)鏜銑動力切削進給。該移動式加工設(shè)備具有X、Y、Z三坐標方向的自動進給切削，鏜銑動力頭還能在XY水平面內(nèi)和YZ立面旋轉(zhuǎn)任意角度，加工時具有5坐標鏜銑功能。根據(jù)加工需要，將該移動式加工設(shè)備吊裝布置到所需要的位置找正裝夾后即可進行加工作業(yè)，能夠適應(yīng)工件的裝夾位置和加工部位的變化。該移動式加工設(shè)備不僅能實現(xiàn)弧門面板的加工，還能應(yīng)用于其它產(chǎn)品的鏜銑加工，其一次裝夾加工范圍大，適用范圍廣。

4 弧門面板加工工藝及控制措施

4.1 創(chuàng)建三維模型模擬加工

為實現(xiàn)加工作業(yè)的順利進行，提升加工質(zhì)量，技術(shù)人員應(yīng)用BIM技術(shù)，依據(jù)設(shè)計圖紙創(chuàng)建了門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)和鉸鏈三維模型[1]，并在三維軟件中完成了整體組裝和模擬加工，完善并優(yōu)化了工藝，確保了各項作業(yè)精準受控。

在三維軟件中，通過設(shè)定相應(yīng)的碰撞檢測規(guī)則進行碰撞檢測，根據(jù)碰撞檢測結(jié)果快速定位碰撞點并檢測整體組裝狀態(tài)下各部件之間配合的準確性，以便為進一步優(yōu)化弧門面板外弧面貼焊不銹鋼板的工藝方法和面板整體加工工藝提供參考。利用三維模型進行三維可視化施工技術(shù)交底，使施工技術(shù)交底更加形象和準確。運用BIM三維管理平臺，在貼焊不銹鋼板、整體組裝、整體加工等施工過程中，按照相關(guān)三維標準錄入相應(yīng)的施工過程信息，確保了加工的及時性及準確性。

4.2 工作平臺的搭設(shè)及基準放樣

根據(jù)弧門尺寸和場地的實際情況，搭設(shè)了一個主工作平臺和一個輔助工作平臺(均采用型鋼在地面上搭設(shè)框架并在框架上鋪設(shè)鋼板)，兩個工作平臺鋼板上平面的整體水平度不大于2 mm。主工作平臺的大小滿足移動式加工設(shè)備及弧門門葉結(jié)構(gòu)側(cè)臥狀態(tài)裝夾即可，輔助工作平臺布置在弧門整體組裝時弧門鉸鏈軸孔對應(yīng)的地面上，輔助工作平臺為1 m(長)×1 m(寬)。工作平臺搭設(shè)完成后，在主工作平臺的鋼板平面上放樣劃出弧門面板貼裝不銹鋼板的基準線、弧門面板加工基準線及檢查線，在輔助平臺的鋼板平面上放樣劃出弧門鉸鏈軸孔中心基準點并做好相應(yīng)基準的標識。

4.3 弧形閘門整體拼裝及面板貼焊不銹鋼板

以主工作平臺上劃出的基準線為基準，將弧門門葉結(jié)構(gòu)側(cè)臥狀態(tài)找正裝夾固定在主工作平臺上。為避免后續(xù)加工過程中銑刀盤加工至下端時對工作平臺產(chǎn)生干擾，將門葉結(jié)構(gòu)圓弧端面與主工作平臺之間預(yù)留100～150 mm的間距。將弧門的左、右支臂結(jié)構(gòu)分別組裝為一體并與對應(yīng)鉸鏈聯(lián)接后呈水平狀態(tài)吊至與門葉結(jié)構(gòu)進行組裝。組裝結(jié)束后，檢查兩鉸鏈軸孔同心度、支臂對角線誤差、鉸鏈中心與門葉中心的偏差[2]等且需滿足相關(guān)規(guī)范要求。為利于弧門鉸鏈軸孔同軸度控制以及其它以鉸鏈軸孔中心線為基準的尺寸檢測，在鉸鏈軸孔兩端設(shè)置線夾，將穿過兩鉸鏈軸孔中心的鋼琴線兩端分別固定在線夾上，測量時以鋼琴線為基準采用鋼尺直接完成測量以提高尺寸檢測的準確性，避免因多個相對尺寸測量后相加引起的累計誤差或間接尺寸測量造成的尺寸偏差。

根據(jù)鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門設(shè)計圖紙的要求，其面板貼焊不銹鋼板。為便于不銹鋼板貼裝并減少弧門整體拼裝次數(shù)，需在弧門整體拼裝的狀態(tài)下完成不銹鋼板的貼裝和焊接。首先，在弧門面板外弧面上放樣劃出不銹鋼板貼裝基準線，完成貼焊基準線形成的區(qū)格尺寸測量和區(qū)格編號，然后在計算機上排料并設(shè)置塞焊孔，塞焊孔呈梅花樁分布，塞焊孔直徑為14～16 mm，不銹鋼板之間的對接拼裝間隙按8～10 mm控制。采用等離子數(shù)控切割機完成不銹鋼板的分塊切割下料，分塊下料后采用壓膜進行弧度壓制并做好編號。不銹鋼板貼裝時按對應(yīng)編號依次進行，確保不銹鋼板對接焊縫處于門葉梁隔腹板的對應(yīng)位置，不銹鋼板與弧門面板之間須貼合緊密。在準確貼裝過程中，其橫向直線度和弧度、橫向直線度可采用吊線錘測量，弧度采用鋼尺以鉸鏈軸孔中心鋼琴線為基準直接測量并控制圓弧端面處的半徑。

不銹鋼板與弧門面板之間的焊接采用CO2氣體保護焊，選用不銹鋼實芯焊絲，焊絲直徑為1.2 mm，焊接電流為150～200 A，焊接電壓為30～35 V，先焊塞焊，后焊對接焊。焊接時焊工呈對稱分布，采用小焊接參數(shù)焊接以降低焊接線能量并減少熱量輸入，降低焊接變形，采用分段、間隔、退步、多層多道[3]的焊接方法。焊接過程中，各焊工統(tǒng)一步調(diào)，焊接電流、焊接電壓、焊接速度基本保持一致。

4.4 弧形靠模的制備及安裝

為快速準確地完成加工時對刀及進刀量的控制，提高弧面半徑的精度和加工效率，技術(shù)人員自制了一件標準弧形靠模，以該靠模為基準控制進刀?；⌒慰磕５幕《冉?jīng)檢查復(fù)核無誤后找正并將其固定在弧門面板圓弧端面(即門葉結(jié)構(gòu)側(cè)臥狀態(tài)的上水平面)上。

4.5 加工設(shè)備就位及加工

將移動式加工設(shè)備吊至弧門面板外圓弧一側(cè)找正裝夾固定，門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)與鉸鏈整體組裝門葉結(jié)構(gòu)呈側(cè)臥狀態(tài)。鍋浪磽水電站中孔泄洪放空洞工作弧門面板加工情況見圖1。

圖1 鍋浪磽水電站中孔泄洪放空洞工作弧門面板加工示意圖

合理布置移動式加工設(shè)備的裝夾位置，充分利用一次裝夾的有效加工范圍以減少移動式加工設(shè)備的裝夾次數(shù)。移動式加工設(shè)備裝夾固定后，將鏜銑動力頭上升至弧形靠模位置，以弧形靠模為基準調(diào)整鏜銑動力頭的水平角度將銑刀盤對正弧門面板[4]，使銑刀盤主軸中心延長線通過弧門面板的圓心。準備工作就緒后，移動式加工設(shè)備的升降機構(gòu)帶動鏜銑動力頭從上向下完成一個工步的切削加工，鏜銑動力頭上升至頂部，在水平傳動機構(gòu)的作用下帶動鏜銑動力頭橫向移動進行下一工步的對刀及切削，依此類推完成移動式加工設(shè)備一次裝夾有效加工范圍內(nèi)的弧門面板加工作業(yè)。待移動式加工設(shè)備一次裝夾有效加工范圍內(nèi)的加工作業(yè)完成后，松開移動式加工設(shè)備的裝夾壓板，將移動式加工設(shè)備推移至下一個位置裝夾固定后，參照上述步驟繼續(xù)進行加工作業(yè)，依此類推，完成弧門面板全位置加工。

加工用的刀盤直徑[5]不宜選擇過大，加工時分粗加工、半精加工及光刀。根據(jù)不銹鋼面加工導(dǎo)熱快、容易引起燒刀的問題(加工過程中出現(xiàn)燒刀會影響加工質(zhì)量)，應(yīng)選擇耐熱刀片且鏜銑動力頭主軸加工轉(zhuǎn)速不宜過高，同時，加工過程中采用乳化液對刀片進行冷卻。

由于加工是沿弧門面板橫向進行的，接刀位置會產(chǎn)生棱角。為減小接刀棱角的高度，加工用的銑刀盤直徑以60～80 mm為宜，加工進刀時刀盤可覆蓋上一道切削邊10～20 mm，依此類推進行加工以減小加工刀痕寬度，從而降低接刀處的棱角高度，結(jié)合拋光機打磨配合提高加工質(zhì)量。一定要加大弧面加工的檢查力度，發(fā)現(xiàn)超差時應(yīng)及時排查原因并進行消除?；￠T面板加工結(jié)束后，在不銹鋼加工面涂抹油脂并粘貼防銹油紙進行保護。后期進行吊轉(zhuǎn)、放置或運輸裝車時應(yīng)采用橡膠板(皮)隔墊，以避免損傷不銹鋼加工面。

弧門面板加工結(jié)束后，弧門整體組裝狀態(tài)不變，完成側(cè)輪等部件裝配和自檢合格后即可開展相應(yīng)的驗收工作。施工過程中，一定要做好安全防護，正確使用勞保用品，確保安全施工。

該工藝的實施，取得了提高加工效率、縮短制造工期、降低生產(chǎn)成本、使弧門面板加工變得容易實現(xiàn)等良好效果并獲得了2項實用新型專利[移動式框型鏜銑床(專利號：ZL2020 2 1003873.5)和弧形閘門面板加工裝置(專利號：ZL202023116108.7)]授權(quán)，正申請1項發(fā)明專利[弧形閘門面板加工裝置及加工方法(專利號：202011530722.X)，已公開并進入實質(zhì)性審查]。專利還應(yīng)用在超大型人字閘門整體組裝狀態(tài)下的平面加工和鏜孔、超大型平面定輪閘門整體拼裝狀態(tài)下的鏜孔加工及其它產(chǎn)品的加工作業(yè)等，實用性廣，能滿足多種不同的加工需求，解決了超大型閘門整體加工難題并提高了整體尺寸精度和生產(chǎn)效率，縮短了制造工期。

5 結(jié) 語

結(jié)合弧形閘門的結(jié)構(gòu)特點及設(shè)計技術(shù)要求，基于弧形閘門面板加工難度大以及常規(guī)弧門面板加工方式存在的不足，技術(shù)人員通過進行大量的分析比對，開展科技創(chuàng)新、工藝優(yōu)化及加工設(shè)備的研究，探索出采用移動式加工設(shè)備完成弧形閘門整體拼裝狀態(tài)(門葉結(jié)構(gòu)側(cè)臥狀態(tài))下的弧門面板整體加工工藝和方法并在鍋浪蹺水電站中孔泄洪放空洞工作弧門面板整體加工中進行了應(yīng)用，方便快捷地完成了加工作業(yè)，使弧門面板加工難度顯著降低，加工質(zhì)量及精度均達到設(shè)計及規(guī)范要求，一次性通過了驗收。

該工藝的應(yīng)用豐富了弧門面板加工的工藝方法，為弧門面板加工以及其它類似加工作業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化提供了一種新的思路和方法，創(chuàng)新地解決了施工難題，提升了施工技術(shù)和工藝水平，具有較好的參考價值和借鑒意義。鑒于該移動式加工設(shè)備需裝夾2～3次才能完成全弧面的加工作業(yè)，后期應(yīng)對減少裝夾次數(shù)、快速找正裝夾等方面進行進一步的研究。