大直徑汽封弧段內(nèi)孔斜齒制造技術(shù)

東方汽輪機(jī)有限公司 （四川德陽(yáng) 618000） 劉家順 彭熙熙

隨著汽輪機(jī)組汽封裝置不斷更新，現(xiàn)有一種特殊的汽封部件，該零件結(jié)構(gòu)特殊，在常規(guī)零件基礎(chǔ)上增加了靠近端面處內(nèi)孔本體圓周上的斜齒結(jié)構(gòu)要素，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該斜齒制造難度大，如何制定合適的工藝方案。解決該類零件斜齒的制造難題。

圖1 斜齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.結(jié)構(gòu)特征

該汽封屬于整圈結(jié)構(gòu)，由多個(gè)弧段結(jié)構(gòu)組成，零件外徑≥φ700mm，在常規(guī)汽封零件基礎(chǔ)上，增加了靠近端面處內(nèi)孔本體整個(gè)圓周上的斜齒結(jié)構(gòu)。該斜齒與軸線成45°傾斜角度，沿內(nèi)孔圓周齒距間隔≥2°，齒數(shù)超過100個(gè)，斜齒齒尖寬度＜1.5mm，齒高≥4mm，且軸向方向上斜齒結(jié)構(gòu)與鄰近零件部分間距很小。

2.難點(diǎn)分析

通過分析，該零件斜齒的加工主要有如下難點(diǎn)：

（1）圓周方向斜齒數(shù)量較多，保證各斜齒的角度有一定難度。

（2）斜齒齒形特殊，加工難度較大，制定何種加工方案以高效完成齒形。

（3）斜齒齒尖比較薄，需制定合適的加工方案和切削參數(shù)，保證尺寸要求。

（4）通過上述分析可以得出：該斜齒的最大加工難點(diǎn)為如何實(shí)現(xiàn)對(duì)斜齒部分高效、高質(zhì)的加工。

3.制造方案

根據(jù)對(duì)該零部件斜齒的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)分析，針對(duì)斜齒的加工，制定了多種工藝方案，并且對(duì)各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，如附表所示。

4.方案實(shí)施

根據(jù)附表對(duì)比分析，并結(jié)合目前公司的實(shí)際情況，通過開展銑削加工中三種方案的對(duì)比切削試驗(yàn)：最終確定了成形銑刀銑削方案，及上述表格中方案1，同時(shí)對(duì)方案1進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化。

常規(guī)大直徑零件進(jìn)行徑向分度加工，均需選用大于該零件直徑的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，通過工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心，進(jìn)行分度加工。但針對(duì)該弧段內(nèi)孔斜齒結(jié)構(gòu)加工，存在如下問題：

（1）零件直徑較大，單弧段加工，要求旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)較大，即機(jī)床規(guī)格較大；但實(shí)際零件弧段較短，從機(jī)床選擇來(lái)說，零件和機(jī)床不匹配。

（2）根據(jù)該零件斜齒結(jié)構(gòu)，需從內(nèi)孔加工，這樣刀具或主軸需懸伸較長(zhǎng)進(jìn)行加工，刀具及機(jī)床剛性變差，導(dǎo)致加工發(fā)顫，影響斜齒加工質(zhì)量。

為解決以上問題，經(jīng)過數(shù)學(xué)分析及利用數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)，探索了一種新方案：使用工作臺(tái)尺寸相對(duì)較小的臥式加工中心實(shí)現(xiàn)對(duì)斜齒的加工。

該方案為：利用較小工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后各加工點(diǎn)的數(shù)學(xué)計(jì)算位置建立浮動(dòng)坐標(biāo)系，數(shù)控程序編制基本循環(huán)為分度、銑削、分度、銑削……，因此，用于分度定位的工件坐標(biāo)系與用于單個(gè)齒槽銑削的浮動(dòng)坐標(biāo)系需在程序中交叉使用，其坐標(biāo)系換算示意如圖2所示。圖2a是初始裝夾狀態(tài)：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)至0°，工件裝夾后圖示OAO' 三點(diǎn)連線與Z軸平行。圖2b表示，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)后：工作臺(tái)回轉(zhuǎn)角度α，工件相應(yīng)加工位置P點(diǎn)X、Z值發(fā)生變化。

斜齒齒形加工工藝方案

圖2 臥式加工中心銑削坐標(biāo)系換算示意

其計(jì)算公式如下：

ΔX=(R+D) sinα

ΔZ=－(R+D) (1－cosα)

根據(jù)該創(chuàng)新方案，此零件在臥式加工中心（MDH80）上的數(shù)控加工程序編制方法也迎刃而解。通過加工試驗(yàn)驗(yàn)證，該工藝方案加工的斜齒滿足要求；同時(shí)根據(jù)不同工件的規(guī)格尺寸，用宏程序變量實(shí)現(xiàn)程序的柔性使用，能完美地解決此類大直徑零件的加工問題，該程序框架示意如圖3所示。

圖3 臥式加工中心銑削程序框架示意

為提高加工效率，設(shè)計(jì)了如圖4所示的成形銑刀，即單個(gè)斜齒槽的兩側(cè)面通過成形銑刀側(cè)刃直接銑削成形。

圖4 斜齒成形銑刀

5.試驗(yàn)結(jié)果

通過方案優(yōu)化以及實(shí)際加工試驗(yàn)驗(yàn)證，制定的工藝方案加工過程中刀具無(wú)發(fā)顫現(xiàn)象，齒形各面加工后表面粗糙度值達(dá)到Ra=3.2μm，滿足圖樣要求；同時(shí)單個(gè)齒槽加工時(shí)間為2min，整圈工件加工只需6h左右，加工效率比較高。

6.結(jié)語(yǔ)

通過以上對(duì)該零件斜齒的分析及試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮零件的加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率，最終確定了成形刀具銑削加工方案（即附表中方案1）。該加工方案雖增加了一部分成形刀具成本，但其制造精度及生產(chǎn)效率大幅度提高；同時(shí)通過方案創(chuàng)新為優(yōu)化分配設(shè)備資源提供了一種新的方案，通過正式產(chǎn)品加工驗(yàn)證，該工藝方案滿足此類新型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的加工精度要求及產(chǎn)品產(chǎn)出進(jìn)度要求。

此種采用小直徑工作臺(tái)分度加工大直徑零件內(nèi)孔斜齒的工藝方案，可以充分利用數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，降低機(jī)床占用成本，同時(shí)對(duì)類似零件的加工有很好的借鑒意義。