汽輪機低壓內(nèi)缸大直徑非標(biāo)螺紋加工研究

陳 雪

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控技術(shù)系，內(nèi)蒙古 包頭 014030)

在重型機械、航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域，一些大型設(shè)備的聯(lián)接結(jié)構(gòu)常采用大直徑非標(biāo)螺紋聯(lián)接。受其工件結(jié)構(gòu)和螺紋牙型特殊性的影響，加工相對比較困難。采用傳統(tǒng)的螺紋加工方法，如普通攻螺紋、剛性攻螺紋和手動攻螺紋等，往往存在裝夾困難、效率低下、加工成本高等問題，極大地限制了大直徑非標(biāo)螺紋的生產(chǎn)應(yīng)用。因此，如果大、重型數(shù)控機床，尤其是使用時間較長和改造后的舊機床，它們所使用的大都是齒輪箱傳動、直流電動機驅(qū)動，雖然裝有編碼器，但是由于直流電動機的品質(zhì)特性和齒輪箱傳動性能的限制，主軸狀況不好，轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，甚至?xí)a(chǎn)生很大波動，且所加工的非標(biāo)螺紋孔直徑大，孔徑大于20 mm甚至100 mm的孔進行攻螺紋時，就增加了斷裂的危險，如果絲錐斷在被加工螺紋孔中，堵塞螺紋孔，可能會報廢昂貴的工件。另外，對于一些有特殊結(jié)構(gòu)要求的不允許有過渡扣或退刀槽等特殊要求的零件，采用傳統(tǒng)的螺紋加工方法很難進行有效的加工。因此對于上述情況，大直徑非標(biāo)螺紋的加工就成了不得不面對的問題[1]。

1 螺紋銑削的原理

采用與被加工螺紋相同齒形的刀刃的螺紋銑刀，刀具在水平平面上每運動1周，垂直平面直線移動1個螺距P，重復(fù)這個加工過程就完成了螺紋的加工(見圖1)。在實際加工中，螺紋銑刀在主軸的帶動下進行螺旋銑削加工，每螺旋銑削1周，刀具的Z軸方向移動1個螺紋的螺距值[2]。

對于大直徑或非標(biāo)螺紋還可以采用銑削的方法加工(見圖2)，可利用G02、G03的螺旋線插補功能實現(xiàn)內(nèi)、外螺紋的優(yōu)削加工。用此方法必須得到螺旋線插補半徑值，才能進行螺紋銑削加工[3]。

1)銑削內(nèi)螺紋時螺旋線插補半徑的確定方法如下：a.在主軸上裝夾好螺紋銑刀，找正螺紋孔中心與主軸重合；b.將主軸旋轉(zhuǎn)后，用手動方式使螺紋銑刀下降到已加工好的螺紋底孔內(nèi)，并沿X軸(或Y軸)慢慢移動；c.當(dāng)?shù)都饨佑|到孔壁時，記下從中心到此處的移動量b，并沿其反向移動后，使螺紋銑刀上升；d.此時得到螺旋線插補半徑為a+0.65P(P是螺距)[4]。

2)銑削外螺紋時螺旋線插補半徑的確定方法如下：a.在主軸上裝夾好螺紋銑刀，找正螺紋孔中心與主軸重合；b.將主軸旋轉(zhuǎn)后，用手動方式使螺紋銑刀沿X軸(或Y軸)慢慢移動，下降到已加工好的螺紋外徑圓柱以外，再反向慢慢移動；c.當(dāng)?shù)都饨佑|到圓柱外壁時，記下從中心到此處的移動量b，并沿其反向離開圓柱外壁后，使螺紋銑刀上升；d.此時得到螺旋線插補半徑為a-0.65P(P是螺距)[5]。

2 大直徑非標(biāo)螺紋的加工實例

螺紋孔是汽輪機低壓內(nèi)缸的一部分，汽輪機低壓內(nèi)缸外殼上的螺紋孔很多，通常都是成組呈均勻分布或?qū)ΨQ分布。圖3所示為汽輪機低壓內(nèi)缸，由于螺紋直徑較大，且為非標(biāo)螺紋，因此，采用傳統(tǒng)的攻螺紋是無法滿足的，必須使用單刃鏜刀進行螺紋鏜削加工。下述引入了一種在實際加工中已經(jīng)使用的、比較新的大直徑螺紋銑床加工方法，用螺紋銑刀加工圖4所示的螺紋尺寸M50×3，螺紋深度為30 mm。假設(shè)a=11.15 mm，則R=11.15+0.65×3=13.1 (mm)。

由于該零件為汽輪機低壓內(nèi)缸的一部分，其整體為配合件。加工螺紋主要是為了把合需要，其各個螺紋孔的深淺不一，位置也不同。考慮到把合的準(zhǔn)確性和強度，要求螺紋孔的定位精度和螺紋螺距的準(zhǔn)確，同時對螺紋的表面粗糙度也有一定的要求。由于汽輪機低壓內(nèi)缸是個體積很大的工件，為了達到其把合強度和工藝要求，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計圖樣要求加工[6]。

工序安排如下：1)首先進行把合面的加工；2)使用φ48 mm鉆頭進行螺紋底孔的加工；3)按照圖樣的公差要求，再使用鉸刀對一些特定孔進行加工，如對把用孔、定位銷孔、非通螺紋孔等；4)最后使用螺紋銑刀進行M50×3螺紋加工。

3 加工參考程序

因為本例主要講述大直徑非標(biāo)螺紋的加工方法，所以在下述參考程序中將前三道工序程序省略。螺紋加工參考程序如下。

主程序：

O0123 (主程序)

N10 T1 М06; (換T1號螺紋銑刀)

N20 G54 G00 G90 G43 H1 Z100 M03 S1000; (主軸正轉(zhuǎn)，調(diào)出工件零和刀具長度補償)

N30 G00 X13.1 Y0; (刀具快速定位)

N50 M98 P191233; (調(diào)用子程序19次，Z從+5到-33)

N60 G90 G00 X0 Y0; (快速返回到孔的中心)

N70 G00 Z100 M09 M30; (Z軸返回到Z100處，切削液關(guān)，主程序結(jié)束)

子程序：

01233; (子程序名)

N10 G91 G02 I-13.1 Z-3 F150; (螺旋線插補加工內(nèi)螺紋)

N20 M99; (子程序結(jié)束并返回主程序)

1)本參考程序為螺紋切削程序，僅為整個零件加工的一部分，需要在鉆完孔基礎(chǔ)上進行，故在編程時，將其作為子程序來進行調(diào)用；并且由于各個孔工件坐標(biāo)都不同，為了達到通用性，程序中使用的是相對坐標(biāo)編程。

2)為了便于把合，本工件對螺紋的表面粗糙度有較高的要求，故加工時應(yīng)減少粘刀和毛刺。不難發(fā)現(xiàn)，在參考程序中所使用的加工路線是由內(nèi)而外的。這樣的加工路線尤其是在對加工不通孔時可以顯著減少鐵屑的粘連，有條件的情況下還可以使用高壓空氣吹洗或是用切削液進行沖洗[7]。

4 加工技巧與禁忌

1)對于機床幾何精度，尤其是重復(fù)定位精度較差的機床不適合使用本工序安排。

2)本方法耗時較長，加工螺紋效率不是太高；并且本方法需要主軸長時間高速運轉(zhuǎn)，影響主軸壽命，故其主要適用于因無主軸編碼器或主軸轉(zhuǎn)速波動較大等原因而不具備剛性攻螺紋能力的鏜銑床；同時所加工的螺紋孔較大無法使用鉗工進行手動攻螺紋。通常情況下，大、重型機床使用較多，尤其是改造后的舊機床[8]。

3)加工完成后，為了避免撞刀，應(yīng)先暫停觀察一下，然后選擇按原程序退刀或者手動退刀。尤其對大、重型數(shù)控鏜銑床來說更是如此。這也就要求操作者必須小心留意，以免出現(xiàn)意外。

4)為了更好地排出鐵屑，通常情況下多使用進行切削液沖洗。這樣既可以有良好的排屑，又可以延長刀具壽命。但是對于沒有油水分離設(shè)備或床身、護罩、進給齒輪箱密封不好的機床，尤其是使用靜壓的大、重型機床來說是相當(dāng)危險的。它會造成靜壓油變質(zhì)或堵塞油路，使機床陷人癱瘓。因此大多數(shù)情況選擇使用風(fēng)冷，用高壓空氣進行吹洗[9]。

5 結(jié)語

經(jīng)生產(chǎn)實際驗證，采用螺紋銑刀和上述加工程序進行螺紋加工時，程序運行時間短，只需6 min；表面質(zhì)量好，表面粗糙度可達Ra0.8 μm；螺紋中徑控制精確，一致性好，連續(xù)加工多個螺紋孔，螺紋中徑均無變化；刀具耐用度高，并且不需要定制非標(biāo)專用絲錐，大大降低了刀具的成本[10]。在滿足使用要求和加工精度的前提條件下，應(yīng)盡可能采用螺紋銑削加工方式加工螺紋，可擴大數(shù)控設(shè)備的加工范圍，減少生產(chǎn)投入，提高零件加工效率，具有加工精度高并對大直徑及非標(biāo)螺紋加工方便等諸多優(yōu)勢，因此成為了汽輪機低壓內(nèi)缸中大直徑非標(biāo)螺紋加工的重要技術(shù)手段。