大直徑汽封弧段內孔斜齒制造技術

東方汽輪機有限公司 （四川德陽 618000） 劉家順 彭熙熙

隨著汽輪機組汽封裝置不斷更新，現有一種特殊的汽封部件，該零件結構特殊，在常規零件基礎上增加了靠近端面處內孔本體圓周上的斜齒結構要素，其結構如圖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 斜齒結構簡圖

1.結構特征

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

2.難點分析

通過分析，該零件斜齒的加工主要有如下難點：

（1）圓周方向斜齒數量較多，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，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為如何實現對斜齒部分高效、高質的加工。

3.制造方案

根據對該零部件斜齒的結構難點分析，針對斜齒的加工，制定了多種工藝方案，并且對各種方案的優缺點進行了詳細分析，如附表所示。

4.方案實施

根據附表對比分析，并結合目前公司的實際情況，通過開展銑削加工中三種方案的對比切削試驗：最終確定了成形銑刀銑削方案，及上述表格中方案1，同時對方案1進行了創新優化。

常規大直徑零件進行徑向分度加工，均需選用大于該零件直徑的旋轉工作臺，通過工作臺旋轉中心，進行分度加工。但針對該弧段內孔斜齒結構加工，存在如下問題：

（1）零件直徑較大，單弧段加工，要求旋轉工作臺較大，即機床規格較大；但實際零件弧段較短，從機床選擇來說，零件和機床不匹配。

（2）根據該零件斜齒結構，需從內孔加工，這樣刀具或主軸需懸伸較長進行加工，刀具及機床剛性變差，導致加工發顫，影響斜齒加工質量。

為解決以上問題，經過數學分析及利用數控機床特點，探索了一種新方案：使用工作臺尺寸相對較小的臥式加工中心實現對斜齒的加工。

該方案為：利用較小工作臺旋轉后各加工點的數學計算位置建立浮動坐標系，數控程序編制基本循環為分度、銑削、分度、銑削……，因此，用于分度定位的工件坐標系與用于單個齒槽銑削的浮動坐標系需在程序中交叉使用，其坐標系換算示意如圖2所示。圖2a是初始裝夾狀態：工作臺回轉至0°，工件裝夾后圖示OAO' 三點連線與Z軸平行。圖2b表示，工作臺回轉后：工作臺回轉角度α，工件相應加工位置P點X、Z值發生變化。

斜齒齒形加工工藝方案

圖2 臥式加工中心銑削坐標系換算示意

其計算公式如下：

ΔX=(R+D) sinα

ΔZ=－(R+D) (1－cosα)

根據該創新方案，此零件在臥式加工中心（MDH80）上的數控加工程序編制方法也迎刃而解。通過加工試驗驗證，該工藝方案加工的斜齒滿足要求；同時根據不同工件的規格尺寸，用宏程序變量實現程序的柔性使用，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，設計了如圖4所示的成形銑刀，即單個斜齒槽的兩側面通過成形銑刀側刃直接銑削成形。

圖4 斜齒成形銑刀

5.試驗結果

通過方案優化以及實際加工試驗驗證，制定的工藝方案加工過程中刀具無發顫現象，齒形各面加工后表面粗糙度值達到Ra=3.2μm，滿足圖樣要求；同時單個齒槽加工時間為2min，整圈工件加工只需6h左右，加工效率比較高。

6.結語

通過以上對該零件斜齒的分析及試驗結果，綜合考慮零件的加工質量及生產效率，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效率大幅度提高；同時通過方案創新為優化分配設備資源提供了一種新的方案，通過正式產品加工驗證，該工藝方案滿足此類新型結構產品的加工精度要求及產品產出進度要求。

此種采用小直徑工作臺分度加工大直徑零件內孔斜齒的工藝方案，可以充分利用數控機床的特點，降低機床占用成本，同時對類似零件的加工有很好的借鑒意義。