汽輪機低壓內缸大直徑非標螺紋加工研究

陳 雪

(包頭職業技術學院 數控技術系，內蒙古 包頭 014030)

在重型機械、航空航天、軍事裝備等領域，一些大型設備的聯接結構常采用大直徑非標螺紋聯接。受其工件結構和螺紋牙型特殊性的影響，加工相對比較困難。采用傳統的螺紋加工方法，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螺紋的生產應用。因此，如果大、重型數控機床，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、直流電動機驅動，雖然裝有編碼器，但是由于直流電動機的品質特性和齒輪箱傳動性能的限制，主軸狀況不好，轉速不平穩，甚至會產生很大波動，且所加工的非標螺紋孔直徑大，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，對于一些有特殊結構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內、外螺紋的優削加工。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.將主軸旋轉后，用手動方式使螺紋銑刀下降到已加工好的螺紋底孔內，并沿X軸(或Y軸)慢慢移動；c.當刀尖接觸到孔壁時，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.當刀尖接觸到圓柱外壁時，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 大直徑非標螺紋的加工實例

螺紋孔是汽輪機低壓內缸的一部分，汽輪機低壓內缸外殼上的螺紋孔很多，通常都是成組呈均勻分布或對稱分布。圖3所示為汽輪機低壓內缸，由于螺紋直徑較大，且為非標螺紋，因此，采用傳統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。考慮到把合的準確性和強度，要求螺紋孔的定位精度和螺紋螺距的準確，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，應嚴格按照設計圖樣要求加工[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，調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，主程序結束)

子程序：

01233; (子程序名)

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

N20 M99; (子程序結束并返回主程序)

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，需要在鉆完孔基礎上進行，故在編程時，將其作為子程序來進行調用；并且由于各個孔工件坐標都不同，為了達到通用性，程序中使用的是相對坐標編程。

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，故加工時應減少粘刀和毛刺。不難發現，在參考程序中所使用的加工路線是由內而外的。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，影響主軸壽命，故其主要適用于因無主軸編碼器或主軸轉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危險的。它會造成靜壓油變質或堵塞油路，使機床陷人癱瘓。因此大多數情況選擇使用風冷，用高壓空氣進行吹洗[9]。

5 結語

經生產實際驗證，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，應盡可能采用螺紋銑削加工方式加工螺紋，可擴大數控設備的加工范圍，減少生產投入，提高零件加工效率，具有加工精度高并對大直徑及非標螺紋加工方便等諸多優勢，因此成為了汽輪機低壓內缸中大直徑非標螺紋加工的重要技術手段。