螺旋水紋線銑削加工方法研究

于 翔，柏長友

(共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021)

0 引言

密封面水紋線的作用主要是加強法蘭面的密封，其原理是在法蘭面上加工出規則的環槽，法蘭之間互相連接時在接觸面之間放置軟質密封墊[1]，通過連接螺栓的壓緊力使軟質密封墊產生彈性變形并填充在凹槽之中，形成迷宮式密封。常見的水紋線有同心圓式水紋線和螺旋式水紋線，螺旋式水紋線自一點開始直至全部結束，在密封面上連續存在，密封效果優于同心圓式水紋線，通常用于承受壓力較高的零部件。螺旋式水紋線常見的加工方法為車削加工，該方法僅適用于回轉體類工件，某些非回轉體零部件上布置的螺旋式水紋線，如氣缸的管口端面、壓縮機蝸殼的出氣口端面等部位，無法通過車削完成螺旋水紋線的加工，需要在落地鏜銑床采用銑削的方式進行加工。

1 螺旋水紋線的標準要求

根據ASME B16.47要求，螺旋水紋線從內圓某一點進刀，連續切削，完成加工后從終止點退刀，如圖1所示。銑削加工時刀具半徑應大于或等于1.5 mm，水紋線螺距為0.46 mm～0.55 mm，粗糙度要求為Ra3.2～Ra6.3，即加工時每毫米的齒數為1.8～2.2。根據此標準要求，此處確定螺旋水紋線節距為0.5 mm，銑削刀具半徑為1.5 mm，螺旋式水紋線截面如圖2所示。

圖1 螺旋式水紋線示意圖

圖2 螺旋式水紋線截面示意圖

2 螺旋水紋線的加工方法

2.1 采用硬質合金球型銑刀

根據螺旋水紋線截面示意圖，采用D3R1.5硬質合金球型銑刀加工，整體硬質合金刀具耐磨性好、壽命長，能夠保證連續切削時的加工精度和表面質量。在設計刀具結構時，為了提高刀具強度，避免加工過程中刀具折斷，提高刀具耐用度，將刀具夾持部位直徑設計為大于3 mm，在刀具切削部位和夾持部位之間設計錐形進行過渡。硬質合金球型銑刀示意圖如圖3所示。

圖3硬質合金球型銑刀示意圖

2.2 應用增速器刀柄

(1) 銑削后的表面質量差，加工表面波紋嚴重，影響密封效果。

(2) 為保證表面質量會降低進給速度，導致加工效率低。

為解決此問題，在機床主軸上裝配如圖4所示的增速器刀柄，通過增速器刀柄使刀具轉速提高至機床轉速的3倍，從而保證刀具切削時的線速度，這樣可以在保證加工質量的前提下，顯著提高加工效率。

圖4 增速器刀柄示意圖

2.3 確定銑削加工方案

加工時刀具從起始點進刀，連續切削至終止點后退刀，為保證水紋線的連續性，中間不能存在任何的停頓及抬刀、落刀[2]。根據螺旋水紋線截面示意圖可知：加工理論深度要求為0.02 mm，考慮工件密封端面加工完成后的平面度偏差，實際加工深度設置為0.05 mm。加工時，機床Z軸首先進給至-0.05位置，然后采用X軸、Y軸聯動的方式從螺旋水紋線內圓起始點運行至外圓終止點，即完成螺旋水紋線的加工。

3 基于西門子數控系統的螺旋水紋線銑削加工程序

為實現螺旋水紋線自起始點進刀連續切削至終止點，采用西門子R參數編程的方式。其基本原理為：將螺旋線圓弧分解為若干直段進行擬合，當直段足夠小時，可以近似地定義為圓弧。通過確定切削的起始點、終止點及增量值，運用西門子R參數編程自帶的計算功能[3]，實現螺旋線加工，具體數控程序如下：

R1=335 //切削起始位置圓弧半徑

R2=0 //初始角度值

R3=0.5 //螺旋水紋線節距

R4=0.1 //角度增量值

R5=R3/360

R6=397.5 //切削終止位置圓弧半徑

R7=0.05 //切削深度

G0 X0 Y0

G1 Z=-R7 F600 //Z軸進給至切削深度

MARKE_1:

R12=R1*COS(R2) //X軸坐標計算

R13=R1*SIN(R2) //Y軸坐標計算

G1 X=R12 Y=R13 //直線插補切削

R2=R2+R4 //角度變量疊加

R1=R1+R5*R4 //半徑變量疊加

IF R1<=R6 GOTOB MARKE_1 //終止位置半徑判斷

通過加工驗證，該程序能夠完全滿足螺旋水紋線的銑削加工要求，加工后的螺旋式水紋線如圖5所示。

圖5 銑削加工完的螺旋水紋線

4 小結

通過分析螺旋式水紋密封線的加工標準，設計專用的硬質合金銑刀，采用增速器刀柄，充分運用西門子數控系統R參數編程方法，實現了螺旋式水紋密封線的銑削加工，為螺旋式水紋線的銑削加工提供了很好的借鑒。