數(shù)控鏜床加工大尺寸鋸齒形內(nèi)螺紋

1、數(shù)控鏜床加工大尺寸鋸齒形內(nèi)螺紋王乃彥, 尤利(上海汽輪機(jī)有限公司, 上海200240摘要 遠(yuǎn)離端面的大尺寸鋸齒形內(nèi)螺紋, 無法用傳統(tǒng)成形刀加工。介紹利用數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算及循環(huán)功能, 控制數(shù)控鏜床分別在螺紋軸向和徑向上分多刀加工, 以減小切削抗力; 并在編程過程中對刀具軌跡進(jìn)行計(jì)算和修正。關(guān)鍵詞:大尺寸鋸齒形內(nèi)螺紋 數(shù)控 加工中圖分類號:TH 16 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1671 3133(2006 10 0124 03A m ethod of usi ng NC bori ng m ach i ne to machi nel arge i nterna l buttress threadW

2、ang N aiyan , You L i(Shangha iTur b i n e Co . , Ltd . , Shanghai 200240, C HN Abstrac t F or l a rge i nterna l bu ttress t h read t hat is a w ay fro m t he end plane , it is unab l e to be m ach i ned by trad itiona l for m tools . D escri bes the m ethod of usi ng the N C bor i ng m ach i ne to

3、 m ach i ne the large i nte rna l buttress thread . For decrease the resist ance , i n the m ach i ning process , the ma teria l is cu t o ff i n several l ayers and i n every l ayer the m ater i a l is cut off i n severa l cyc l es . A ll the process i s controlled by N C syste m using its f unctio

4、n of ca l culates and cy cle . A nd it a lso descri bes how to calcu late and a m end tool tracks i n t he pro cess o f progra mm i ng .K ey word s :L arge i nterna l buttress t hread N u m erical control M achi n i ng1 加工大尺寸鋸齒形內(nèi)螺紋的技術(shù)難點(diǎn)我公司引進(jìn)的西門子燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽輪機(jī)再熱閥門閥殼, 如圖1所示, 其有一大尺寸的鋸齒形內(nèi)螺紋, 此螺紋大徑740mm

5、, 長度101mm , 外端距離端面645mm 。螺紋牙型尺寸見圖2。 圖1 閥殼尺寸與螺紋位置示意圖由于閥殼很重(約12 2t, 外形尺寸大且不規(guī)則, 螺紋軸線遠(yuǎn)離閥殼重心, 如果在立車上加工, 將會產(chǎn)生巨大的離心力, 加工困難, 況且在現(xiàn)有設(shè)備條件下,對大尺寸的閥殼, 裝夾也困難。所以只能在鏜床上鏜削或銑削加工。通常情況下, 鏜削首先考慮的是用成形刀, 在徑向上分多刀逐次切削, 完成加工。但由于其尺寸較大, 加工到最后會造成刀刃接觸線較長, 切削抗力較大; 況且螺紋部分遠(yuǎn)離端面, 這就造成鏜桿的剛度不足, 無法承受成形刀產(chǎn)生的大切削力, 工藝系統(tǒng)容易出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng), 從而制約了產(chǎn)品的質(zhì)量和生

6、產(chǎn)效率, 甚至使加工無法進(jìn)行。如果采用成形銑刀銑削, 成形銑刀的制造困難, 容易出現(xiàn)與零件干涉現(xiàn)象,同樣也存在著主軸剛度不足等問題。圖2 螺紋齒形尺寸2 解決方案對于上述問題, 在現(xiàn)有設(shè)備條件下, 較為可行的方法就是減小切削抗力, 在軸向和徑向上分別多次切削, 每次去除材料的一小部分, 逐次去除全部加工余量。具體實(shí)現(xiàn)方法是把應(yīng)去除的材料分成許多層, 每層分多次從一端開始去除, 直到這一層材料全部去除, 然后再切削下一層, 如此循環(huán)下去, 直到全部多余材料被去除。其加工過程如圖3所示。 圖3 螺紋切削過程要實(shí)現(xiàn)上述加工過程, 最關(guān)鍵的是對每刀起點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算, 因?yàn)槊康兜钠瘘c(diǎn)決定所加工螺紋的齒形尺

7、寸。這就需要數(shù)控系統(tǒng)的控制, 在此過程中, 充分利用數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算功能和循環(huán)功能, 每刀所要去除的部分由數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算得到, 并通過編程實(shí)現(xiàn)加工。對于數(shù)控鏜床, 必須有平旋盤、基本的螺紋加工功能和主軸定位功能, 此外,還必須有較高的精度。 圖4 粗加工流程在具體實(shí)現(xiàn)中, 我公司采用的是SI N UMER I K 840D 數(shù)控系統(tǒng), 整個(gè)加工分四個(gè)過程:粗加工, 精加工, 倒角的加工, 圓角的加工。2 1 粗加工粗加工流程如圖4所示。在粗加工時(shí), 忽略掉倒角及圓角, 并且兩側(cè)面和底面分別留出加工余量。每一層開始時(shí), 要先在這層平面上開一條槽, 如果一刀完成, 會有很大的切削抗力, 因此把這一開槽

8、的過程分成若干刀(見圖5,使在整個(gè)加工過程中每刀的切圖5 粗加工切槽示意圖削抗力基本相同(這需要在加工過程中試驗(yàn)得出 。2 2 圓角加工為得到較好的表面粗糙度, 需要對直側(cè)面、斜側(cè)面和底面進(jìn)行一次精加工,此過程相對比較簡單, 不再贅述。為避免和螺紋環(huán)相配合時(shí)產(chǎn)生干涉, 螺紋設(shè)計(jì)了倒角和圓角。倒角部分編程與精加工大致相同。在圓角部分的編程時(shí), 由于圓弧面與兩相鄰面不是相切關(guān)系, 需要計(jì)算其軌跡, 同時(shí)要考慮到便于實(shí)現(xiàn)編程, 首先, 計(jì)算出此圓弧的圓心位置, 然后, 以此位置為基點(diǎn), 計(jì)算圓弧軌跡。其幾何關(guān)系如圖6所示。圖6 圓角處幾何關(guān)系計(jì)算過程為:e 1=e 3si n 45 e 2=r 2-

9、e 1r =(e 1+e 2 si n 45 2=arctan e 1e 2 =45 -2x =r sin (1 z =r cos (2 的取值范圍為: + 。點(diǎn)P 為固定點(diǎn), 其坐標(biāo)數(shù)值由對刀點(diǎn)決定, r 為常125量, 所以每刀的起點(diǎn)坐標(biāo)可由式(1 和式(2 計(jì)算。在具體編程時(shí), 考慮到加工中有可能存在切削量太大的問題, 所以設(shè)計(jì)成多層切削, 只需改變e 3值, 就能改變加工出的圓角位置。利用數(shù)控系統(tǒng)中的循環(huán)功能, 逐層切削, 最終加工出符合設(shè)計(jì)要求的圓角。2 3 鏜刀選擇及切削點(diǎn)偏移量修正對鏜刀起點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算有一個(gè)前提條件, 即鏜刀為尖頭刀, 所有切削都由刀尖(理想的一個(gè)點(diǎn) 完成。但是在實(shí)

10、際加工中, 為提高刀具的強(qiáng)度及更好的加工效果, 刀尖都做成一段圓弧, 在加工中采用的是35 菱形刀(如圖7所示, 其刀尖處相鄰兩邊的夾角為35 , 刀尖為R 0 8mm 的圓弧。之所以采用0 8mm, 是因?yàn)槁菁y底部的兩處圓角為R 0 8mm, 這樣底部的圓角就可由刀具保證, 使程序簡化。加工時(shí), 菱形刀的裝夾如圖7所示, 與徑向即螺紋直側(cè)面有3 的夾角, 與螺紋45 斜側(cè)面夾角為90 -45 -35 -3 =7 , 以保證在加工過程中, 防止菱形刀不參與切削的部分與已加工表面產(chǎn)生摩擦, 減少刀具磨損和系統(tǒng)振動(dòng)。在這種情況下, 加工螺紋的不同部分時(shí), 刀具參與切削的部分也不同, 上述計(jì)算的刀具

11、軌跡將不再適用, 必須加以修正。因整個(gè)切削過程全部是圓弧部分參與, 為便于計(jì)算, 可把刀具簡化成直徑為 1 6mm 的圓。加工中, 程序所控制的軌跡, 就是軸向?qū)Φ逗蛷较驅(qū)Φ镀矫娴慕稽c(diǎn), 即圖8和圖9所示的點(diǎn)P 。在加工直側(cè)面及底面時(shí), 鏜刀與工件的接觸點(diǎn)為對刀位置, 因此不用修正。在加工斜側(cè)面與倒角時(shí), 其接觸點(diǎn)雖然不是對刀位置, 但其偏移值恒定, 因此將其偏移量計(jì)算出來加到程序中進(jìn)行修正, 如圖8所示:在加工 斜面(包括倒角 時(shí)修正量為b。 圖7 菱形刀及其裝夾1 菱形刀 2小刀排圖8 斜邊及倒角修正量的計(jì)算 圖9 圓角修正量的計(jì)算在加工圓角時(shí), 其接觸點(diǎn)是不斷變化的, 因此不能用一個(gè)常量

12、來修正其偏移, 要在程序中計(jì)算出點(diǎn)P 的位置(見圖9, 加工圓角時(shí)鏜刀初始位置的計(jì)算如下。首先, 要計(jì)算出刀尖圓弧的圓心相對于點(diǎn)O 的位置:x =(R+r 2 si n , z =(R+r 2 cos ; 然后, 把刀尖圓弧半徑R 計(jì)算進(jìn)去, 就可以得出點(diǎn)P 相對于點(diǎn)O 的位置坐標(biāo), 也就能得到P 點(diǎn), 即編程所控制點(diǎn)的坐標(biāo)。2 4 參數(shù)化設(shè)計(jì)在整個(gè)數(shù)控程序的設(shè)計(jì)過程中, 考慮到程序的通用性, 全部采用參數(shù)化, 所有螺紋尺寸全部用參數(shù)表示; 同時(shí)相關(guān)的加工數(shù)據(jù), 如切削量等也全部采用參數(shù)表示, 以便根據(jù)不同材料、不同尺寸的螺紋進(jìn)行調(diào)整。因此, 只要螺紋齒形相同, 無需改變程序, 只要通過調(diào)整程

13、序參數(shù), 就能加工出所需螺紋。隨著我公司對西門子技術(shù)的引進(jìn), 汽輪機(jī)中采用鋸齒形螺紋的地方越來越多, 螺距為20mm 、50mm 的鋸齒形螺紋也大量出現(xiàn), 對于它們的加工, 無疑能節(jié)省大量的編程時(shí)間, 同時(shí)也避免了在每次編程時(shí)可能會出現(xiàn)的失誤, 提高了工作效率。3 加工效果根據(jù)上述方法編制數(shù)控程序, 加工試件, 螺紋齒形尺寸與上述相同, 螺紋小徑618mm, 螺紋長101mm, 整個(gè)螺紋大約分350刀加工, 在轉(zhuǎn)速15r /mi n 的情況下, 加工完整個(gè)螺紋用時(shí)約6h (不計(jì)準(zhǔn)備及檢查時(shí)間 。加工后, 經(jīng)用樣板檢查, 螺紋齒形符合要求; 表面粗糙度為Ra 3 2 m 。如果精加工每刀之間的間距適當(dāng)改變, 并改進(jìn)刀具, 表面粗糙度將會得到進(jìn)一步改善。4 結(jié)語通過在軸向和徑向分別多層次切削的方法, 減小加工過程中的