数控镗床加工大尺寸锯齿形内螺纹

1、数控镗床加工大尺寸锯齿形内螺纹王乃彦, 尤利(上海汽轮机有限公司, 上海200240摘要 远离端面的大尺寸锯齿形内螺纹, 无法用传统成形刀加工。介绍利用数控系统的计算及循环功能, 控制数控镗床分别在螺纹轴向和径向上分多刀加工, 以减小切削抗力; 并在编程过程中对刀具轨迹进行计算和修正。关键词:大尺寸锯齿形内螺纹 数控 加工中图分类号:TH 16 文献标识码:B 文章编号: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 加工大尺寸锯齿形内螺纹的技术难点我公司引进的西门子燃气 蒸汽联合循环机组的汽轮机再热阀门阀壳, 如图1所示, 其有一大尺寸的锯齿形内螺纹, 此螺纹大径740mm

5、, 长度101mm , 外端距离端面645mm 。螺纹牙型尺寸见图2。 图1 阀壳尺寸与螺纹位置示意图由于阀壳很重(约12 2t, 外形尺寸大且不规则, 螺纹轴线远离阀壳重心, 如果在立车上加工, 将会产生巨大的离心力, 加工困难, 况且在现有设备条件下,对大尺寸的阀壳, 装夹也困难。所以只能在镗床上镗削或铣削加工。通常情况下, 镗削首先考虑的是用成形刀, 在径向上分多刀逐次切削, 完成加工。但由于其尺寸较大, 加工到最后会造成刀刃接触线较长, 切削抗力较大; 况且螺纹部分远离端面, 这就造成镗杆的刚度不足, 无法承受成形刀产生的大切削力, 工艺系统容易出现严重振动, 从而制约了产品的质量和生

6、产效率, 甚至使加工无法进行。如果采用成形铣刀铣削, 成形铣刀的制造困难, 容易出现与零件干涉现象,同样也存在着主轴刚度不足等问题。图2 螺纹齿形尺寸2 解决方案对于上述问题, 在现有设备条件下, 较为可行的方法就是减小切削抗力, 在轴向和径向上分别多次切削, 每次去除材料的一小部分, 逐次去除全部加工余量。具体实现方法是把应去除的材料分成许多层, 每层分多次从一端开始去除, 直到这一层材料全部去除, 然后再切削下一层, 如此循环下去, 直到全部多余材料被去除。其加工过程如图3所示。 图3 螺纹切削过程要实现上述加工过程, 最关键的是对每刀起点坐标的计算, 因为每刀的起点决定所加工螺纹的齿形尺

7、寸。这就需要数控系统的控制, 在此过程中, 充分利用数控系统的计算功能和循环功能, 每刀所要去除的部分由数控系统计算得到, 并通过编程实现加工。对于数控镗床, 必须有平旋盘、基本的螺纹加工功能和主轴定位功能, 此外,还必须有较高的精度。 图4 粗加工流程在具体实现中, 我公司采用的是SI N UMER I K 840D 数控系统, 整个加工分四个过程:粗加工, 精加工, 倒角的加工, 圆角的加工。2 1 粗加工粗加工流程如图4所示。在粗加工时, 忽略掉倒角及圆角, 并且两侧面和底面分别留出加工余量。每一层开始时, 要先在这层平面上开一条槽, 如果一刀完成, 会有很大的切削抗力, 因此把这一开槽

8、的过程分成若干刀(见图5,使在整个加工过程中每刀的切图5 粗加工切槽示意图削抗力基本相同(这需要在加工过程中试验得出 。2 2 圆角加工为得到较好的表面粗糙度, 需要对直侧面、斜侧面和底面进行一次精加工,此过程相对比较简单, 不再赘述。为避免和螺纹环相配合时产生干涉, 螺纹设计了倒角和圆角。倒角部分编程与精加工大致相同。在圆角部分的编程时, 由于圆弧面与两相邻面不是相切关系, 需要计算其轨迹, 同时要考虑到便于实现编程, 首先, 计算出此圆弧的圆心位置, 然后, 以此位置为基点, 计算圆弧轨迹。其几何关系如图6所示。图6 圆角处几何关系计算过程为: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 的取值范围为: + 。点P 为固定点, 其坐标数值由对刀点决定, r 为常125量, 所以每刀的起点坐标可由式(1 和式(2 计算。在具体编程时, 考虑到加工中有可能存在切削量太大的问题, 所以设计成多层切削, 只需改变e 3值, 就能改变加工出的圆角位置。利用数控系统中的循环功能, 逐层切削, 最终加工出符合设计要求的圆角。2 3 镗刀选择及切削点偏移量修正对镗刀起点坐标计算有一个前提条件, 即镗刀为尖头刀, 所有切削都由刀尖(理想的一个点 完成。但是在实

10、际加工中, 为提高刀具的强度及更好的加工效果, 刀尖都做成一段圆弧, 在加工中采用的是35 菱形刀(如图7所示, 其刀尖处相邻两边的夹角为35 , 刀尖为R 0 8mm 的圆弧。之所以采用0 8mm, 是因为螺纹底部的两处圆角为R 0 8mm, 这样底部的圆角就可由刀具保证, 使程序简化。加工时, 菱形刀的装夹如图7所示, 与径向即螺纹直侧面有3 的夹角, 与螺纹45 斜侧面夹角为90 -45 -35 -3 =7 , 以保证在加工过程中, 防止菱形刀不参与切削的部分与已加工表面产生摩擦, 减少刀具磨损和系统振动。在这种情况下, 加工螺纹的不同部分时, 刀具参与切削的部分也不同, 上述计算的刀具

11、轨迹将不再适用, 必须加以修正。因整个切削过程全部是圆弧部分参与, 为便于计算, 可把刀具简化成直径为 1 6mm 的圆。加工中, 程序所控制的轨迹, 就是轴向对刀和径向对刀平面的交点, 即图8和图9所示的点P 。在加工直侧面及底面时, 镗刀与工件的接触点为对刀位置, 因此不用修正。在加工斜侧面与倒角时, 其接触点虽然不是对刀位置, 但其偏移值恒定, 因此将其偏移量计算出来加到程序中进行修正, 如图8所示:在加工 斜面(包括倒角 时修正量为b。 图7 菱形刀及其装夹1 菱形刀 2小刀排图8 斜边及倒角修正量的计算 图9 圆角修正量的计算在加工圆角时, 其接触点是不断变化的, 因此不能用一个常量

12、来修正其偏移, 要在程序中计算出点P 的位置(见图9, 加工圆角时镗刀初始位置的计算如下。首先, 要计算出刀尖圆弧的圆心相对于点O 的位置:x =(R+r 2 si n , z =(R+r 2 cos ; 然后, 把刀尖圆弧半径R 计算进去, 就可以得出点P 相对于点O 的位置坐标, 也就能得到P 点, 即编程所控制点的坐标。2 4 参数化设计在整个数控程序的设计过程中, 考虑到程序的通用性, 全部采用参数化, 所有螺纹尺寸全部用参数表示; 同时相关的加工数据, 如切削量等也全部采用参数表示, 以便根据不同材料、不同尺寸的螺纹进行调整。因此, 只要螺纹齿形相同, 无需改变程序, 只要通过调整程

13、序参数, 就能加工出所需螺纹。随着我公司对西门子技术的引进, 汽轮机中采用锯齿形螺纹的地方越来越多, 螺距为20mm 、50mm 的锯齿形螺纹也大量出现, 对于它们的加工, 无疑能节省大量的编程时间, 同时也避免了在每次编程时可能会出现的失误, 提高了工作效率。3 加工效果根据上述方法编制数控程序, 加工试件, 螺纹齿形尺寸与上述相同, 螺纹小径618mm, 螺纹长101mm, 整个螺纹大约分350刀加工, 在转速15r /mi n 的情况下, 加工完整个螺纹用时约6h (不计准备及检查时间 。加工后, 经用样板检查, 螺纹齿形符合要求; 表面粗糙度为Ra 3 2 m 。如果精加工每刀之间的间距适当改变, 并改进刀具, 表面粗糙度将会得到进一步改善。4 结语通过在轴向和径向分别多层次切削的方法, 减小加工过程中的