汽轮机低压内缸大直径非标螺纹加工研究

陈 雪

(包头职业技术学院 数控技术系，内蒙古 包头 014030)

在重型机械、航空航天、军事装备等领域，一些大型设备的联接结构常采用大直径非标螺纹联接。受其工件结构和螺纹牙型特殊性的影响，加工相对比较困难。采用传统的螺纹加工方法，如普通攻螺纹、刚性攻螺纹和手动攻螺纹等，往往存在装夹困难、效率低下、加工成本高等问题，极大地限制了大直径非标螺纹的生产应用。因此，如果大、重型数控机床，尤其是使用时间较长和改造后的旧机床，它们所使用的大都是齿轮箱传动、直流电动机驱动，虽然装有编码器，但是由于直流电动机的品质特性和齿轮箱传动性能的限制，主轴状况不好，转速不平稳，甚至会产生很大波动，且所加工的非标螺纹孔直径大，孔径大于20 mm甚至100 mm的孔进行攻螺纹时，就增加了断裂的危险，如果丝锥断在被加工螺纹孔中，堵塞螺纹孔，可能会报废昂贵的工件。另外，对于一些有特殊结构要求的不允许有过渡扣或退刀槽等特殊要求的零件，采用传统的螺纹加工方法很难进行有效的加工。因此对于上述情况，大直径非标螺纹的加工就成了不得不面对的问题[1]。

1 螺纹铣削的原理

采用与被加工螺纹相同齿形的刀刃的螺纹铣刀，刀具在水平平面上每运动1周，垂直平面直线移动1个螺距P，重复这个加工过程就完成了螺纹的加工(见图1)。在实际加工中，螺纹铣刀在主轴的带动下进行螺旋铣削加工，每螺旋铣削1周，刀具的Z轴方向移动1个螺纹的螺距值[2]。

对于大直径或非标螺纹还可以采用铣削的方法加工(见图2)，可利用G02、G03的螺旋线插补功能实现内、外螺纹的优削加工。用此方法必须得到螺旋线插补半径值，才能进行螺纹铣削加工[3]。

1)铣削内螺纹时螺旋线插补半径的确定方法如下：a.在主轴上装夹好螺纹铣刀，找正螺纹孔中心与主轴重合；b.将主轴旋转后，用手动方式使螺纹铣刀下降到已加工好的螺纹底孔内，并沿X轴(或Y轴)慢慢移动；c.当刀尖接触到孔壁时，记下从中心到此处的移动量b，并沿其反向移动后，使螺纹铣刀上升；d.此时得到螺旋线插补半径为a+0.65P(P是螺距)[4]。

2)铣削外螺纹时螺旋线插补半径的确定方法如下：a.在主轴上装夹好螺纹铣刀，找正螺纹孔中心与主轴重合；b.将主轴旋转后，用手动方式使螺纹铣刀沿X轴(或Y轴)慢慢移动，下降到已加工好的螺纹外径圆柱以外，再反向慢慢移动；c.当刀尖接触到圆柱外壁时，记下从中心到此处的移动量b，并沿其反向离开圆柱外壁后，使螺纹铣刀上升；d.此时得到螺旋线插补半径为a-0.65P(P是螺距)[5]。

2 大直径非标螺纹的加工实例

螺纹孔是汽轮机低压内缸的一部分，汽轮机低压內缸外壳上的螺纹孔很多，通常都是成组呈均匀分布或对称分布。图3所示为汽轮机低压内缸，由于螺纹直径较大，且为非标螺纹，因此，采用传统的攻螺纹是无法满足的，必须使用单刃镗刀进行螺纹镗削加工。下述引入了一种在实际加工中已经使用的、比较新的大直径螺纹铣床加工方法，用螺纹铣刀加工图4所示的螺纹尺寸M50×3，螺纹深度为30 mm。假设a=11.15 mm，则R=11.15+0.65×3=13.1 (mm)。

由于该零件为汽轮机低压内缸的一部分，其整体为配合件。加工螺纹主要是为了把合需要，其各个螺纹孔的深浅不一，位置也不同。考虑到把合的准确性和强度，要求螺纹孔的定位精度和螺纹螺距的准确，同时对螺纹的表面粗糙度也有一定的要求。由于汽轮机低压内缸是个体积很大的工件，为了达到其把合强度和工艺要求，应严格按照设计图样要求加工[6]。

工序安排如下：1)首先进行把合面的加工；2)使用φ48 mm钻头进行螺纹底孔的加工；3)按照图样的公差要求，再使用铰刀对一些特定孔进行加工，如对把用孔、定位销孔、非通螺纹孔等；4)最后使用螺纹铣刀进行M50×3螺纹加工。

3 加工参考程序

因为本例主要讲述大直径非标螺纹的加工方法，所以在下述参考程序中将前三道工序程序省略。螺纹加工参考程序如下。

主程序：

O0123 (主程序)

N10 T1 М06; (换T1号螺纹铣刀)

N20 G54 G00 G90 G43 H1 Z100 M03 S1000; (主轴正转，调出工件零和刀具长度补偿)

N30 G00 X13.1 Y0; (刀具快速定位)

N50 M98 P191233; (调用子程序19次，Z从+5到-33)

N60 G90 G00 X0 Y0; (快速返回到孔的中心)

N70 G00 Z100 M09 M30; (Z轴返回到Z100处，切削液关，主程序结束)

子程序：

01233; (子程序名)

N10 G91 G02 I-13.1 Z-3 F150; (螺旋线插补加工内螺纹)

N20 M99; (子程序结束并返回主程序)

1)本参考程序为螺纹切削程序，仅为整个零件加工的一部分，需要在钻完孔基础上进行，故在编程时，将其作为子程序来进行调用；并且由于各个孔工件坐标都不同，为了达到通用性，程序中使用的是相对坐标编程。

2)为了便于把合，本工件对螺纹的表面粗糙度有较高的要求，故加工时应减少粘刀和毛刺。不难发现，在参考程序中所使用的加工路线是由内而外的。这样的加工路线尤其是在对加工不通孔时可以显著减少铁屑的粘连，有条件的情况下还可以使用高压空气吹洗或是用切削液进行冲洗[7]。

4 加工技巧与禁忌

1)对于机床几何精度，尤其是重复定位精度较差的机床不适合使用本工序安排。

2)本方法耗时较长，加工螺纹效率不是太高；并且本方法需要主轴长时间高速运转，影响主轴寿命，故其主要适用于因无主轴编码器或主轴转速波动较大等原因而不具备刚性攻螺纹能力的镗铣床；同时所加工的螺纹孔较大无法使用钳工进行手动攻螺纹。通常情况下，大、重型机床使用较多，尤其是改造后的旧机床[8]。

3)加工完成后，为了避免撞刀，应先暂停观察一下，然后选择按原程序退刀或者手动退刀。尤其对大、重型数控镗铣床来说更是如此。这也就要求操作者必须小心留意，以免出现意外。

4)为了更好地排出铁屑，通常情况下多使用进行切削液冲洗。这样既可以有良好的排屑，又可以延长刀具寿命。但是对于没有油水分离设备或床身、护罩、进给齿轮箱密封不好的机床，尤其是使用静压的大、重型机床来说是相当危险的。它会造成静压油变质或堵塞油路，使机床陷人瘫痪。因此大多数情况选择使用风冷，用高压空气进行吹洗[9]。

5 结语

经生产实际验证，采用螺纹铣刀和上述加工程序进行螺纹加工时，程序运行时间短，只需6 min；表面质量好，表面粗糙度可达Ra0.8 μm；螺纹中径控制精确，一致性好，连续加工多个螺纹孔，螺纹中径均无变化；刀具耐用度高，并且不需要定制非标专用丝锥，大大降低了刀具的成本[10]。在满足使用要求和加工精度的前提条件下，应尽可能采用螺纹铣削加工方式加工螺纹，可扩大数控设备的加工范围，减少生产投入，提高零件加工效率，具有加工精度高并对大直径及非标螺纹加工方便等诸多优势，因此成为了汽轮机低压内缸中大直径非标螺纹加工的重要技术手段。