CN101266476A - 巨型非标梯形螺纹的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及百万等级超超临界汽轮机高压外缸部件的加工方法，尤其涉及S2099×P50巨型非标梯形螺纹的加工方法。一种巨型非标梯形螺纹的加工方法，采用数控机床进行加工，其按下列顺序进行：对所述螺纹型线进行数学建模；采取粗、精加工法，根据所需加工型线以及所需的表面精度和粗糙度，确定粗、精加工法所分别采用的合适半径车刀，确定粗加工后型线面留取合适深度的余量；确定粗加工车刀刀心轨迹区域和精加工车刀刀心轨迹，对刀心轨迹边界建模；根据受切削材料、所选刀具、机床性能、切削位置确定加工时每层间距和同一层里的每刀间距；编制粗、精加工车刀走位程序；按照所编制的程序进行加工。本发明的加工方法加工效率高，加工精度高。

Description

巨型非标梯形螺纹的加工方法
技术领域
本发明涉及百万等级超超临界汽轮机高压外缸部件的加工方法，尤其涉及S2099×P50巨型非标梯形螺纹的加工方法。
背景技术
S2099×P50巨型非标梯形内螺纹位于百万等级超超临界汽轮机高压外缸进汽端内圆第三级台阶上φ2055mm的内圆内，螺纹起始面距汽缸垂直端面95mm，结束面距汽缸垂直端面275mm。装配时，有一个φ2095mm的高压螺纹环与之相配，起到把高压内缸固定在高压外缸进汽端里面的作用。
与普通的等边三角形螺纹和KUN301.04锯齿型螺纹不同的是，S2099×P50巨型非标螺纹的横截面近似直角梯形，其内螺纹的底部直径是2099mm，整个螺纹螺距50mm、齿深22mm，参见图1，螺纹型线由9条线段组成，分别是：2条R4的凸圆弧3、9，1条R4的凹圆弧7，1条R10的凸圆弧1，1条R10的凹圆弧5，1条0度的线段8，1条90度的线段6，1条35.25度的线段4和1条22.5度的线段2，除第七线段7和第八线段8外，其余线段为相切关系。S2099×P50巨型非标螺纹的一个螺距公差需保证在±0.02mm内，n个螺距的公差需保证在±n×0.01mm内，齿形直角边对内圆的垂直度要在0.02mm内。在国内没有类似的技术可以与之相比拟，采用一般的螺纹加工方法也不行。在国外，此项加工技术是保密的，在资料上也无从查找。
发明内容
本发明的目的在于提供一种巨型非标梯形螺纹的加工方法，该加工方法加工效率高，加工精度高。
本发明是这样实现的：一种巨型非标梯形螺纹的加工方法，采用数控机床进行加工，其加工方法按下列步骤进行：
第一，所述的螺纹型线进行数学建模；
第二，采取粗加工法和精加工法，根据所需加工型线以及所需的表面精度和粗糙度，确定粗加工法和精加工法所分别采用的合适半径车刀，确定粗加工后型线面留取合适深度的余量；
第三，根据第一步的螺纹型线模型，以及第二步的车刀半径和合适余量，确定粗加工车刀刀心轨迹区域和精加工车刀刀心轨迹，对刀心轨迹边界建立数学模型；
第四，根据受切削材料、所选刀具、机床性能、切削位置确定加工时每层间距和同一层里的每刀间距；
第五，根据第三步的粗、精加工车刀刀心轨迹边界的数学模型以及第四步每层间距和同一层里的每刀间距，编制粗、精加工车刀走位程序；
第六，按照第五步编制的程序进行加工。
对于S2099×P50巨型非标梯形螺纹的横截面近似直角梯形，整个螺纹螺距50mm、齿深22mm；其螺纹型线由9条线段组成，第一线段为R10的凸圆弧，第二线段为22.5度的线段，第三线段为R4的凸圆弧，第四线段为35.25度的线段，第五线段为R10的凹圆弧，第六线段为90度的线段，第七线段为R4的凹圆弧，第八线段为0度的线段，第九线段为R4的凸圆弧；除第七线段和第八线段外，其余线段为相切关系；以第九线段的1/4个R4圆弧的上端起点为直角坐标原点，建立二维直角坐标系，所述螺纹型线的数学模型为：参见表1；
表1
Figure A20071017052100051
Figure A20071017052100061
所述在粗加工中，分为五块区域进行加工，包括：第一区域为一个大的直角梯形，第二区域为一个斜边为圆弧的近似梯形，第三区域为一条螺纹底径，第四区域为一个R4圆角，第五区域为一个R10和R4倒角；相应地在粗加工车刀走位程序中设置有五个加工模块，各模块中每层间距和每刀间距是可调整的；切削每层的时候从下往上切削，每层第一刀和最后一刀所要切削的量分解成多刀进行切削。
所述在精加工中，分为沿着螺纹型线的九个加工区域，相应地车刀走位程序中设置九组可调整的每层间距和每刀间距参数；采用控制所述螺纹型线各段所在圆的角度增量来控制每刀间距。
因为在粗加工阶段，当粗加工的深度超过所选用的粗车刀片半径R6后，如果每层从上往下切削，即从所述螺纹直角边一端向斜坡一端切削，车每层第一刀的时候，刀子与去处材料的接触面超过1/4刀片，由于切削量太大，切削力对刀排的反作用力也大，当这个反作用力超过刀排的夹紧力后，会导致刀排的装夹位置往上抬，导致车第二刀的时候，刀排已不在以前的装夹位置上，从而产生过切，把刀排和刀片一起敲坏。此外切削力过大，会导致较薄的部位变形。因此切削每层的时候最好采用从下往上切削，这样就使刀片在整个切削过程中与去除材料的接触面始终小于或等于1/4刀片，起到减小最大切削力的作用，避免了接触面过大而导致刀排损坏。
在整个切削过程中，去除材料最多的点是每层第一刀和最后一刀，采用将第一刀和最后一刀分解方法，进一步减小了整个切削过程中的最大切削力，整个车削过程中的铁屑也很顺畅。
在精加工阶段，采用控制所述螺纹型线各段所在圆的角度增量来控制每一加工层里的每刀间距，这样就可以解决因各条线段上每点的斜率不一而导致的粗糙度不均匀的问题，实现每条型线上粗糙度的均匀控制。
本发明的优点在于：用数学建模的方法确定螺纹型线特性和粗、精加工刀具轨迹边界特性，为数控机床的数控程序研发阶段，以及加工过程中，根据刀具、机床和工件材料特性对加工参数进行灵活控制提供了数学模型的理论依据，有利于程序研发阶段开发方便快捷的加工操作功能，有利于提高加工生产效率，以及有利于提高加工质量和精度。
附图说明
图1为本发明所要加工的S2099×P50巨型非标梯形螺纹截面示意图；
图2为粗、精加工分别需加工的区域；
图3为粗、精加工时刀具示意图；
图4为粗加工刀具刀心轨迹示意图；
图5为精加工刀具刀心轨迹示意图；
图6为粗加工五个加工区域示意图；
图7为粗加工时每层间距和每刀间距示意图；
图8为粗加工时每层第一刀和最后一刀分解示意图；
图9为用X方向增量为参数来控制刀具走位所切削出来的效果示意图；
图10为用沿所加工型线所在圆的角度增量为参数来控制刀具走位所切削出来的效果示意图；
图11为粗加工主程序模块图；
图12为粗加工子程序模块图；
图13为精加工程序模块图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本实施例要加工的S2099×P50巨型非标梯形螺纹的横截面近似直角梯形，整个螺纹螺距50mm、齿深22mm，由9条线段组成，参见图1，其具体各种参数为：第一线段1为R10的凸圆弧，第二线段2为22.5度的线段，第三线段3为R4的凸圆弧，第四线段4为35.25度的线段，第五线段5为R10的凹圆弧，第六线段6为90度的线段，第七线段7为R4的凹圆弧，第八线段8为0度的线段，第九线段9为R4的凸圆弧；除第七线段7第八线段8外，其余线段间连接处均为相切关系；一个螺距公差需保证在±0.02mm内，n个螺距的公差需保证在±n×0.01mm内，齿形直角边对内圆的垂直度要在0.02mm内；第八线段为工作面，表面粗糙度要求达到Ra1.6，其他型线面表面粗糙度也要达到Ra3.2。
本实施例采用转台带编码器、可以任意分度的数控立车，其加工方法按下列步骤进行：
第一步，对本实施例所述螺纹型线进行数学建模。
以第九线段9的1/4圆弧的上端点起点为直角坐标原点，建立二维直角坐标系，得出基于统一坐标下螺纹型线的九条线段的基本方程，参见表1：
表1
Figure A20071017052100081
第二步，采取粗加工法和精加工法，根据所需加工型线以及所需的表面精度和粗糙度，确定粗加工法采用R6弯柄车刀12，精加工法采用R3弯柄车刀，参见图3，确定粗加工后型线面留取合适深度的余量，即粗加工后留0.2mm余量，参见图2。图2中的黑色区域10为粗加工所要切削的区域，白色区域11为精加工所要切削的区域，即粗加工余量。
第三步，根据第一步的螺纹型线模型，以及第二步的车刀半径和合适余量，确定粗加工车刀刀心轨迹区域14和精加工车刀刀心轨迹，对刀心轨迹边界15、16建立数学模型；即建立R6弯柄车刀12和R3弯柄车刀13的刀心轨迹边界数学模型。
参见图4，图4示出了R6弯柄车刀12刀心轨迹构成的粗车刀区域14，以及粗车刀边界15，粗车刀边界15的数学模型为螺纹型线模型偏移一个值(即R+a)，参见表2。在本实施例中，表2中“R”和“a”的具体数值为6mm和0.2mm。
表2
Figure A20071017052100091
参见图5，图5示出了R3弯柄车刀13刀心轨迹，即精车刀边界16，精车刀边界16的数学模型为螺纹型线模型偏移一个值(即R3，就是向内偏移3mm)，参见表3。表3中参数M表示各段型线所需要切削的总刀数、N表示各段型线各加工点的序号，M值由后面具体分析确定，N为0到M之间的自然数，包括0和M。
表3
  型线标号   线段方程(M为总刀数参数，N为各加工点的序号，0≤N≤M)   型线说明
1.   X＝10+(10+30)*COS(-180°+N/M*(180°-202.5°))Z＝-48.09+(10+3)*SIN(-180°+N/M*(180°-202.5°))   圆心为(10，-48.09)，半径为10+3，起始角为-180°终止角为-202.5°的圆弧。
2.   X＝-2.01+0.887*N/M*COS(90°-22.5°)Z＝-43.11+0.887*N/M*SIN(90°-22.5°)   长0.887，起点为(-2.01，-43.11)终点为(-1.67，-42.29)的线段。
3.   X＝4.8+(4+3)*COS(-202.5°+N/M*(202.5°-215.25°))Z＝-44.97+(4+3)*SIN(-202.5°+N/M*(202.5°-215.25°))   圆心为(4.8，-44.97)，半径为4+3，起始角为-202.5°终止角为-215.25°的圆弧。
4.   X＝-0.92+32.291*N/M*COS(90°-35.25°)Z＝-40.93+32.291*N/M*SIN(90°-35.25°)   长32.291，起点为(-0.92，-40.93)终点为(17.72，-14.56)的线段。
5.   X＝12+(10-3)*COS*(324.75°+N/M*(360°-324.75°))Z＝-10.52+(10-3)*SIN*(324.75°+N/M*(360°-324.75°))   圆心为(12，-10.52)，半径为10-3，起始角为324.75°终止角为360°的圆弧。
6.   X＝19+2.723*N/M*COS(90°)Z＝-10.52+2.723*N/M*SIN(90°)   长2.723，起点为(19，-10.52)终点为(19，-7.8)的线段。
7.   X＝18+(4-3)*COS(0°+N/M*108.19°-0°)Z＝-7.8+(4-3)*SIN(0°+N/M*108.19°-0°)   圆心为(18，-7.8)，半径为4-3，起始角为0°终止角为108.19°的圆弧。
8.   X＝17.4+13.4*N/M*COS(180°)Z＝-7+13.4*N/M*COS(180°)   长13.4，起点为(17.4，-7)终点为(4，7)的线段。
9.   X＝4+(4+3)*COS(-90°+N/M*(90°-180°))Z＝0+(4+3)*COS(-90°+N/M*(90°-180°))   圆心为(4，0)，半径为4+3，起始角为-90°终止角为-180°的圆弧。
第四步，根据受切削材料、所选刀具12、13、机床性能、切削位置确定加工时每层间距和同一层里的每刀间距，参见图7。
粗加工时：根据粗车刀区域14和R6弯柄车刀12的特点，将粗车刀区域14分为五块区域，参见图6，第一区域17为一个大的直角梯形，第二区域18为一个斜边为圆弧的近似梯形，第三区域19为螺纹底径，为一条线段，第四区域20为R4圆角，第五区域21为R10和R4倒角，各区域中的每层间距和每刀间距具体数值参见表4。把加工区域分为五块，且把主要切削任务放在第一区域，保证了加工程序简单，切削效率高；另一方面由于各区域中每层间距和每刀间距可根据粗车刀边界15特点设定，也保证了加工质量。
本实施例中，切削每层的时候从下往上切削，每层第一刀和最后一刀所要切削的量分解成多刀进行切削(参见图8)，第一刀所分解出的各刀其实际每刀到位切削量具体数值参见表4中“每层径向X到位切削量”一栏，最后一刀所分解出的各刀其实际每刀到位切削量具体数值参见表4中“每层宽度Z到位切削量”一栏。
表4粗加工各区域加工参数
  块标号 块特性说明   径向(X轴)每层间距   轴向(Z轴)每刀间距   每层径向X到位切削量   每层宽度Z到位切削量
  1.   上底2.52mm下底40.28mm高20.79mm斜边为35.25°的一个梯形   0.4mm   0.6mm   0.1mm   0.1mm
  2.   上底0.32mm下底2.52mm高0.7mm斜边为R10的一个梯形   0.2mm   0.4mm   0.05mm   0.1mm
  3.   螺纹底径，长0.32mm的一条线段   -   0.1mm   -   -
  4.   R4的一个1/4圆弧   0.4mm   1mm   -   -
  5.   22.5°R10R4倒角   0.4mm   1mm   -   -
精加工时：采用控制所述螺纹型线各段所在圆的角度增量来控制每刀间距，依次沿第一线段1至第九线段9进行加工。参见图9，图9为用X为参数来控制刀具走位所切削出来的效果示意图，由于各线段斜率不同，因此其切削出来的粗糙度不均匀；参见图10，图10为用沿所加工型线所在圆的角度增量为参数来控制刀具走位所切削出来的效果示意图，切削出来的各型线粗糙度均匀，显然用角度增量为参数控制刀具走位所切削出来的效果好。每线段所需要的加工的总刀数参见表5中“参数M取值”，角度增量参见表5中“相邻两刀间间距”。表5中的“参数M取值”、“相邻两刀间间距”为本实施例的一个具体数值，在满足螺纹型线粗糙度加工要求的基础上，可对参数M值和相邻两刀间间距进行调整。
表5精加工加工参数
  型线标号   型线说明   粗糙度要求   相邻两刀间间距   参数M取值
1.   圆心为(10，-48.09)，半径为10+3，起始角为-180°终止角为-202.5°的凸圆弧。 Ra3.2 1.25° 18
2.   长0.887，起点为(-2.01，-43.11)终点为(-1.67，-42.29)的线段。 Ra3.2 0.177mm 5
3.   圆心为(4.8，-44.97)，半径为4+3，起始角为-202.5°终止角为-215.25°的凸圆弧。 Ra3.2 2.125° 6
4.   长32.291，起点为(-0.92，-40.93)终点为(17.72，-14.56)的线段。 Ra3.2 0.269mm 120
5.   圆心为(12，-10.52)，半径为10-3，起始角为324.75°终止角为360°的凹圆弧。 Ra3.2 1.7625° 20
6.   长2.723，起点为(19，-10.52)终点为(19，-7.8)的线段。 Ra3.2 0.227mm 12
7.   圆心为(18，-7.8)，半径为4-3，起始角为0°终止角为108.19°的凹圆弧。 Ra3.2 7.2127° 15
8.   长13.4，起点为(17.4，-7)终点为(4，-7)的线段。 Ra1.6 0.191mm 70
9.   圆心为(4，0)，半径为4+3，起始角为-90°终止角为-180°的凸圆弧。 Ra3.2 2.8125° 32
第五步，编制粗加工车刀12和精加工车刀13走位程序。
根据第三步的粗、精加工车刀刀心轨迹边界15、16的数学模型以及第四步每层间距和同一层里的每刀间距，编制粗加工车刀12和精加工车刀13走位程序。
参见图11，图11示出了粗加工主程序模块。图11中编制有五个加工模块，分别为第一模块22、第二模块23、第三模块24、第四模块25、第五模块26，分别对应上述粗加工时的五个区域，根据所要加工的区域，选取所需要的加工模块，依次完成各区域加工。每个模块根据每层间距和每刀间距(具体参数参见表4)，设置加工程序，程序中设定的每层间距和每刀间距是可以根据实际情况调整的。图12为粗加工子程序模块图，子程序控制每层刀具走位。
参见图13，图13出示了精加工程序模块。在精加工中，由于依次沿第一线段1至第九线段9加工，因此程序中设置九组参数(图13中用“第一条型线”至“第九条型线”表示)，参数中包括各线段所需要加工的总刀数M值(参见表5)，各组参数可根据实际情况调整。加工时，根据所要加工的线段，选取所对应的一组参数，依次完成各线段加工。
第六步，完成以上各步骤后，在数控机床上安装R6弯柄车刀12和R3弯柄车刀13，开动机床，如：数控立车，其转台转速在粗加工时为10～12转/分，精加工时为12～14转/分；刀具12、13根据编制的程序完成各切削步骤。
本发明的具体实施例描述了采用数控机床对S2099×P50巨型非标梯形螺纹的加工方法，该加工方法可应用于加工直径2000mm及以上的巨型螺纹的内外螺纹型线，其加工的工艺参数可参照本发明的加工方法的实质精神及被切削材料、所选刀具和机床性能来确定。
由于本发明的加工方法采用了粗、精加工结合，因此既保证了加工效率，又保证了加工精度；并且通过对螺纹型线数学建模，为刀具的走位数学建模打下了基础；此外在程序设计中，层间增量和同一层里相邻两刀增量或者角度增量是可以根据实际情况调整的，因此对于加工更加具有灵活性。
本发明以上各步骤并非要求依顺序完成，而只是表明本加工方法所要完成的任务，具体实施的时候可根据实际情况来安排。

Claims (5)

1、一种巨型非标梯形螺纹的加工方法，其特征是：采用数控机床进行加工，加工方法按下列步骤进行：
第一，所述的螺纹型线进行数学建模；
第二，采取粗加工法和精加工法，根据所需加工型线以及所需的表面精度和粗糙度，确定粗加工法和精加工法所分别采用的合适半径车刀(12、13)，确定粗加工后型线面留取合适深度的余量(11)；
第三，根据第一步的螺纹型线模型，以及第二步的车刀半径和合适余量，确定粗加工车刀刀心轨迹区域(14)和精加工车刀刀心轨迹，对刀心轨迹边界(15、16)建立数学模型；
第四，根据受切削材料、所选刀具、机床性能、切削位置确定加工时每层间距和同一层里的每刀间距；
第五，根据第三步的粗、精加工车刀刀心轨迹边界(15、16)的数学模型以及第四步每层间距和同一层里的每刀间距，编制粗、精加工车刀(12、13)走位程序；
第六，按照第五步编制的程序进行加工。
2、根据权利要求1所述的巨型非标梯形螺纹的加工方法，其特征是：所述巨型非标梯形螺纹为S2099×P50巨型非标梯形螺纹，其横截面近似直角梯形，整个螺纹螺距50mm、齿深22mm；
螺纹型线由9条线段组成，第一线段(1)为R10的凸圆弧，第二线段(2)为22.5度的线段，第三线段(3)为R4的凸圆弧，第四线段(4)为35.25度的线段，第五线段(5)为R10的凹圆弧，第六线段(6)为90度的线段，第七线段(7)为R4的凹圆弧，第八线段(8)为0度的线段，第九线段(9)为R4的凸圆弧；除第七线段(7)和第八线段(8)外，其余线段为相切关系；
以第九线段(9)的1/4个R4圆弧的上端起点为直角坐标原点，建立二维直角坐标系，所述螺纹型线的数学模型为：参见表1；
表1
Figure A20071017052100031
3、根据权利要求2所述的巨型非标梯形螺纹的加工方法，其特征是：
粗加工中，分为五块区域进行加工，包括：第一区域(17)为一个大的直角梯形，第二区域(18)为一个斜边为圆弧的近似梯形，第三区域(19)为一条螺纹底径，第四区域(20)为一个R4圆角，第五区域(21)为一个R10和R4倒角；相应地在粗加工车刀(12)走位程序中设置有五个加工模块(22、23、24、25、26)，各模块(22、23、24、25、26)中每层间距和每刀间距是可调整的；
精加工中，分为沿着螺纹型线的九个加工区域，相应地车刀走位程序中设置九组可调整的每层间距和每刀间距参数。
4、根据权利要求3所述的巨型非标梯形螺纹的加工方法，其特征是：在粗加工阶段，切削每层的时候从下往上切削，每层第一刀和最后一刀所要切削的量分解成多刀进行切削。
5、根据权利要求3所述的巨型非标梯形螺纹的加工方法，其特征是：在精加工阶段，采用控制所述螺纹型线各段所在圆的角度增量来控制每刀间距。
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