摘要：介绍汽轮机斜齿汽封的数控加工实现及加工过程,通过进行参数化模型分析转换和系统框架指令的巧妙选用,可提高编程和生产效率,保证加工质量,降低成型刀具的备置成本,并有效缩短因成型刀生产、修磨的生产准备周期。
关键词：汽轮机；斜齿汽封；数控加工
引言：
本文的分析对象是一种有倾斜汽封齿的迷宫式斜齿汽封,这种汽封设计上的优点在于,在保证漏汽或热损失不增加的前提下,增大了齿间轴向间隙,有利于机组膨胀和启动。但这种内圆有斜齿和斜槽的汽封,因其结构及相对于转子的位置要求高,且为减少蒸汽流经其中时紊流损失,避免零件在高温和高压蒸汽流动的工况下因热应力产生裂纹,斜槽底一般设计成很小的圆角,斜齿顶部厚度很薄,斜面切削深度大,斜齿和斜槽斜度很大,加工易振动,刀具易在切削斜面上因受力不平衡发生滑移而折断,加工难度非常大,是汽轮机中加工工艺技术含量很高的零件。
1斜齿汽封零件结构的加工工艺及难点分析
迷宫式斜齿汽封结构特征属于整圈回转体结构,由多个弧段组成,其示意图见图1,零件外径DA0≥700ｍｍ,内圆处有多圈斜齿,DA2为汽封圈安装配合直径,DA3为汽封圈的内圆直径。斜齿两面与轴线间夹角分别为α、β,角度根据热力计算确定。斜齿数根据汽封所处的位置不同而有差异,斜齿齿尖宽度L通常小于1.5ｍｍ,齿高H0≥4ｍｍ,斜齿底部圆弧半径为R0,R0一般很小,斜齿与汽轮机转子之间的间隙决定了各齿轴向定位尺寸公差很小。
图1迷宫式斜齿汽封结构示意图
从上述结构分析可总结出该零件加工的主要技术难题为:1）圆周方向斜齿数量较多,保证各斜齿的角度有一定难度；2）斜齿齿形特殊,齿槽宽度窄,刀具刚性差、易断,加工难度较大；3）斜齿齿尖比较薄,需制定合适的加工方案和切削参数,避免斜齿倾倒或外翻,保证形位公差要求；4）加工力求高效且适于数控加工程序的编制。
2工艺方案及加工过程
2.1工艺方案
针对上述斜齿汽封的结构特点,可采用两种工艺方案:第一种方案是用以斜槽形状修磨的专用成型刀在普通车床上靠出斜齿和斜槽；第二种方案是用外购标准刀具配合合理的数控程序在数控车床上完成加工。第二种方案相比第一种方案有很大的优势,首先对操作者技能要求相对较低,其次外购标准刀具的采购周期和成本都比成型刀更短和更经济,最关键的是,第二种方案由刀具和程序可更好地保证加工出产品的质量一致性和稳定性。综合比较后,决定采用第二种工艺方案。为避免车斜槽时刀具与工件发生摩擦干涉,车槽刀具需选用切削范围合适的端面槽刀。
第二种方案的加工过程按所采用刀具分为如下两个阶段。
第一阶段即内圆刀粗车三角槽阶段:为避免车槽刀车槽时在内圆壁上因受力不均而滑移扭压折断,先用外购标准内圆刀(在零件内圆直径足够大时,可把外圆刀具装在特制刀杆上转换为内圆刀,本文中实例即采用这种方式）粗车成的三角槽,三角槽槽底斜面垂直于斜槽中心线方向即第二阶段时内圆端面槽刀粗车斜槽的方向。
第二阶段即内圆端面槽刀车斜齿和斜槽阶段:为防止直接用仿形圆弧刀片车斜槽时切削面积过大发生振动,把这一阶段分成内圆端面槽刀装常规矩形槽刀片半精车斜槽和该端面槽刀换装仿形圆弧刀片精车斜槽两步完成。用同一把外购标准端面槽刀(在零件内圆直径足够大时,可用外圆端面槽刀装在特制刀杆上转换为内圆端面槽刀,本文中实例即用一可调角度特制刀杆装夹并校对刀具角度至与斜槽中心线角度一致,该特制刀杆已被国家知识产权局授予专利,根据半精车和精车选配两种刀片,一种是常规矩形槽刀片,用于半精车斜槽；另一种是仿形圆弧槽刀片,用于精车斜槽,这种刀片半径尽量与斜槽槽底处圆弧半径R0相等,如不能完全相等,两者差值不超过±0.025ｍｍ；保证常规矩形槽刀片宽度不大于仿形圆弧槽刀片直径。加工时,内圆端面槽刀先装常规矩形槽刀片,沿图3a中所示斜槽中心线粗车一刀,深度至斜槽槽底圆弧中心P,之后沿切槽方向退刀至便于换装刀片处,程序暂停,卸下常规矩形槽刀片,再换装仿形圆弧槽刀片,刀片圆弧中心轨迹沿平行于斜槽与汽封轴线夹角α、β的两个斜面分别车至槽底,完成斜槽的精加工。
本方案需注意几点:当将标准外圆加工刀具装在特制刀杆上转换为内圆加工刀具粗车三角槽时,要注意加工刀具的主偏角及刀尖角选择,避免刀具后面与工件内圆干涉,用内圆端面槽刀精车时同样要注意,通过选用适宜切削范围的端面槽刀避免与工件发生干涉；刀具参数设置时,必须保证工件坐标零点与编程坐标零点一致；程序编制时,要采用合理的加工顺序,保证斜槽车好后斜齿不外翻、不内倒。
2.2加工过程详述
卡爪夹持如图1所示零件左端大外圆,校正,适当夹紧。在加工时,先用内圆刀将斜槽处粗车,车成沿轮廓方向留0.1ｍｍ余量的三角槽,且三角槽底斜面垂直于斜齿汽封的内圆斜槽的中心线；之后,内圆端面槽刀杆上先装圆弧刀片,对刀并设置工件坐标系原点在图1所示工件右端面与轴线的交点上,以刀尖圆心编程,刀位为8号；再后,换下圆弧刀片,装上常规矩形槽刀片,沿斜槽中心线进行半精车,深度至斜槽圆心P处,再沿切槽方向退刀至便于换装刀片处,程序暂停；最后,拆下常规矩形槽刀片,换装圆弧槽刀片从斜槽两侧斜面分别精车准斜槽。为保证斜槽车好后自然形成的斜齿不变形外翻,斜槽两侧面加工顺序应先车与轴向夹角为β的斜面,车此斜面时,深度方向沿槽中心线单边留0.1ｍｍ余量,之后再车与轴向夹角为α的斜面,车去斜槽深度上沿槽中心线单边留的0.1ｍｍ余量,斜槽加工完毕。
3数控加工程序编制
3.1对于第一阶段的粗车三角槽的程序编制对于第一阶段的粗车三角槽的程序编制,用
ＣAXA数控车软件完成,在此不再赘述。3.2第二阶段半精车、精车斜槽的程序编制因为这种汽封结构采用模块化设计,考虑到该类零件的成组加工方式,用参数化宏程序编制,引入西门子系统框架指令“ＲＯＴ”,准确定位,完成加工。
3.2编程注意事项
首先,慎重选取斜槽与油封轴线夹角为α、β的斜面的起切点,避免在车槽时刀具出现撞刀或出现欠切,夹角β斜面起切点在粗车后的三角槽里,可以以M1(与夹角β斜面平行向槽内侧平行偏移了一个仿形刀片半径后经槽底圆弧中心的斜线与工件内圆的交点）为起切点；夹角α斜面起切点不能选在经与该斜面偏移一个仿形槽刀片半径后经槽底圆弧中心的斜线PN1与工件内圆的交点N′1处,因为,如果起切点选在N′1处,N0N之间黑色区域将会车不到,甚至刀具快速定位至此点时撞刀。需将起切点至少选在点N1(仿形槽刀片刚好与α斜面内圆起点处相切）。
其次,用坐标系旋转指令时,一定要定位在正确的旋转起始点,保证斜槽位置和深度。
最后,坐标系旋转结束的时机一定要合理设置,要在刀具车槽结束并退出斜槽后再取消旋转,否则,会发生撞机,折断刀具、损坏工件。
结束语：
按方案二完成加工的斜齿斜槽零件,经检查,中分面变形量小于0.02ｍｍ,轴向定位尺寸公差在0.05ｍｍ以内,齿形整齐美观,符合图样设计要求。同时,由于刀具几何参数的合理选择,加工顺序及退刀参数的合理计算和设计,使得排屑顺畅,效率是以前类似普通车床的两倍以上,避免了翻齿、倒齿现象的发生。
参考文献：
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论文作者:张大旺
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：斜槽论文; 刀片论文; 加工论文; 刀具论文; 斜面论文; 端面论文; 圆弧论文; 《电力设备》2018年第30期论文;