巨型非標梯形螺紋的加工方法

2023-07-16 07:35:26 1

專利名稱：：巨型非標梯形螺紋的加工方法
技術領域：
：本發明涉及百萬等級超超臨界汽輪機高壓外缸部件的加工方法，尤其涉及S2099xP50巨型非標梯形螺紋的加工方法。技術背景S2099XP50巨型非標梯形內螺紋位於百萬等級超超臨界汽輪機高壓外缸進汽端內圓第三級臺階上4>2055mm的內圓內，螺紋起始面距汽缸垂直端面95mm，結束面距汽缸垂直端面275mm。裝配時，有一個4)2095mm的高壓螺紋環與之相配，起到把高壓內缸固定在高壓外缸進汽端裡面的作用。與普通的等邊三角形螺紋和KUN301.04鋸齒型螺紋不同的是，S2099XP50巨型非標螺紋的橫截面近似直角梯形，其內螺紋的底部直徑是2099mm，整個螺紋螺距50mm、齒深22mm，參見圖1，螺紋型線由9條線段組成，分別是2條R4的凸圓弧3、9，1條R4的凹圓弧7，1條R10的凸圓弧1，1條R10的凹圓弧5，l條0度的線段8，l條90度的線段6，1條35.25度的線段4和1條22.5度的線段2，除第七線段7和第八線段8外，其餘線段為相切關係。S2099XP50巨型非標螺紋的一個螺距公差需保證在士0.02mm內，n個螺距的公差需保證在士nX0.01mm內，齒形直角邊對內圓的垂直度要在0.02mm內。在國內沒有類似的技術可以與之相比擬，採用一般的螺紋加工方法也不行。在國外，此項加工技術是保密的，在資料上也無從查找。
發明內容本發明的目的在於提供一種巨型非標梯形螺紋的加工方法，該加工方法加工效率高，加工精度高。本發明是這樣實現的一種巨型非標梯形螺紋的加工方法，採用數控工具機進行加工，其加工方法按下列步驟進行第一，所述的螺紋型線進行數學建模；第二，採取粗加工法和精加工法，根據所需加工型線以及所需的表面精度和粗糙度，確定粗加工法和精加工法所分別採用的合適半徑車刀，確定粗加工後型線面留取合適深度的餘量；第三，根據第一步的螺紋型線模型，以及第二歩的車刀半徑和合適餘量，確定粗加工車刀刀心軌跡區域和精加工車刀刀心軌跡，對刀心軌跡邊界建立數學模型；第四，根據受切削材料、所選刀具、工具機性能、切削位置確定加工時每層間距和同一層裡的每刀間距；第五，根據第三步的粗、精加工車刀刀心軌跡邊界的數學模型以及第四歩每層間距和同一層裡的每刀間距，編制粗、精加工車刀走位程序；第六，按照第五步編制的程序進行加工。對於S2099xP50巨型非標梯形螺紋的橫截面近似直角梯形，整個螺紋螺距50mm、齒深22mm;其螺紋型線由9條線段組成，第一線段為R10的凸圓弧，第二線段為22.5度的線段，第三線段為R4的凸圓弧，第四線段為35.25度的線段，第五線段為R10的凹圓弧，第六線段為90度的線段，第七線段為R4的凹圓弧，第八線段為0度的線段，第九線段為R4的凸圓弧；除第七線段和第八線段外，其餘線段為相切關係；以第九線段的1/4個R4圓弧的上端起點為直角坐標原點，建立二維直角坐標系，所述螺紋型線的數學模型為參見表l;表l型線標號線段方程x方向取值範圍tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6所述在粗加工中，分為五塊區域進行加工，包括第一區域為一個大的直角梯形，第二區域為一個斜邊為圓弧的近似梯形，第三區域為一條螺紋底徑，第四區域為一個R4圓角，第五區域為一個RIO和R4倒角；相應地在粗加工車刀走位程序中設置有五個加工模塊，各模塊中每層間距和每刀間距是可調整的；切削每層的時候從下往上切削，每層第一刀和最後一刀所要切削的量分解成多刀進行切削。所述在精加工中，分為沿著螺紋型線的九個加工區域，相應地車刀走位程序中設置九組可調整的每層間距和每刀間距參數；採用控制所述螺紋型線各段所在圓的角度增量來控制每刀間距。因為在粗加工階段，當粗加工的深度超過所選用的粗車刀片半徑R6後，如果每層從上往下切削，即從所述螺紋直角邊一端向斜坡一端切削，車每層第一刀的時候，刀子與去處材料的接觸面超過l/4刀片，由於切削量太大，切削力對刀排的反作用力也大，當這個反作用力超過刀排的夾緊力後，會導致刀排的裝夾位置往上抬，導致車第二刀的時候，刀排已不在以前的裝夾位置上，從而產生過切，把刀排和刀片一起敲壞。此外切削力過大，會導致較薄的部位變形。因此切削每層的時候最好採用從下往上切削，這樣就使刀片在整個切削過程中與去除材料的接觸面始終小於或等於1/4刀片，起到減小最大切削力的作用，避免了接觸面過大而導致刀排損壞。在整個切削過程中，去除材料最多的點是每層第一刀和最後一刀，採用將第一刀和最後一刀分解方法，進一步減小了整個切削過程中的最大切削力，整個車削過程中的鐵屑也很順暢。在精加工階段，採用控制所述螺紋型線各段所在圓的角度增量來控制每一加工層裡的每刀間距，這樣就可以解決因各條線段上每點的斜率不一而導致的粗糙度不均勻的問題，實現每條型線上粗糙度的均勻控制。本發明的優點在於用數學建模的方法確定螺紋型線特性和粗、精加工刀具軌跡邊界特性，為數控工具機的數控程序研發階段，以及加工過程中，根據刀具、工具機和工件材料特性對加工參數進行靈活控制提供了數學模型的理論依據，有利於程序研發階段開發方便快捷的加工操作功能，有利於提高加工生產效率，以及有利於提高加工質量和精度。圖1為本發明所要加工的S2099XP50巨型非標梯形螺紋截面示意圖；圖2為粗、精加工分別需加工的區域；圖3為粗、精加工時刀具示意圖；圖4為粗加工刀具刀心軌跡示意圖；圖5為精加工刀具刀心軌跡示意圖；圖6為粗加工五個加工區域示意圖；圖7為粗加工時每層間距和每刀間距示意圖；圖8為粗加工時每層第一刀和最後一刀分解示意圖；圖9為用X方向增量為參數來控制刀具走位所切削出來的效果示意圖；圖IO為用沿所加工型線所在圓的角度增量為參數來控制刀具走位所切削出來的效果示意圖；圖11為粗加工主程序模塊圖；圖12為粗加工子程序模塊圖；圖13為精加工程序模塊圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。參見圖1，本實施例要加工的S2099xP50巨型非標梯形螺紋的橫截面近似直角梯形，整個螺紋螺距50mm、齒深22mm，由9條線段組成，參見圖1，其具體各種參數為第一線段1為RIO的凸圓弧，第二線段2為22.5度的線段，第三線段3為R4的凸圓弧，第四線段4為35.25度的線段，第五線段5為R10的凹圓弧，第六線段6為90度的線段，第七線段7為R4的凹圓弧，第八線段8為0度的線段，第九線段9為R4的凸圓弧；除第七線段7第八線段8外，其餘線段間連接處均為相切關係；一個螺距公差需保證在土0.02mm內，n個螺距的公差需保證在士nX0.01mm內，齒形直角邊對內圓的垂直度要在0.02mm內；第八線段為工作面，表面粗糙度要求達到Ra1.6，其他型線面表面粗糙度也要達到Ra3.2。本實施例採用轉臺帶編碼器、可以任意分度的數控立車，其加工方法按下列步驟進行第一步，對本實施例所述螺紋型線進行數學建模。以第九線段9的1/4圓弧的上端點起點為直角坐標原點，建立二維直角坐標系，得出基於統一坐標下螺紋型線的九條線段的基本方程，參見表1:表ltableseeoriginaldocumentpage8第二步，採取粗加工法和精加工法，根據所需加工型線以及所需的表面精度和粗糙度，確定粗加工法採用R6彎柄車刀12，精加工法採用R3彎柄車刀，參見圖3，確定粗加工後型線面留取合適深度的餘量，即粗加工後留0.2mm餘量，參見圖2。圖2中的黑色區域10為粗加工所要切削的區域，白色區域ll為精加工所要切削的區域，即粗加工餘量。第三步，根據第一步的螺紋型線模型，以及第二步的車刀半徑和合適餘量，確定粗加工車刀刀心軌跡區域14和精加工車刀刀心軌跡，對刀心軌跡邊界15、16建立數學模型；即建立R6彎柄車刀12和R3彎柄車刀13的刀心軌跡邊界數學模型。參見圖4，圖4示出了R6彎柄車刀12刀心軌跡構成的粗車刀區域14，以及粗車刀邊界15，粗車刀邊界15的數學模型為螺紋型線模型偏移一個值(即R+a)，參見表2。在本實施例中，表2中"R"和"a"的具體數值為6mm和0.2mm。表2型線標號線段方程(R為刀子半徑，a為單面餘量)x方向取值範圍tableseeoriginaldocumentpage9參見圖5，圖5示出了R3彎柄車刀13刀心軌跡，即精車刀邊界16，精車刀邊界16的數學模型為螺紋型線模型偏移一個值(即R3，就是向內偏移3mm)，參見表3。表3中參數M表示各段型線所需要切削的總刀數、N表示各段型線各加工點的序號，M值由後面具體分析確定，N為O到M之間的自然數，包括O和M。表3tableseeoriginaldocumentpage10第四步，根據受切削材料、所選刀具12、13、工具機性能、切削位置確定加工時每層間距和同一層裡的每刀間距，參見圖7。粗加工時根據粗車刀區域14和R6彎柄車刀12的特點，將粗車刀區域14分為五塊區域，參見圖6，第一區域17為一個大的直角梯形，第二區域18為一個斜邊為圓弧的近似梯形，第三區域19為螺紋底徑，為一條線段，第四區域20為R4圓角，第五區域21為R10和R4倒角，各區域中的每層間距和每刀間距具體數值參見表4。把加工區域分為五塊，且把主要切削任務放在第一區域，保證了加工程序簡單，切削效率高；另一方面由於各區域中每層間距和每刀間距可根據粗車刀邊界15特點設定，也保證了加工質量。本實施例中，切削每層的時候從下往上切削，每層第一刀和最後一刀所要切削的量分解成多刀進行切削(參見圖8)，第一刀所分解出的各刀其實際每刀到位切削量具體數值參見表4中"每層徑向X到位切削量"一欄，最後一刀所分解出的各刀其實際每刀到位切削量具體數值參見表4中"每層寬度Z到位切削量"一欄。表4粗加工各區域加工參數tableseeoriginaldocumentpage11精加工時採用控制所述螺紋型線各段所在圓的角度增量來控制每刀間距，依次沿第一線段1至第九線段9進行加工。參見圖9，圖9為用X為參數來控制刀具走位所切削出來的效果示意圖，由於各線段斜率不同，因此其切削出來的粗糙度不均勻；參見圖IO，圖IO為用沿所加工型線所在圓的角度增量為參數來控制刀具走位所切削出來的效果示意圖，切削出來的各型線粗糙度均勻，顯然用角度增量為參數控制刀具走位所切削出來的效果好。每線段所需要的加工的總刀數參見表5中"參數M取值"，角度增量參見表5中"相鄰兩刀間間距"。表5中的"參數M取值"、"相鄰兩刀間間距"為本實施例的一個具體數值，在滿足螺紋型線粗糙度加工要求的基礎上，可對參數M值和相鄰兩刀間間距進行調整。表5精加工加工參數tableseeoriginaldocumentpage117.圓心為(18，-7.8),半徑為4-3,起始角為0°終止角為108.19°的凹圓弧。Ra3.27.2127°158.長13.4，起點為(17.4，-7)終點為(4,-7)的線段。Ral.60.191誦709.圓心為(4,0)，半徑為4+3，起始角為-90°終止角為-180°的凸圓弧。Ra3.22.8125°32第五步，編制粗加工車刀12和精加工車刀13走位程序。根據第三步的粗、精加工車刀刀心軌跡邊界15、16的數學模型以及第四歩每層間距和同一層裡的每刀間距，編制粗加工車刀12和精加工車刀13走位程序。參見圖11，圖11示出了粗加工主程序模塊。圖11中編制有五個加工模塊，分別為第一模塊22、第二模塊23、第三模塊24、第四模塊25、第五模塊26，分別對應上述粗加工時的五個區域，根據所要加工的區域，選取所需要的加工模塊，依次完成各區域加工。每個模塊根據每層間距和每刀間距(具體參數參見表4)，設置加工程序，程序中設定的每層間距和每刀間距是可以根據實際情況調整的。圖12為粗加工子程序模塊圖，子程序控制每層刀具走位。參見圖13，圖13出示了精加工程序模塊。在精加工中，由於依次沿第一線段1至第九線段9加工，因此程序中設置九組參數(圖13中用"第一條型線"至"第九條型線"表示)，參數中包括各線段所需要加工的總刀數M值(參見表5)，各組參數可根據實際情況調整。加工時，根據所要加工的線段，選取所對應的一組參數，依次完成各線段加工。第六歩，完成以上各步驟後，在數控工具機上安裝R6彎柄車刀12和R3彎柄車刀13，開動工具機，如數控立車，其轉臺轉速在粗加工時為1012轉/分，精加工時為1214轉/分；刀具12、13根據編制的程序完成各切削步驟。本發明的具體實施例描述了採用數控工具機對S2099xP50巨型非標梯形螺紋的加工方法，該加工方法可應用於加工直徑2000mm及以上的巨型螺紋的內外螺紋型線，其加工的工藝參數可參照本發明的加工方法的實質精神及被切削材料、所選刀具和工具機性能來確定。由於本發明的加工方法採用了粗、精加工結合，因此既保證了加工效率，又保證了加工精度；並且通過對螺紋型線數學建模，為刀具的走位數學建模打下了基礎；此外在程序設計中，層間增量和同一層裡相鄰兩刀增量或者角度增量是可以根據實際情況調整的，因此對於加工更加具有靈活性。本發明以上各步驟並非要求依順序完成，而只是表明本加工方法所要完成的任務，具體實施的時候可根據實際情況來安排。權利要求1、一種巨型非標梯形螺紋的加工方法，其特徵是採用數控工具機進行加工，加工方法按下列步驟進行第一，所述的螺紋型線進行數學建模；第二，採取粗加工法和精加工法，根據所需加工型線以及所需的表面精度和粗糙度，確定粗加工法和精加工法所分別採用的合適半徑車刀(12、13)，確定粗加工後型線面留取合適深度的餘量(11)；第三，根據第一步的螺紋型線模型，以及第二步的車刀半徑和合適餘量，確定粗加工車刀刀心軌跡區域(14)和精加工車刀刀心軌跡，對刀心軌跡邊界(15、16)建立數學模型；第四，根據受切削材料、所選刀具、工具機性能、切削位置確定加工時每層間距和同一層裡的每刀間距；第五，根據第三步的粗、精加工車刀刀心軌跡邊界(15、16)的數學模型以及第四步每層間距和同一層裡的每刀間距，編制粗、精加工車刀(12、13)走位程序；第六，按照第五步編制的程序進行加工。2、根據權利要求l所述的巨型非標梯形螺紋的加工方法，其特徵是所述巨型非標梯形螺紋為S2099xP50巨型非標梯形螺紋，其橫截面近似直角梯形，整個螺紋螺距50mm、齒深22mm;螺紋型線由9條線段組成，第一線段(1)為R10的凸圓弧，第二線段(2)為22.5度的線段，第三線段(3)為R4的凸圓弧，第四線段(4)為35.25度的線段，第五線段(5)為R10的凹圓弧，第六線段(6)為90度的線段，第七線段(7)為R4的凹圓弧，第八線段(8)為0度的線段，第九線段(9)為R4的凸圓弧；除第七線段(7)和第八線段(8)夕卜，其餘線段為相切關係；以第九線段(9)的1/4個R4圓弧的上端起點為直角坐標原點，建立二維直角坐標系，所述螺紋型線的數學模型為參見表l;表ltableseeoriginaldocumentpage33、根據權利要求2所述的巨型非標梯形螺紋的加工方法，其特徵是粗加工中，分為五塊區域進行加工，包括第一區域(17)為--個大的直角梯形，第二區域(18)為一個斜邊為圓弧的近似梯形，第三區域(19)為一條螺紋底徑，第四區域(20)為一個R4圓角，第五區域(21)為一個R10和R4倒角；相應地在粗加工車刀(12)走位程序中設置有五個加工模塊(22、23、24、25、26)，各模塊(22、23、24、25、26)中每層間距和每刀間距是可調整的；精加工中，分為沿著螺紋型線的九個加工區域，相應地車刀走位程序中設置九組可調整的每層間距和每刀間距參數。4、根據權利要求3所述的巨型非標梯形螺紋的加工方法，其特徵是在粗加工階段，切削每層的時候從下往上切削，每層第一刀和最後一刀所要切削的量分解成多刀進行切削。5、根據權利要求3所述的巨型非標梯形螺紋的加工方法，其特徵是在精加工階段，採用控制所述螺紋型線各段所在圓的角度增量來控制每刀間距。全文摘要本發明涉及百萬等級超超臨界汽輪機高壓外缸部件的加工方法，尤其涉及S2099×P50巨型非標梯形螺紋的加工方法。一種巨型非標梯形螺紋的加工方法，採用數控工具機進行加工，其按下列順序進行對所述螺紋型線進行數學建模；採取粗、精加工法，根據所需加工型線以及所需的表面精度和粗糙度，確定粗、精加工法所分別採用的合適半徑車刀，確定粗加工後型線面留取合適深度的餘量；確定粗加工車刀刀心軌跡區域和精加工車刀刀心軌跡，對刀心軌跡邊界建模；根據受切削材料、所選刀具、工具機性能、切削位置確定加工時每層間距和同一層裡的每刀間距；編制粗、精加工車刀走位程序；按照所編制的程序進行加工。本發明的加工方法加工效率高，加工精度高。文檔編號G05B19/18GK101266476SQ20071017052公開日2008年9月17日申請日期2007年11月16日優先權日2007年11月16日發明者健辛申請人:上海電氣電站設備有限公司