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尾透主轴叶片锁紧槽加工工艺的改进

王晓红 朱延岚 齐文平* / 西安陕鼓动力股份有限公司    

摘要:针对主轴四级新型榫槽加工制造的独特化,分析其特殊材质、非标刀具、加工程序、检测工具等给实际加工带来困难的原因,形成一套从加工到检测的新工艺方法,解决了尾透主轴叶片锁紧组装配难的问题。
关键词:主轴叶片锁紧槽;对刀方式;刀具磨损;三针法测量
中图分类号:TH432.1 文献标志码:A
Improvement of Processing Technology of Locking Groove for Blade on Tail Turbo-expander Shaft
Abstract: Aiming at the uniqueness of machining and manufacturing the spindle four stage new type groove, this paper finds that the main reasons affecting assembling are mainly concentrated in the special material, the cutting tool, precessing method and measurement tool. This paper proposes an improved processing method of the locking groove, which is a very good solution to the locking block assembly problem and has been applied in practice.
Key words: blades locking groove on shaft; tool setting; tool wear; three-pin measurement
1 概述
  尾气透平膨胀机是“四合一”硝酸机组的核心设备,其中尾透机组的转子是运动轴系的核心部件,它的制造性能直接影响整个机组的运行性能。由于该种类型转子运行转速高达10 000r/min,所以各级叶片锁紧机构的加工、测量和质量控制一直是技术难题。2001年公司与交大联合设计了具有自主知识产权的锁紧机构:这种主轴有四级新型榫槽,此形式常见于轴向安装叶片的主轴,叶片安装完后,用锁紧块锁紧,锁紧力主要来自于槽侧面的齿形,见图1。设计的独特性使其加工制造独特化,其中的特殊材质、非标刀具、加工程序、检测工具等都给实际加工带来困难。在实际装配过程中,经常出现下列问题:
  1) 由于加工误差造成的配合间隙过小,锁紧块装不进去,以及间隙过大引起锁紧块的松动等;
  2) 锁紧块的榫槽齿形型面与主轴榫槽型面不等高。

  为解决生产急需,通常只是在设计允许的范围内将锁紧块两侧齿形反复修整来达到使用要求。这样,由于没找到问题所在,只能被动地解决问题,难免耽误生产。另一方面,将锁紧块齿形进行修正后,不仅会影响配合面的表面精度和形位精度,还会降低锁紧块的强度,增加了装配工作量,从而影响产品质量。
2 原因分析
  此种锁紧结构对锁紧槽和锁紧块的加工质量要求极高。在对整个问题进行分析时发现,主要有下列三种情况:
  1) 刀具磨损。加工齿形的成型铣刀磨损较快,加工时没有及时进行半径补偿,造成锁紧槽上大下小的“喇叭口”现象;
  2) 对刀方式。以已加工好的直槽槽底对刀,虽操作方便,但是与设计基准不重合,易产生累积误差;
  3) 检验方式。锁紧槽的直槽用样板来检,斜向角度齿形用数控保证,齿形的中径无法直接测量。
3 工艺方法创新及实施
3.1 零件材料分析

  尾透主轴材料为马氏体不锈钢,具有优良的高温强度、热稳定性和抗疲劳性。主要切削特点:切削阻力大,切削温度高,导热性差,塑性变形大,易粘刀,易产生粘结、扩散和边界磨损,加工硬化现象严重。
3.2 刀具设计优化
3.2.1 根据不锈钢的性质和切削加工的特点,切削加工时应考虑如下问题:
  1) 切削力大,切削温度高,刀具材料应选用强度高、导热性好的硬质合金;
  2) 由于该结构与螺纹连接结构相似,所以加工的刀具规格选择成型刀具,其各角度的选择为:零前角和刃倾角为3°~5°,主后角为8°~10°;
  3) 为避免出现粘结现象,前刀面和后刀面应仔细研磨,以保证较小的表面粗糙度;也可用较高的切削速度或极低的切削速度;同时在加工时选择合理的冷却液;
  4) 不锈钢的切屑强韧,故应对断屑、卷屑、排屑采取相应可靠的措施。对刀具进行表面涂层,改善加工条件,提高刀具的耐用度;
  5) 不锈钢导热性能低,切削区域的温度高,加之线膨胀系数较大,容易产生热变形,精加工时容易影响尺寸精度;
  6) 工艺系统的刚性应尽可能高。
  据上述考虑,加之查阅了大量资料,锁紧槽直槽的加工选用YG的φ16和φ10的整体硬质合金立铣刀进行分层粗、精加工,v≈1000r/min, f≈60mm/min;加工锁紧齿形的成型刀选用W2Mo9Cr4VCo8,该种材料属于钨钼系高碳含钴超硬型高速钢,具有高的常温硬度(可达70HRC)和高温硬度、高红硬性、易磨削锋利等特点。使用齿形成型刀时,进给量适当减小,v取120r/min,f依齿形的深度增加逐渐变小,切削液用乳化液。
3.2.2 根据锁紧槽结构形式,开始设计的齿形成型刀见图2。在实际加工过程中发现,这种结构的成型刀长径比大,加工时接触面积大,抗力大,容易产生断刀、变形让刀现象,加工的槽型易出现“喇叭口”。经过反复试验改进,改变刀具结构,最终改为单齿刀见图3,刀杆直径可以最大化,提高刀具刚性,减少加工抗力,改善加工条件。

3.3 改变加工锁紧槽齿形的对刀基准
  原来是以直槽底部对刀,现改为以主轴外圆对刀,与设计基准重合,减少累计误差。对刀示意图见图4。

3.4 在编制锁紧槽齿形程序时考虑刀具补偿
  考虑到刀具直径公差及刀具直径磨损,在齿形精加工时,根据经验数据,沿齿形实际轮廓向外偏置0.10mm,以保证最终加工齿形中径达到图纸要求。
4 齿形检测
  主轴锁紧槽齿形及锁紧块的中径检验。采用检测螺纹中径的方法来测量主轴锁紧槽齿形及锁紧块的中径。量针法测量螺纹单一中径是一种精度较高的方法。根据此处情况采用三针法。三针法测量中径时,为减少牙型半角误差的影响,应选择滚针直径d0尽量接近最佳滚针直径dp[2] 。计算公式如下。
  外螺纹 M=d2+3d0-0.866P
  内螺纹 M=d2-3d0+0.866P
  其中:d2为所要求的槽型中径(螺纹中径);d0为标准三针的滚针直径;P[2]为螺距,M见图5。

5 应用和固化
  通过一系列的改进,该种加工及检测方法已广泛应用于尾透主轴锁紧槽和锁紧块的加工中,形成了一套从加工到检测的完整的工艺方法, 提高了锁紧槽加工质量,装配效果良好。从根本上解决了尾透主轴叶片锁紧组装配难的问题,为整个机组的安全运行打下了基础。

参 考 文 献

[1] 陈日曜.金属切削原理[M].机械工业出版社,1996.
[2] 杨叔子,李斌,张福润.机械加工工艺师手册[M].机械工业出版社,2011.