螺旋水纹线铣削加工方法研究

于 翔，柏长友

(共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021)

0 引言

密封面水纹线的作用主要是加强法兰面的密封，其原理是在法兰面上加工出规则的环槽，法兰之间互相连接时在接触面之间放置软质密封垫[1]，通过连接螺栓的压紧力使软质密封垫产生弹性变形并填充在凹槽之中，形成迷宫式密封。常见的水纹线有同心圆式水纹线和螺旋式水纹线，螺旋式水纹线自一点开始直至全部结束，在密封面上连续存在，密封效果优于同心圆式水纹线，通常用于承受压力较高的零部件。螺旋式水纹线常见的加工方法为车削加工，该方法仅适用于回转体类工件，某些非回转体零部件上布置的螺旋式水纹线，如气缸的管口端面、压缩机蜗壳的出气口端面等部位，无法通过车削完成螺旋水纹线的加工，需要在落地镗铣床采用铣削的方式进行加工。

1 螺旋水纹线的标准要求

根据ASME B16.47要求，螺旋水纹线从内圆某一点进刀，连续切削，完成加工后从终止点退刀，如图1所示。铣削加工时刀具半径应大于或等于1.5 mm，水纹线螺距为0.46 mm～0.55 mm，粗糙度要求为Ra3.2～Ra6.3，即加工时每毫米的齿数为1.8～2.2。根据此标准要求，此处确定螺旋水纹线节距为0.5 mm，铣削刀具半径为1.5 mm，螺旋式水纹线截面如图2所示。

图1 螺旋式水纹线示意图

图2 螺旋式水纹线截面示意图

2 螺旋水纹线的加工方法

2.1 采用硬质合金球型铣刀

根据螺旋水纹线截面示意图，采用D3R1.5硬质合金球型铣刀加工，整体硬质合金刀具耐磨性好、寿命长，能够保证连续切削时的加工精度和表面质量。在设计刀具结构时，为了提高刀具强度，避免加工过程中刀具折断，提高刀具耐用度，将刀具夹持部位直径设计为大于3 mm，在刀具切削部位和夹持部位之间设计锥形进行过渡。硬质合金球型铣刀示意图如图3所示。

图3硬质合金球型铣刀示意图

2.2 应用增速器刀柄

(1) 铣削后的表面质量差，加工表面波纹严重，影响密封效果。

(2) 为保证表面质量会降低进给速度，导致加工效率低。

为解决此问题，在机床主轴上装配如图4所示的增速器刀柄，通过增速器刀柄使刀具转速提高至机床转速的3倍，从而保证刀具切削时的线速度，这样可以在保证加工质量的前提下，显著提高加工效率。

图4 增速器刀柄示意图

2.3 确定铣削加工方案

加工时刀具从起始点进刀，连续切削至终止点后退刀，为保证水纹线的连续性，中间不能存在任何的停顿及抬刀、落刀[2]。根据螺旋水纹线截面示意图可知：加工理论深度要求为0.02 mm，考虑工件密封端面加工完成后的平面度偏差，实际加工深度设置为0.05 mm。加工时，机床Z轴首先进给至-0.05位置，然后采用X轴、Y轴联动的方式从螺旋水纹线内圆起始点运行至外圆终止点，即完成螺旋水纹线的加工。

3 基于西门子数控系统的螺旋水纹线铣削加工程序

为实现螺旋水纹线自起始点进刀连续切削至终止点，采用西门子R参数编程的方式。其基本原理为：将螺旋线圆弧分解为若干直段进行拟合，当直段足够小时，可以近似地定义为圆弧。通过确定切削的起始点、终止点及增量值，运用西门子R参数编程自带的计算功能[3]，实现螺旋线加工，具体数控程序如下：

R1=335 //切削起始位置圆弧半径

R2=0 //初始角度值

R3=0.5 //螺旋水纹线节距

R4=0.1 //角度增量值

R5=R3/360

R6=397.5 //切削终止位置圆弧半径

R7=0.05 //切削深度

G0 X0 Y0

G1 Z=-R7 F600 //Z轴进给至切削深度

MARKE_1:

R12=R1*COS(R2) //X轴坐标计算

R13=R1*SIN(R2) //Y轴坐标计算

G1 X=R12 Y=R13 //直线插补切削

R2=R2+R4 //角度变量叠加

R1=R1+R5*R4 //半径变量叠加

IF R1<=R6 GOTOB MARKE_1 //终止位置半径判断

通过加工验证，该程序能够完全满足螺旋水纹线的铣削加工要求，加工后的螺旋式水纹线如图5所示。

图5 铣削加工完的螺旋水纹线

4 小结

通过分析螺旋式水纹密封线的加工标准，设计专用的硬质合金铣刀，采用增速器刀柄，充分运用西门子数控系统R参数编程方法，实现了螺旋式水纹密封线的铣削加工，为螺旋式水纹线的铣削加工提供了很好的借鉴。