大直径斜孔的加工技巧分享

图4-45所示为60MW燃气轮机中压缸体，上面分布了4个φ1194mm/φ990.6mm深200mm的斜孔，材质为ZG15Cr2Mo1，毛坯为铸钢件，4个斜孔已铸出毛坯孔，外球表面为非加工表面，试制订工艺方案并编制程序。

图4-45 60MW燃气轮机中压缸体

1.工艺方案设计

60MW燃气轮机中压缸体零件主要是在外球面上加工4个φ1194mm/φ990.6mm深200mm的斜孔，所要加工的空间斜孔与机床主轴不垂直，而且孔的直径很大，“钻—扩—铰”的方案已不能满足加工要求，以往针对这类情况，通常的方法是将工件倾斜一定角度，使所加工的孔轴线与机床主轴一致，这就是我们通常的“摆活”方式。如图4-46所示，由于孔径在φ1000mm左右，可采用镗床镗孔的方式，也可采用铣床铣孔的方法，两种方法对比分析如下：

（1）镗孔方案 若采用图4-46a所示的在卧式（落地）镗床上镗孔方案，机床主轴呈水平状态，工件要倾斜62°，所要加工的孔轴线才能到水平位置，这时，工件下方所垫方箱的高度按下式计算H=（1100mm+860mm）sin62°≈1730mm

而且，气缸棱边着地，气缸所受的加工力与工作台平行，因此，装夹稳固性极差，致使背吃刀量小，效率低，而且因重心过高极易造成倾翻等安全事故。

（2）铣孔方案 图4-46b所示的加工方案是在4.8m×12.8m龙门铣床上来完成的，机床主轴呈垂直状态，工件要倾斜28°，所要加工的孔轴线才能到水平位置，这时，工件下方所垫方箱的高度按下式计算H=（1100mm+860mm）sin29°≈920mm

这时，下垫高度减少了近一半，而工件上受到的加工力与工作台垂直，使工件的装夹稳固性大为提高，加工效率也成倍提高。具体方法为：在龙门铣床上，机床主轴按气缸中心及其他已加工基准面，精确定位后，先用丁字刀盘刻内圆φ990.6mm、外圆φ1194mm加工线，然后用玉米棒铣刀“排铣”内外圆，单边留余量5mm，然后用丁字刀盘加工内圆φ990.6mm外圆φ1194mm至符合图样要求。

图4-46 60MW燃气轮机中压缸体加工方案之一

a）在卧式镗床上加工 b）在龙门铣床上加工

上述两种方案都是要将工件倾斜一定角度，才能使所加工的孔轴线与机床主轴一致，这就是我们通常所说的通过“摆活”来实现。在这两种加工方案中，每加工一个斜孔，工件均要装夹一次，不仅费工、费力，而且每装夹一次，基准也不容易重合，找正定位误差大，加工质量无法保证，所以不是较好的方法。

（3）万向角度铣头铣孔方案 利用万向角度铣头加工工件如图4-47所示，通过万向角度铣头改变机床主轴方向，使孔轴线与铣刀轴线一致。先在普通立式车床上加工出半球底面并在半球底面附近先加工出“找正带”以便工件的找正与装夹，万向角度铣头铣孔只需一次装夹工件，省工、省力，定位精度高，但加工程序相对复杂，这就是“用脑力换体力、用脑力换效率、用脑力换质量”的方法。

图4-47 60MW燃气轮机中压缸体加工方案之二

1—镗床主轴 2—工件 3—万向角度铣头

2.参数设定

在TK6920落地数控镗床上，利用万向角度铣头加工工件，关键是燃气轮机缸体斜孔各参数的设定与计算，具体的参数设定如图4-48所示。

图4-48 燃气轮机缸体斜孔参数设定

（1）直接变量

R01：加工孔半径。

R02：斜孔倾斜角度（孔轴线与水平轴线正方向的夹角）。

R03：斜孔的有效深度。

R04：刀具与斜孔底面的进刀距离。

R05：考虑出刀距离之后，孔的最终深度。

R06：斜孔顶面中心孔的X坐标，孔中心的X坐标轴设为0。

R07：斜孔顶面中心孔的Y坐标。

R08：斜孔顶面中心孔的Z坐标。(www.xing528.com)

R09：铣刀半径。

（2）操作控制参数

R46：圆周方向，圆周等分参数。

R47：深度方向，每个层次加工的深度（深度步长）。

R48：每次插补的距离，控制插补精度（角度步长）。

R49：考虑到程序同时适合斜外圆柱/斜内孔的加工，R49=±1，取+1时为斜外圆柱的加工，取−1时为斜内孔的加工，如图4-49所示。

图4-49 斜外圆柱/斜内孔的加工

a）斜外圆柱，R49=+1 b）斜内孔，R49=−1

3.空间各参数坐标点的计算

要计算动点P的坐标，首先要求出OPX与PPX的长度。根据图4-50所示的几何关系有OPX的长度=R01cos46°，PPX的长度=R01sin46°

图中OPX的长度与X轴平行，其长度就是动点P的X坐标，PPX的长度是在YZ坐标平面，需要进行分解，即动点P的Y坐标等于PP′的长度，动点P的Z坐标等于PPX的长度，因此P点的坐标计算如下

X=R01cosR46，Y=（R01sinR46）sinR02+ R07，Z=（R01sinR46）cosR02+R08

这是动点P的坐标，编程时还要考虑刀具半径R03与孔的深度参数，缸体斜内孔空间各参数坐标点在三个坐标平面上的投影关系如图4-50所示。

图4-50 缸体斜内孔空间各参数坐标点的计算

4.编制程序

1）参数子程序（用于计算空间各参数坐标点）程序如下：

（2）斜孔铣削主程序 在TK6920落地数控镗床上加工缸体斜内孔如图4-51所示。通过主程序调用相应R参数子程序，并赋予相应变量值，就可完成相应孔的加工，每加工完一个孔后，工作台（带B轴）旋转一个角度，加工下一个孔，直到加工完全部孔，结束程序。程序如下：

图4-51 在TK6920落地数控镗床上加工缸体斜内孔

1—落地数控镗床 2—工件找正带 3—φ1194斜圆孔

点评

传统的“摆活”方式加工斜面、斜孔、斜槽都是以牺牲效率换来的：工件要多次装夹需要设计制造专用的工艺装备，加工中工件稳固性极差，又存在安全隐患等；而使用万向角度铣头加工类似零件，如GE缸各斜面、斜孔、斜槽等（图4-50），也只需一次装卡工件，节省了工时、体力，产品精度得到了很好的保证，取得了较好的应用效果。同时，工件在加工中的安装基面就是工件以后的工作基面，稳固性好，也消除了加工中的安全隐患说明通过万向角度铣头与R参数子程序编程的完美结合，完成斜面及其上的孔、槽的加工是完全可行的。另外，同一个R参数子程序KONGJISHUAN，通过改变R49的值，实现斜面外圆柱/内孔的加工，一举多得，这就是“用脑力换体力、用脑力换效率、用脑力换质量”的方法，加工质量与效率得到了同步提高。