4/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU

10

METODA NACINANIA GWINTÓW WEWNĘTRZNYCH

W REGENEROWANYCH POŁĄCZENIACH

GWINTOWYCH KORPUSÓW TURBIN

Kazimierz RYCHLIK, Mirosław BRAMOWICZ

Rozpoznanie rynku wskazuje, że w sektorze obrabia-

rek przenośnych istnieje duże zapotrzebowanie na ob-rabiarki z grupy remontowej. Postępujące zużycie ele-mentów o dużych gabarytach wymaga cyklicznego sto-sowania zabiegów remontowych. Rozmiary przedmiotu obrabianego i wysokie wymagania dokładności obróbki zmuszają zakłady przemysłowe wyspecjalizowane w usługach remontowych do stosowania obrabiarek o znacznych gabarytach i dużych mocach. Zastosowa-nie takiej metody regeneracji zmusza usługobiorcę do demontażu przedmiotu obrabianego z zespołu, którego jest częścią, co ze względu na ciężar i gabaryty przed-miotu bywa kłopotliwe. Dodatkowo konieczne jest także zapewnienie transportu do siedziby usługodawcy. Za-kłady przemysłowe oferujące usługi obróbki skrawaniem przedmiotów wielkogabarytowych borykają się z pod-stawowym problemem, jakim jest obciążenie znaczną liczbą zamówień, których okres realizacji wynosi od kilku miesięcy do kilku lat. Konieczność odciążenia obrabia-rek wielkogabarytowych oraz przerwy w pracy spowo-dowane czynnikami losowymi sprawiają, że możliwości wykonania mniejszej usługi nieujętej w planach produk-cyjnych firmy jest znikoma. Odpowiedzią na bolączki obu stron wydaje się nowy trend w dziedzinie obróbki skrawaniem zwany „IN – SITU machining” (obróbka w miejscu pracy) lub „ON – SITE machining” (obróbka na miejscu pracy). Obrabiarki przeznaczone do tego typu obróbki mają kompaktowe rozmiary, a jednocze-śnie pozwalają uzyskać duże dokładności, które są wy-magane przez odbiorców.

ZADANIE TECHNOLOGICZNE

Jednym z zadań technologicznych realizowanych

przez grupę obrabiarek przenośnych zaprojektowanych i wykonanych w Zakładzie Obrabiarek Instytutu Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego było wykonanie gwintu wewnętrznego w korpusach turbin (rys. 1).

Przedstawione parametry wynikają bezpośrednio z rodzaju połączeń występujących w korpusach turbin parowych i gazowych oraz przyjętych założeń technolo-gicznych.

Podczas remontu korpus turbiny rozdzielany jest na dwie połowy (rys. 2). Połowy te połączone są za po-mocą specjalnych śrub. W trakcie odkręcania, w więk-szości przypadków, śruby są urywane. Stan ten wy-maga specjalnego podejścia do przedstawianego za-

gadnienia. Urwane śruby mogą być wyjęte z zastoso-waniem różnych metod, jednak użycie tego samego gwintu znajdującego się w korpusach do kolejnego łą-czenia połówek korpusu jest niedopuszczalne. Istnieje zatem konieczność ponownego wykonania gwintu w miejscu, gdzie doszło do urwania śruby.

Rys. 1. Przekrój poprzeczny przedmiotu ze wskazanym zada-niem technologicznym

2

3

1

Rys. 2. Model wału z połową korpusu turbiny: 1 – wał turbiny, 2 – korpus turbiny, 3 – otwory montażowe

TECHNOLOGIA OBRÓBKI

Dla skutecznej realizacji przedstawionego zadania

technologicznego została opracowana technologia naci-nania gwintu wewnętrznego składająca się z dwóch głównych etapów: • Etap 1 – Przygotowanie otworu pod gwint (planowa-

nie powierzchni urwanej śruby, wiercenie wstęp-nego otworu, roztaczanie otworu na wymiar pod odpowiedni gwint).

• Etap 2 – Wykonanie gwintu (nacięcie nowego gwintu).

Przygotowanie otworu pod gwint

Pierwszym zabiegiem wykonywanym podczas rege-neracji jest wiercenie wstępne otworu. Czasami jednak

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 4/2010

11

można wykonać planowanie czoła urwanej śruby, co ułatwia późniejszą pracę wiertła w początkowym jego okresie skrawania.

Wiercenie otworu zostało zrealizowane wiertłem T-MAX U R416.2-0450L-41 firmy SANDVIK CORO-MANT zamocowanym w oprawce narzędziowej 7620, 50-50-110 – BISON-BIAL, co przedstawiono na rys. 3.

Podczas badań zaobserwowano, że na głębokości 90 mm wierconego otworu wióry powodują zapychanie kanałów wiórowych, a w konsekwencji przeciążenie i za-trzymanie obrabiarki. Badania prowadzone były bez użycia sprężonego powietrza planowanego do wydmu-chiwania wiórów. W kolejnym kroku zmieniono posuw na obrót do 0,025 mm/obr, co wyeliminowało zjawisko zapychania.

a)

b)

Rys. 3. Wiercenie otworu wstępnego: a) narzędzie, b) wióry

Kolejnym zabiegiem realizowanym podczas regene-

racji połączeń gwintowych jest roztaczanie otworu na odpowiedni wymiar.

Wytaczanie otworów zostało wykonane przy użyciu głowicy narzędziowej TA−170 D’ANDREA z parame-trami przedstawionymi w tab. 1.

Tabela 1. Parametry roztaczania otworów

Parametr Wartość Średnica wytaczania

∅ 45 ÷ 140 [mm]

Głębokość warstwy skrawanej

1 ÷ 4 [mm]

Prędkość obrotowa wrzeciona

300 [obr/min]

Posuw na obrót

0,025 – 0,05 – 0,01 [mm/obr]

Prędkość skrawania

42 ÷ 130 [mm/min]

W wyniku przeprowadzonych prób obróbkowych

i badań zostały zoptymalizowane parametry skrawania,

przy których obrabiana powierzchnia (rys. 4) uzyskała wymagane parametry. a)

b)

Rys. 4. Roztaczanie otworu: a) przedmiot obrobiony, b) wióry

Wykonanie gwintu

Nacinanie gwintu przy regeneracji połączeń śrubo-wych korpusów turbin jest zabiegiem najtrudniejszym. Gwinty wewnętrzne można wykonywać różnymi narzę-dziami. Mogą to być gwintowniki, frezy, noże itp. Ogra-niczenia wynikające ze specyfiki przedmiotu i procesu regeneracji nie pozwalają jednak na dowolny wybór metody gwintowania. W przedstawianym przypadku je-dynym sposobem wykonania gwintu było zastosowanie noża z płytką. Dla wykonania gwintu wewnętrznego płytką istnieją trzy różne metody zagłębiania się narzę-dzia w obrabiany przedmiot (rys. 5).

a) b) c)

Rys. 5. Metody zagłębiania się płytki w obrabiany przedmiot podczas gwintowania: a) dosuw wgłębny, b) zmodyfikowany dosuw boczny, c) dosuw wgłębny naprzemienny

Dosuw wgłębny (rys. 5 a) to typowy sposób stoso-

wany tam, gdzie płytka jest zagłębiana pod kątem w stosunku do przedmiotu obrabianego i jest formowany sztywny wiór w kształcie V na obu stronach krawędzi skrawającej. Zużycie narzędzia na obu stronach płytki jest bardziej równomierne, a metoda ta jest bardziej od-

4/2010 TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU

12

powiednia do małych skoków i materiałów utwardzają-cych się w czasie obróbki.

Zmodyfikowany dosuw boczny (rys. 5 b) jest to me-toda korzystna dla nowoczesnych operacji toczenia gwintów na obrabiarkach sterowanych numerycznie. Są one oprogramowane do przeprowadzenia takiej obróbki w poszczególnych cyklach. Płytka jest zagłębiana pod kątem, którego miara jest równa mierze kąta zarysu, pomniejszonej o miarę kąta przyłożenia. Luz za skra-wającym narożem, jak w typowych operacjach toczenia, powinien zostać zapewniony w kierunku posuwu. Kon-trola wióra jest lepsza, proces jest bardziej zbliżony do typowego procesu toczenia i do zastosowanych płytek łamiących wiór z geometrią typu C. W metodzie tej pod-czas skrawania wydziela się mniej ciepła, a bezpieczeń-stwo produkcji jest wysokie. Skłonność do drgań może wzrosnąć podczas wykonywania gwintów o mniejszych skokach lub gdy powierzchnia styku jest znaczna, co może być ograniczone przez zastosowanie bocznego dosuwu wgłębnego.

Dosuw wgłębny naprzemienny (rys. 5 c) to metoda używana zazwyczaj do większych zarysów. Płytka wy-konuje skrawanie w naprzemiennych przejściach. Zuży-cie płytki postępuje równomiernie. Jedna strona zarysu gwintu jest wykonywana w kilku naprzemiennych przej-ściach. Narzędzie jest wtedy przesuwane i kolejna strona zarysu obrabiana jest w ten sam sposób aż do uzyskania pełnego zamierzonego zarysu.

Wszystkie przedstawione metody znajdują swobodne zastosowanie w przypadku, kiedy wykonywany jest gwint zewnętrzny. Narzędzia obróbkowe mają dużo miejsca, dzięki czemu mogą posiadać odpowiednio sztywną konstrukcję. W przypadku wykonywania gwin-tów wewnętrznych sytuacja się mocno komplikuje. Wy-miary narzędzi są ograniczone wymiarami otworu wstępnego, w którym będzie nacinany gwint. Zbyt mała średnica otworu oraz zbyt duża głębokość wpływa bar-dzo niekorzystnie na sztywność narzędzia. Przy tak nie-korzystnych ograniczeniach należałoby poszukiwać metody nacinania gwintu, gdzie występujące siły skra-wania są najmniejsze. W tym przypadku odpowiednią metodą wydawać by się mogła metoda zmodyfikowa-nego dosuwu wgłębnego. Analiza zarysu gwintu (rys. 6) wykazuje, że długość czynnej krawędzi skrawającej bę-dzie się zwiększała stopniowo zależnie od skoku gwintu, natomiast będzie się zmniejszała grubość warstwy skrawanej. Istotne jest, aby pole przekroju poprzecz-nego warstwy skrawanej utrzymywane było na stałym poziomie.

Przy zastosowaniu metody zmodyfikowanego po-suwu wgłębnego i założeniu, że grubość warstwy skra-wanej będzie wynosiła 0,05 mm (tab. 2), najtrudniej-szym gwintem do wykonania będzie gwint o skoku 8 mm.

Przeprowadzone analizy wykazały, że wykonanie gwintu M8 na średnicy 140 mm będzie wymagało zapo-trzebowania momentu ok. 40 Nm, a siła skrawania wy-

nosiła będzie ok. 600 N. Skutki niekorzystnego wpływu sił na narzędzie przedstawiono na rys. 7. Tabela 2. Parametry warstwy skrawanej

Skok gwintu [mm]

Maks. szerokość warstwy

skrawanej [mm]

Grubość warstwy

skrawanej [mm]

Pole przekroju

poprzecznego warstwy

skrawanej [mm2]

3 2,2 0,05 0,11 4 3 0,05 0,15 6 4,4 0,05 0,22 8 6 0,05 0,3

Rys. 6. Zarys gwintu metrycznego a)

b)

Rys. 7. Powierzchnia gwintu po obróbce metodą zmodyfikowa-nego posuwu wgłębnego: a) gwint o skoku 3, b) gwint o skoku 8

Konstrukcja narzędzia, jak wcześniej wspomniano,

została ograniczona wymiarami wstępnego otworu, co przedstawiono na rys. 8.

Dla rozwiązania problemu została zaproponowana inna metoda wykonywania gwintu. Aby uzyskać małe siły skrawania, zostały ograniczone pola przekroju po-przecznego warstwy skrawanej. Wprowadzono metodę wierszowania wgłębnego (rys. 9). Metoda polega na stopniowym skrawaniu poszczególnych warstw zarysu

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU 4/2010

13

gwintu w kilku lub kilkunastu przejściach narzędzia po jednej warstwie.

Rys. 8. Ograniczenia technologiczne dla wykonywanych gwin-tów

Rys. 9. Wierszowanie gwintu o skoku 3 mm

Jak przedstawiono na rys. 9, liczba przejść narzędzia

dla gwintu o skoku 3 mm nie jest zbyt duża. Liczbę tę można ograniczać, stosując większe odstępy pomiędzy poszczególnymi przejściami narzędzia na tej samej warstwie. Należy jednak mięć na uwadze wzrastające siły skrawania i niekorzystny ich wpływ na obrabianą powierzchnię gwintu.

Problem wykonywania gwintów szczególnie się na-sila w rozpatrywanym przypadku dla gwintów o skoku 6 i 8 mm. Liczba przejść narzędzia wynosi ok. 400. Do tego typu metody niezbędne jest sterowanie nume-ryczne maszyny w trzech osiach.

PODSUMOWANIE

Zapotrzebowanie na usługi remontowe przedstawio-nego typu występują w wielu gałęziach przemysłu. Re-generacja wielkogabarytowych przedmiotów w miejscu

pracy pozwala zaoszczędzić dużo czasu potrzebnego na demontaż i transport przedmiotu obrabianego do za-kładu remontowego, jak również kosztów wynikających z postoju urządzenia.

Przedstawiona metoda wykonywania gwintów ze-wnętrznych została opracowana przez Zakład Obrabia-rek IMBiGS i wdrożona w zakładzie produkcyjnym. Za-stosowanie przedstawionej metody wymaga jednak w każdym przypadku szczegółowej analizy sztywności narzędzia, parametrów skrawania, konfiguracji obra-biarki itp. Do realizacji przedstawionej metody wyma-gane jest zastosowanie specjalnej obrabiarki ze stero-waniem CNC w trzech osiach. LITERATURA

1. Jemielniak K.: Obróbka skrawaniem. OWPW, War-

szawa 1998. 2. Olszak W.: Obróbka skrawaniem. WNT, Warszawa

2008. 3. Rychlik K., Jastrzębski M.:

Problemy technologiczne obróbki otworów w wielko-gabarytowych przedmio-tach − modułowe obrabiarki przenośne. Technologia i Automatyzacja Montażu nr 2/ 2009.

4. Rychlik K., Jastrzębski M., Rutkowski K.: Obróbka otworów montażowych w połączeniach kołnierzo-wych wałów turbin gazo-wych i parowych. Przegląd Mechaniczny nr 11/ 2009.

5. Rychlik K., Jastrzębski M., Pabich M.: Adaptacja współrzędnościowej obra-biarki na potrzeby zada-

niowej obróbki korpusów turbin. Technologia i Auto-matyzacja Montażu nr 4/2009.

6. Szymczak W.: Opracowanie dokumentacji konstruk-cyjnej oraz wykonanie współrzędnościowej jed-nostki obróbkowej typu LNB-64. Biuletyn Naukowo- -Techniczny OBK KOPROTECH nr 20/2004.

7. Szymczak W.: Technologia usuwania urwanych śrub za pomocą obrabiarki typu LNB-68. Technolo-gia i Automatyzacja Montażu nr 1/2008.

8. Wzór użytkowy W 117914 – Obrabiarka zadaniowa. 9. Patent P 386939 – Sposób i wytaczarka precyzyjna

przenośna do wytaczania otworów w kołnierzach wałów turbin i wałów okrętowych.

10. Poradnik obróbki skrawaniem firmy Sandvik Coro-mant.

_________________ Inż. Kazimierz Rychlik jest pracownikiem Instytutu Me-chanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego w War-szawie. Dr inż. Mirosław Bramowicz jest pracownikiem Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie.