CN102806443A - 一种喷嘴壳体工件的数控加工方法 - Google Patents

Abstract

一种喷嘴壳体工件的数控加工方法，采用具有双主轴及在线测量装置的数控车铣复合加工中心，喷嘴壳体工件的毛坯件为模锻件，该模锻件材料为镍基高温合金，该方法包括如下步骤：设计喷嘴壳体加工工艺路线；对模锻件进行钳工打磨，打掉工件锻造分模面毛边及端面拔模斜度；粗车工件尾部；数控车铣加工全部；数控精车工件头部；对工件进行清洗、标印，并检验。本方法合理地设计零件的加工工艺路线、工艺方法以及零件的加工定位基准，在一次装夹过程中，完成喷嘴壳体内腔、外圆、侧面接头和定位销等多个部位的加工。解决了用模锻件加工结构复杂、壁薄、尺寸精度和位置精度要求很高，且加工周期长、生产效率低、尺寸精度和位置精度难以保证的加工难题。

Description

一种喷嘴壳体工件的数控加工方法

技术领域

本发明涉及航空器发动机制造技术领域，具体涉及一种喷嘴壳体工件的数控加工方法。

背景技术

喷嘴壳体类零件模锻件加工结构复杂、壁薄、尺寸精度和位置精度要求很高，且材料难加工，例如某发动机喷嘴壳体结构复杂，如图1、2所示，毛坯为模锻件，图2中，2为工件尾部外圆，29为毛边，6为工件头部外圆，材料为难加工镍基高温合金，由于该零件上有四个进油接头和一个定位销15，技术条件要求很高，内螺纹7对头部内孔3（D）的同轴度要求不大于φ0.03mm，内孔端面16相对于头部内孔4（A）的垂直度不大于0.02mm，头部内孔4（A）和小内孔5分别相对于基准孔D（头部内孔3）的同轴度不大于φ0.03mm，头部内孔3(D)与头部外圆6（H）的同轴度不大于φ0.10mm，四个进油接头分别相对于端面1（C）和外圆6（H）的位置度不大于φ0.20mm，原来采用普通的设备加工，占用车、铣、钻、螺纹铣等设备较多，共需要22道工序，加工工艺路线长，生产周期长，难以保证批量生产的进度要求，加工过程中刀具磨损快，喷嘴壳体内腔尺寸精度和位置精度难以保证。因此，在一次装夹过程中，完成喷嘴壳体内腔、外圆、侧面四个接头和侧面定位销15等多个部位的加工，是解决零件加工周期长、使用工装多、零件合格率低等技术关键。

发明内容

为解决毛坯为模锻件的喷嘴壳体类零件模锻件的加工周期长、生产效率低、尺寸精度低和位置精度低的问题，本发明提供一种喷嘴壳体工件的数控加工方法。

本发明的喷嘴壳体工件的数控加工方法采用具有双主轴及在线测量装置的数控车铣复合加工中心；

本发明所述的喷嘴壳体工件的毛坯件为模锻件，材料为镍基高温合金；

一种喷嘴壳体工件的数控加工方法，包括如下步骤：

步骤1：设计喷嘴壳体加工工艺路线；

    该加工工艺路线的先后顺序为：模锻件、钳工打磨、粗车尾部、数控车铣加工全部、打磨锐边、数控精车头部、打磨锐边、清洗、标印和最终检验；

步骤2：对模锻件进行钳工打磨，打掉工件分模面毛边和端面拔模斜度；

步骤3：粗车工件尾部：用三爪卡盘将工件装夹在车床上，以该工件头部外圆和头部端面定位，夹紧头部外圆，加工出粗基准，并去除内孔余量；

步骤4：数控车铣加工全部；

在车铣复合加工中心上完成一次装夹和加工出工件的所有表面，保证工件内螺纹相对于内孔的同轴度，以及侧向接头内孔对头部外圆和尾部端面的位置度，并且将头部外圆单面留出加工余量；将工件尾部外圆和端面分别作为数控加工的径向和轴向定位基准，用工件的两侧平面作为角向基准，采用找正角向基准的方法来实现角向定位；

具体是将工件加工区域分到车铣复合加工中心的两个主轴上，进行数控车铣加工，步骤如下：

步骤4.1：在第一主轴上数控加工；

在第一主轴上，将工件尾部端面作为轴向基准，尾部外圆作为径向基准，工件两侧平面作为角向基准，采用找正角向基准的方法来实现角向定位，采用硬爪卡盘将工件装夹在第一主轴上；

工件在第一主轴上的加工先后顺序为：

测量找正角向基准、粗车头部端面和头部外圆、精车头部端面和头部外圆、粗铣侧向定位销、精铣侧向定位销、粗铣外槽、精铣外槽、打中心孔、粗钻头部小内孔、粗镗小内孔、粗镗头部内孔、镗大内槽、精镗头部内孔、铣侧面大小接头端面（四个接头）、铣侧面大接头外圆（两个大接头）、打中心孔、钻侧面大接头内通孔（两个小接头）、精铣侧面大接头外圆和精铣侧面大接头内孔；

步骤4.2：在第二主轴上数控加工；

在第二主轴上，以工件头部外圆和头部端面为基准，采用软三爪卡盘，并利用机床两主轴可实现静态对接的功能，将工件装夹到第二主轴上；

工件在第二主轴上的加工的先后顺序为：

对接零件（外圆和端面）、车尾部端面和尾部外圆、车外槽、打中心孔、粗铣侧面接头外圆（两个小接头）、粗镗头部内孔和内螺纹底孔、镗小内槽、精镗头部内孔和小内孔、镗小内槽、镗螺纹空刀槽、车内螺纹、钻侧面小接头内通孔（两个小接头）、精铣侧面小接头外圆（两个小接头）、精铣侧面小接头内孔（两个小接头）、钻四个径向小孔和铣毛边；

数控车铣加工全部后，打磨锐边；

步骤5：在车铣复合加工中心上数控精车工件头部；

采用软三爪卡盘和专用夹具装夹工件，以尾部端面和内孔定位，拉紧内螺纹，加工工件头部分粗、精加工，该专用夹具为带螺纹的阶梯轴，其尺寸根据要装夹的工件来确定；；

精车工件头部的加工先后顺序为：

车头部端面、车锥面、车头部外圆、车倒角，粗精加工各采用一把数控车刀，根据加工参数进行加工，然后打磨锐边；

步骤6：对工件进行清洗、标印，并检验。

有益效果：

本方法采用具有双主轴及在线测量装置的数控车铣复合加工中心代替普通设备加工零件，合理地设计零件的加工工艺路线、工艺方法以及零件的加工定位基准，在一次装夹过程中，完成喷嘴壳体内腔、外圆、侧面接头和定位销等多个部位的加工。解决了用模锻件加工结构复杂、壁薄、尺寸精度和位置精度要求很高，且材料难加工的喷嘴壳体类零件的加工周期长、生产效率低、尺寸精度和位置精度难以保证的加工难题。发动机喷嘴壳体数控加工新工艺经过小批量的生产实际验证，加工过程稳定，质量明显改善，零件一次提交合格率明显提高，生产周期由原来的70天/50件缩短到40天/50件，生产效率提高了75%，夹具由原来的8套减少到1套，使用的设备由原来的14台减少到现在的2台，生产人员由原来的17人减少到5人。

附图说明

图1是零件主视图的剖视图；

图2是零件主视图的俯视图；

图3是零件毛坯图的主视图；

图4是零件毛坯图的俯视图；

图5是本发明具体实施方式零件粗车尾部工序主视图；

图6是本发明具体实施方式零件粗车尾部工序俯视图；

图7是本发明具体实施方式数控车铣加工全部工序主视图；

图8是本发明具体实施方式数控车铣加工全部工序俯视图；

图9是本发明具体实施方式数控精车头部工序主视图；

图10是本发明具体实施方式数控精车头部工序用专用夹具示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步说明。

本实施方式采用具有双主轴及在线测量装置的数控车铣复合加工中心WFL M30-G一次加工完成喷嘴壳体绝大部分零件表面。

如图1、2所示，喷嘴壳体结构复杂，加工尺寸和位置精度都较高，内螺纹7对头部内孔3（D）的同轴度要求不大于φ0.03mm，内孔端面16相对于头部内孔4（A）的垂直度不大于0.02mm，头部内孔4和头部小内孔5分别相对于基准孔3(D)的同轴度不大于φ0.03mm，头部内孔3(D)与头部外圆6(H)的同轴度不大于φ0.10mm。工件侧面有四个进油接头，其中两个为大接头，两个为小接头，四个进油接头的内孔分别相对于尾部端面1（C）和头部外圆6（H）的位置度不大于φ0.20mm，头部内孔3（D）的长径比为4：1，头部内孔4较深，小接头内孔12为径向孔，且该小接头内孔12与头部内孔3贯通，零件最小壁厚为1.6mm，属于薄壁深孔加工的零件，刚性较差，装夹易变形，零件材料为镍基高温合金，属于难切削材料，零件毛坯为模锻件，加工余量较大，切削时刀具磨损剧烈，刀具寿命低。零件的加工难点主要集中在内腔和侧面大接头内孔9和侧面小接头内孔11的加工上。

执行本方法对喷嘴壳体工件进行加工的方法，具体步骤为：

步骤1：设计喷嘴壳体加工工艺路线；

喷嘴壳体在普通设备上加工的工艺路线的先后顺序为：

对模锻件进行钳工打磨；粗车尾部端面1和尾部外圆2；粗车头部外圆6；钳工划线；铣两个大接头的端面8；铣两个外槽13；精车尾部端面1、尾部外圆2、头部内孔3、头部内孔4、头部小内孔5、大内槽17和小内槽18；铣毛边；钳工划线；车两个大接头的端面8、大接头内孔9、大接头内通孔10和大接头外圆19；车两个小接头的端面8、小接头内孔11、小接头内孔12、小接头外圆20；车侧向固定销15；车内腔部分（包括车头部内孔3、头部内孔4、头部小内孔5和内螺纹底孔7）；钻四个径向小孔21；打磨锐边；铣内螺纹7；精车头部外圆6、锥面22、锥面23；打磨锐边；清洗；标印；最终检验；共22道工序，需要8套专用夹具。

为解决喷嘴壳体毛坯表面定位不稳定和内腔加工余量大的问题，先在普通车床上，按图5、6所示，用三爪卡盘装夹，以头部外圆6（H）和端面N定位，夹紧头部外圆6（H），加工出粗基准B和C，并去除头部小内孔5部分余量。尾部外圆2(B)和尾部端面1(C)作为数控加工的径向和轴向定位基准（见图3、4），用毛坯件的两侧平面24作为角向基准G，找正基准，在车铣复合加工中心上实现一次装夹加工所有表面，以保证内螺纹7相对于头部内孔3的同轴度，以及大接头内孔9、小接头内孔11对头部外圆6（H）和尾部端面1（C）的位置度（见图1）。为防止零件壁薄装夹变形问题，将头部外圆6（H）单面留1.2mm的加工余量进行精加工，将在普通设备上加工的工艺路线优化后的工艺路线先后顺序为：

模锻件；钳工打磨；粗车尾部端面1、尾部外圆2和头部小内孔5；数控车铣加工全部；打磨锐边；数控精车头部外圆6、锥面22和锥面23；打磨锐边；清洗；标印；最终检验；

优化后的工艺路线将原来的14道工序合并为1道工序，自制一个带螺纹的阶梯轴用作专用夹具，节省了7套夹具。

步骤2：对模锻件进行钳工打磨，打掉工件分模面毛边和端面拔模斜度；

步骤3：粗车工件尾部：如图6所示，用三爪卡盘将工件装夹在车床上，如图3、图5所示，以该工件头部外圆6（H）和端面N定位，夹紧头部外圆6（H），加工出粗基准B和C，并去除内孔余量；

步骤4：数控车铣加工全部，工序如图7、8所示；

在车铣复合加工中心上完成一次装夹和加工出工件的所有表面，保证工件内螺纹相对于内孔的同轴度，以及侧面接头内孔对头部外圆和尾部端面的位置度，并且为防止工件壁薄而导致装夹变形，将头部外圆H单面留出加工余量进行精加工；

根据喷嘴壳体的结构特点（见图1、2所示）可知，喷嘴壳体包括头部内孔3（D）（两段）、头部内孔4（A）、大内槽17、小内槽18、内螺纹7、头部外圆6（H）、尾部外圆2（B）、大接头内孔9、小接头内孔11（共2个大接头和2个小接头）和侧向定位销15。

根据数控车铣复合加工中心为双主轴的特点，两个主轴只有一个硬爪卡盘和一个软爪卡盘，将加工区域分派到两个主轴上加工。在第一主轴上，由于没有软爪卡盘，只能采用硬爪卡盘装夹，但硬爪卡盘无法实现以尾部端面1（C）定位，只能将轴向基准C（尾部端面1）转换为端面25（F），用毛坯件的两侧平面24（G）作为角向找正基准，见图3、4所示。

具体是将工件加工区域分到车铣复合加工中心的两个主轴上，进行数控车铣加工，步骤如下：

步骤4.1：第一主轴数控加工；

在第一主轴上，将工件端面25作为轴向基准F，尾部外圆2作为径向基准，工件两侧平面24作为角向基准G，采用找正角向基准的方法来实现角向定位，采用硬爪卡盘将工件装夹在第一主轴上；

工件在第一主轴上的加工路线先后顺序为：

测量角向基准G；粗车头部端面26和头部外圆6（H）；精车头部端面26和头部外圆6（H）；粗铣侧向定位销15；精铣侧向定位销15；粗铣外槽13；精铣外槽13；打中心孔；粗钻头部小内孔5；粗镗头部小内孔5；粗镗头部内孔4（A）；镗大内槽17；精镗头部内孔3（D）；铣四个进油接头的端面8；铣两个大接头外圆19；打中心孔；钻两个大接头的内通孔10；精铣两个大接头的外圆19；精铣两个大接头内孔9。

步骤4.2：第二主轴数控加工；

在第二主轴上，以工件头部外圆6（H）和头部端面26为基准，采用软三爪卡盘，并利用机床两主轴可实现静态对接的功能，将工件装夹到第二主轴上；

工件在第二主轴上的加工路线先后顺序为：

对接零件（头部外圆6（H）和头部端面26（K））；车尾部端面1（C）和尾部外圆2（B）；车外槽14；打中心孔；粗铣两个小接头的外圆20；粗镗头部内孔4（A）；镗头部内孔3（D）（两段）和内螺纹底孔7；镗小内槽18；精镗头部内孔3（D）、头部内孔4（A）和头部小内孔5；镗小内槽18；镗螺纹空刀槽27；车内螺纹7；钻两个小接头的内通孔12；精铣两个小接头的外圆20；精铣两个小接头的内孔11和12；钻四个径向小孔21；铣毛边29。

数控加工前测量角向基准采用数控车铣复合加工中心WFL M30-G的在线测量功能，用在线测头分别测量喷嘴壳体毛坯件上的两侧平面24作为C轴的零点，其加工工艺参数见表1，

表1  加工工艺参数

步骤5：在车铣复合加工中心上数控精车工件头部；

精车工件头部工序如图9所示，采用软三爪卡盘和专用夹具装夹工件，以基准C（尾部端面1）和基准D（头部内孔3）定位，拉紧内螺纹7（S），加工工件头部分粗、精加工，如图10所示，该专用夹具为带螺纹的阶梯轴，其尺寸根据要装夹的工件来确定；

精车工件头部的加工路线先后顺序为：

车头部端面26；车锥面23；车锥面22；车头部外圆6和车倒角28。粗精加工各采用一把数控车刀，采用ISCAR CNMG120404-TF IC907的刀片，加工参数为：

粗加工：主轴转数S=150 r/min，Smax=700 r/min，进给F=0.1mm/min，切削深度α_p=1.2mm；

精加工：主轴转数S=1200 r/min，进给F=0.1mm/min，切削深度α_p=0.2mm；

根据加工参数进行加工，然后打磨锐边；

步骤6：对工件进行清洗、标印，并检验；

清洗工序采用煤油清洗。

Claims (2)

1.一种喷嘴壳体工件的数控加工方法，采用具有双主轴及在线测量装置的数控车铣复合加工中心，喷嘴壳体工件的毛坯件为模锻件，该模锻件材料为镍基高温合金，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：设计喷嘴壳体加工工艺路线；

    该加工工艺路线的先后顺序为：模锻件、钳工打磨、粗车尾部、数控车铣加工全部、打磨锐边、数控精车头部、打磨锐边、清洗、标印和最终检验；

步骤2：对模锻件进行钳工打磨，打掉工件分模面毛边和端面拔模斜度；

步骤3：粗车工件尾部：用三爪卡盘将工件装夹在车床上，以该工件头部外圆和头部端面定位，夹紧头部外圆，加工出粗基准，并去除内孔余量；

步骤4：数控车铣加工全部；

数控车铣加工全部具体是将工件加工区域分到加工中心的两个主轴上，进行数控车铣加工，步骤如下：

步骤4.1：第一主轴数控加工；

在第一主轴上，将工件尾部端面作为轴向基准，尾部外圆作为径向基准，工件两侧平面作为角向基准，采用找正角向基准的方法来实现角向定位，采用硬爪卡盘将工件装夹在第一主轴上；

工件在第一主轴上的加工先后顺序为：

测量找正角向基准、粗车头部端面和头部外圆、精车头部端面和头部外圆、粗铣侧向定位销、精铣侧向定位销、粗铣外槽、精铣外槽、打中心孔、粗钻头部小内孔、粗镗头部小内孔、粗镗头部内孔、镗大内槽、精镗头部内孔、铣四个进油接头端面、铣两个大接头的外圆、打中心孔、钻两个大接头的内通孔、精铣两个大接头的外圆和精铣两个大接头的内孔；

步骤4.2：在第二主轴上数控加工；

在第二主轴上，以工件头部外圆和头部端面为基准，采用软三爪卡盘，并利用机床两主轴可实现静态对接的功能，将工件装夹到第二主轴上；

工件在第二主轴上的加工的先后顺序为：

对接零件、车尾部端面和尾部外圆、车外槽、打中心孔、粗铣两个小接头的外圆、粗镗头部内孔和内螺纹底孔、镗小内槽、精镗头部内孔和小内孔、镗小内槽、镗螺纹空刀槽、车内螺纹、钻两个小接头的内通孔、精铣两个小接头的外圆、精铣两个小接头的内孔、钻四个径向小孔和铣毛边；

数控车铣加工全部后，打磨锐边；

步骤5：在车铣复合加工中心上数控精车工件头部；

采用软三爪卡盘和专用夹具装夹工件，以尾部端面和头部内孔定位，拉紧内螺纹，加工工件头部分粗、精加工，该专用夹具为带螺纹的阶梯轴；

精车工件头部的加工先后顺序为：

车头部端面、车锥面、车头部外圆、车倒角，粗精加工各采用一把数控车刀，根据加工参数进行加工，然后打磨锐边；

步骤6：对工件进行清洗、标印，并检验。

2.根据权利要求1所述的喷嘴壳体工件的数控加工方法，其特征在于：步骤6所述的清洗，采用煤油。

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