CN103157844A - 叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀 - Google Patents

叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀 Download PDF

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Abstract

叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由刀柄（1）、刀杆（2）和设置在刀杆（2）前端的切削刃（3）构成；其满足下述要求：①所述刀具直径在8~16mm范围内，刀具的切削刃数为6；②切削刃（3）长度为15—80mm，对应地刀头有效长度为20-60mm；③刀具的刀柄（1）为锥柄结构，锥度在1.5°~6.5°之间；④刀具切削线速度Vc为60-200m/min。本发明提高了深槽加工的效率和质量。随着加工效率及加工质量的提高,减少了设备占用时间,降低了设备折旧,减少了人工成本。

Description

叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀
 
技术领域
本发明涉及叶轮加工技术领域，特别提供了一种叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀。
背景技术
整体叶轮加工技术是先进航空发动机的关键技术之一,受特种加工技术对材料性能影响及加工精度等要求的限制,机械加工仍是应用最广泛的加工方法。整体叶轮中叶片型面为复杂自由曲面,叶片部分尺寸及线轮廓度、叶片波纹度、表面粗糙度等要求较高,这就造成了整体叶盘加共周期的延长,影响了产品的研发进度。
目前,整体叶轮叶片部分精铣加工多采用标准的四刃整体硬质合金直柄球头铣刀,叶片型面为空间自由曲面,形状较为复杂,而对于这类复杂型面的机械加工,大多采用点位铣加工方法进行,在针对某种材料切削线速度不变的前提下,为保证加工表面质量,刀具的每齿进给量一般不宜过大(Fz=0.05~0.1mm),而精铣加工用通用刀具多为四个切削刃,加工效率较难提升,即传统刀具结构限制F加工效率,且在磨损后的返磨过程中刀具球头部分的半径R难以保证,造成返磨成本的提高。
人们期望获得一种技术效果更好的叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀。
发明内容
 
本发明的目的是提供一种技术效果更好的叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀。
本发明提供了一种叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由同轴且连接为一个整体的刀柄1、刀杆2以及设置在刀杆2前端的切削刃3构成；其特征在于：满足下述要求：
①所述刀具直径在8~16mm范围内，刀具的切削刃数为6；在保证刀具容屑能力及切削刃3刃宽的前提下,由原来的4刃增加到6个切削刃；
②切削刃3长度为15—80mm，刀具磨损后,可以进行多次返磨使用，对应地刀头有效长度为20-60mm；
③刀具的刀柄1直柄结构改为锥柄结构，锥度在1.5°~6.5°之间，增大夹持部分刀具直径,进一步减小刀具长径比；
④刀具切削线速度Vc为60-200m/min，保证切削点线速度不降低,以提高加工效率。
 
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，还包含有下述优选的内容要求：
①刀具直径为10mm或16mm；
②切削刃3长度为20—40mm，对应地刀头有效长度为25-50mm；
③刀具的刀柄1锥度在1.5°~4.5°之间；
④在加工钛合金时刀具切削线速度Vc为110-150m/min，在加工高温合金时刀具切削线速度Vc为65-90m/min，在加工不锈钢时刀具切削线速度Vc为130-180m/min。
 
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，进一步优选内容是：
当刀具直径为10mm时，刀柄1尺寸为16mm；当刀具直径为16mm时，刀柄1尺寸为20mm；
刀具的刀柄1锥度为4°；
刀具前角为5°，后角为2°，螺旋角为20°，刃宽0.2mm，刀头有效长度为35mm。
 
本发明的优点：
以典型大型钛合金材料轴流式整体叶轮为例,在不降低刀具每齿进给量的前提下,增加两个切削刃,提高加工进给量,加工效率提高50%。
切削相同部位时,锥柄铣刀比直柄铣刀长径比减小20%~40%,有效地降低了由于刀具长径比增大造成地刀具振动,在同长径比的情况下,改进后的刀具加工深度比原直柄球刀深20%~40%,提高了深槽加工的效率和质量。随着加工效率及加工质量的提高,减少了设备占用时间,降低了设备折旧,减少了人工成本。
刀具结构的改进,减小了刀具的返磨量,每次返磨量可控制在0.3mm以内，可返磨次数增加10%以上,同时将返磨合格率提高到100%，极大地降低了刀具成本。
在不降低加工表面质量的前提下，能有效地继续提高加工效率，同时保证每把刀具都能够百分之百返磨合格,降低刀具成本，在常规刀具结构的基础上创造性地提出了增加切削刃的方法来提高切削效率,刀体的直柄改为锥形结构以减小刀具长径比，降低由于刀具长径比过大造成的耦合振动，提高表面加工质量，同时降低了刀具成本及设各折旧成本。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀结构示意简图之一；
图2为叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀结构示意简图之二；
图3为叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀切削状态示意图；
图4为叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀加工刀具轨迹图。
 
具体实施方式
实施例1
一种叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由同轴且连接为一个整体的刀柄1、刀杆2以及设置在刀杆2前端的切削刃3构成；满足下述要求：
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，要求的内容是：
当刀具直径为10mm时，刀柄1尺寸为16mm；当刀具直径为16mm时，刀柄1尺寸为20mm；
刀具的刀柄1锥度为4°；
刀具前角为5°，后角为2°，螺旋角为20°，刃宽0.2mm，刀头有效长度为35mm。
以典型大型钛合金材料轴流式整体叶轮为例,在不降低刀具每齿进给量的前提下,增加两个切削刃,提高加工进给量,加工效率提高50%。
切削相同部位时,锥柄铣刀比直柄铣刀长径比减小20%~40%,有效地降低了由于刀具长径比增大造成地刀具振动,在同长径比的情况下,改进后的刀具加工深度比原直柄球刀深20%~40%,提高了深槽加工的效率和质量。随着加工效率及加工质量的提高,减少了设备占用时间,降低了设备折旧,减少了人工成本。
刀具结构的改进,减小了刀具的返磨量,每次返磨量可控制在0.3mm以内，可返磨次数增加10%以上,同时将返磨合格率提高到100%，极大地降低了刀具成本。
在不降低加工表面质量的前提下，能有效地继续提高加工效率，同时保证每把刀具都能够百分之百返磨合格,降低刀具成本，在常规刀具结构的基础上创造性地提出了增加切削刃的方法来提高切削效率,刀体的直柄改为锥形结构以减小刀具长径比，降低由于刀具长径比过大造成的耦合振动，提高表面加工质量，同时降低了刀具成本及设各折旧成本。
 
本实施例用于航空用钛合金轴流式整体叶轮的精铣加工，粗铣加工给精铣加工均匀留1.5mm余量，之后热处理。在精铣加工中，采用常规的私人球头铣刀去除1.2mm余量，残余高度为0.05mm，之后再采用本实施例提及的六刃铣刀去除剩余的0.3mm余量，精铣加工参与高度为0.005mm，以便于提高表面铣加工质量，为后续的叶片精抛光提供便利。精铣加工过程参数要求：
刀具直径16mm；刃数Z=6；最大长径比7.5×D，D为刀具直径；切深Ap=0.3mm，切削线速度Vc=120m/min；每齿进给量Fz=0.05mm；转速n=2400RPM；进给量 F=720mm/min。
 
本实施例的实施过程按以下步骤进行:
(1)计箅叶片型面加I可用的刀具直径及允许的锥度范围
(2)分析刀具l扛径,确定最合理的刀具直径及锥度大小
(3)选择使用量最大的刀具
(4)计算该刀具直径可增加的刃数
(5)编制数控程序及数控程序仿真
(6)零件加工试验
(7)刀具返磨试验
步骤(1),根据计算,可用的刀具直径可以在20mm以内,锥度容许范围在3.5°以内。
步骤(2),通过简单的数控程序仿真，20mm直径的刀具虽然其刚性较好,刀具长径比可进一步减小,但由于待加工的产品种类较多,为了最大可能减少刀具种类,综合考虑所需加工的产品种类、加工部位、刀具刚性以及长径比的变化,选择直径为16mm及10mm的刀具进行结构改进最为合适。
步骤(3),通过计算刀具轨迹,使用量最大的刀具是直径为16mm的整体硬质合金刀具,另外Φ10mm的刀具使用量仅次于Φ16mm的刀具,可以作为各选方案。设计完成的刀具结构见图1。
步骤(4),通用的Φ16mm刀具为4个切削刃,其刃带宽度、刃间容屑槽较深,在增加两刃后,其刃间容屑能力变化较小。
步骤(5),利用整体叶轮专用CAM软件MAX-PAC的多轴编程功能,在选定的切削区域中建立并生成刀具轨迹。由于本案例是加工轴流式整体叶轮,使用的是叶轮专用MAX―PAC软件的MAX-AB(开式叶轮)CAM功能模块,其优点是在加工整体叶轮叶片自由曲面的加工区域可以参数化,利用VERICUT软件仿真功能检查程序的正确性,加工仿真效果见图2。
本案例被加工材料为钛合金,加工线速度120~150m/min。生成的刀具轨迹见图3,生成的数控程序如下:
%_N_AS91259_MPF
…
N110 G90 GOl Z800. S2400 M03 F20000。
N120 X0 Y0 A0 B0
…
G1 G90 X-47.534 Y-44.232 Z544.527 A-6.049 B-3.761 F20000.
Y-65.734 Z341.606
Y-68.123 Z319.06 F1304.M8
…
Ⅹ-42.921 Y-66.15 Z318.769 A-6.064 B一4.998 F1285.
…
X86.123 Y-51.038 Z316.068 A-5.612 B-28.606 F1448.
Ⅹ86.276 Y-50.586 Z316.042 A-5.602 B-28.572 F1450.
…
X-17.413 Y-72。453 Z289.78 A-5.894 B-7.619 F1185.
Y-71.858 Z315.861 F1450.
Y一48.045 Z546.508 F20000。
…
N420 G01 Z800. M09 F20000。
N430 Ⅹ0 Y0
N450 M05
N460 M30
步骤（6），改进后的刀具在某整体叶轮上进行试验加工。原四刃直柄球铣刀加工时间为105分钟,加工深度大于20mm后,刀具振动加剧,表面质量严重降低,该刀具已不能正常加工。改进后的φ16六刃2度锥球刀加工时间减少到60分钟,效率提高42%,加工深度增加到100mm时,仍能正常加工。
步骤(7),试加工磨损后的刀具进行了返磨试验,返磨量为0.3mm,反磨后的刀具经再次试验效果依然良好。
验证总结:本案例中,由于叶片型面铣加工过程采用点位铣,加工过程中刀具的切削部位为球头接近象限点的部位,可以考虑增加夹持部分直径的方法来减小刀具长径比,考虑到精铣用刀具直径即球头R精度要求较高的特点,直柄球头铣刀球头部位刃磨过程中容易超差从而造成刀具成本增加,为了提高刀具加工的合格率,降低刀具加工成本,球体部分与夹持部分采用锥形结构,在刃磨过程中若出现球径加工超差时,可以通过缩短主体部分的方法以保证刀具球头部位加工合格率达到100%,同时,经过改进的刀具在使用后可以采用继续返磨使用,从而进一步降低刀具成本。
本发明提供了一套可行的有具体技术实施方案的刀具结构改进方法,易于实现,较容易掌握,解决了通用四刃球铣刀加工进给小,加I效率低的难题,不仅适用于球形铣刀,也适用于端R棒形铣刀结构的改进。
 
实施例2
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀用于高温合金机匣壳体型腔的精铣加工，由于是难加工材料，材料硬度高，粘性大，导热性差，加工易变性；被加工件具体为GH4169镍基高温合金，加工部位为机匣外壳体型腔壁，转接半径为5mm，经过粗铣加工、半精铣加工后，加工余量为0.3mm。
在精铣加工中，采用六刃铣刀去除剩余的0.3mm余量，精铣加工过程参数要求：
刀具直径10mm；刃数Z=6；最大长径比1.5×D；切深Ap=0.3mm，切削线速度Vc=70m/min；每齿进给量Fz=0.1mm；转速n=2200RPM；进给量 F=1320mm/min。
 
实施例3
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀用于不锈钢机匣的精铣加工，加工部位为机匣外壳体型腔壁，转接半径为5mm，经过粗铣加工、半精铣加工后，加工余量为0.3mm。
在精铣加工中，采用六刃铣刀去除剩余的0.3mm余量，精铣加工过程参数要求：
刀具直径10mm；刃数Z=6；最大长径比1.5×D；切深Ap=0.5mm，切削线速度Vc=140m/min；每齿进给量Fz=0.1mm；转速n=4500RPM；进给量 F=2700mm/min。
 
实施例4
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
一种叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由同轴且连接为一个整体的刀柄1、刀杆2以及设置在刀杆2前端的切削刃3构成；满足下述要求：
①所述刀具直径在8mm，刀具的切削刃数为6；
②切削刃3长度为15mm，对应地刀头有效长度为20mm；
③刀具的刀柄1直柄结构改为锥柄结构，锥度6.5°，增大夹持部分刀具直径,进一步减小刀具长径比；
④刀具切削线速度Vc为60m/min，保证切削点线速度不降低,以提高加工效率。
 
实施例5
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
一种叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由同轴且连接为一个整体的刀柄1、刀杆2以及设置在刀杆2前端的切削刃3构成；满足下述要求：
①所述刀具直径在16mm，刀具的切削刃数为6；
②切削刃3长度为80mm，对应地刀头有效长度为60mm；
③刀具的刀柄1为锥柄结构，锥度在6.5°；
④刀具切削线速度Vc为60m/min。
 
实施例6
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，还包含有下述优选的内容要求：
①刀具直径为10mm；
②切削刃3长度为20，对应地刀头有效长度为25mm；
③刀具的刀柄1锥度在4.5°；
④在加工钛合金时刀具切削线速度Vc为110m/min，在加工高温合金时刀具切削线速度Vc为65m/min，在加工不锈钢时刀具切削线速度Vc为130m/min。
 
实施例7
本实施例与实施例1内容基本相同，其不同之处在于：
所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，还包含有下述优选的内容要求：
①刀具直径为16mm；
②切削刃3长度为40mm，对应地刀头有效长度为50mm；
③刀具的刀柄1锥度1.5°；
④在加工钛合金时刀具切削线速度Vc为150m/min，在加工高温合金时刀具切削线速度Vc为90m/min，在加工不锈钢时刀具切削线速度Vc为180m/min。

Claims (3)

1.叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，由同轴且连接为一个整体的刀柄（1）、刀杆（2）以及设置在刀杆（2）前端的切削刃（3）构成；其特征在于：满足下述要求：
①所述刀具直径在8~16mm范围内，刀具的切削刃数为6；
②切削刃（3）长度为15—80mm，对应地刀头有效长度为20-60mm；
③刀具的刀柄（1）为锥柄结构，锥度在1.5°~6.5°之间；
④刀具切削线速度Vc为60-200m/min。
2.按照权利要求1所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，其特征在于：
①刀具直径为10mm或16mm；
②切削刃（3）长度为20—40mm，对应地刀头有效长度为25-50mm；
③刀具的刀柄（1）锥度在1.5°~4.5°之间；
④在加工钛合金时刀具切削线速度Vc为110-150m/min，在加工高温合金时刀具切削线速度Vc为65-90m/min，在加工不锈钢时刀具切削线速度Vc为130-180m/min。
3.按照权利要求2所述叶轮深孔加工用六刃锥形球铣刀，其特征在于：
当刀具直径为10mm时，刀柄（1）尺寸为16mm；当刀具直径为16mm时，刀柄（1）尺寸为20mm；
刀具的刀柄（1）锥度为4°；
刀具前角为5°，后角为2°，螺旋角为20°，刃宽0.2mm，刀头有效长度为35mm。
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