CN104439468B - 适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，包括刀身和刀头，刀头设计有4个用于磨制铣削刀刃的螺旋体，其中两个对称的螺旋体磨制成球形结构的铣削刀刃，用于叶盘结构型面的粗铣加工，在另外两个对称的螺旋体上分别加工出一台阶，于台阶螺旋体上磨制出铣削刀刃，用于叶盘结构型面的精铣加工，整个刀头的端部呈球鼻形状。申请人开发的整体叶盘结构型面铣削加工工艺方法与本发明设计的铣刀结合对整体叶盘结构型面进行加工，大大提高了整体叶盘结构型面的加工质量和加工生产效率，降低了生产成本。

Description

适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀

技术领域

本发明涉及航空发动机叶盘制造加工技术，特别涉及一种适用于整体叶盘结构型面铣削加工工艺的铣刀。

背景技术

随着航空发动机技术的发展，航空发动机出现了一种整体结构的叶盘，取代传统装配结构的叶盘。整体叶盘结构复杂，加工精度要求高，尤其是叶片工作表面为空间自由曲面，形状极为复杂，特别是为适应其高压、高转速的工作条件，其材质广泛采用钛合金、钛基复合材料、钛铝化物复合材料等难以切削加工的复合材料，整体叶盘结构型面可加工性极差。

目前整体叶盘的制造技术主要采用复合制造工艺，即先采用三轴机床对叶片间流道进行开粗，其后在使用五轴机床进行叶片的粗铣、半精铣及精铣，该加工工艺方法存在以下缺点：

1)加工效率低，周期长。粗加工主要是进行叶型间的开槽及流道加工，大约有80％的材料被切除，粗加工时，主要分为两步，第一步为开槽加工，开槽的目的在于将叶片间的气道开通，形成通道，为粗加工做好准备，一般使用三轴机床进行。开槽占用了大量工时，在整个粗加工过程中，设备的有效利用率却不到60％；第二步为叶型粗加工，主要目的是去除三轴机床不能加工的余量；粗加工完成后叶型需保留1.5～1.8mm的余量，这样就造成叶型间的空间更为狭小，同时导致刀具的可达性更差，刀具直径选择空间更小，唯有使用小刀具进行加工，此时只能采用低转速低进给，使得粗加工周期长。粗加工时间与精加工时间比平均约为10：1。

2)精加工时，叶片为变截面扭曲结构，叶展长、叶片薄，造成叶片叶尖处刚性极差，切削力作用在叶展的端头，极易产生弹性变形并同时伴随着振颤，很难保证尺寸，不同刀位对于薄叶片的加工及回弹影响也不一样，可直接导致厚度尺寸超差；而加工振颤可导致叶片表面产生振纹，并且容易使刀具崩刃，严重影响叶片表面质量。

3)大多数整体叶盘的叶型在进、排气边缘厚度仅为0.2～0.3mm，精加工进行时，叶片无强度依靠，在前后缘处，容易出现过切、尖边、缩劲、钝边等现象。造成零件尺寸超差甚至报废。

4)进行半精及精加工时，曲面受力变形受多种因素的影响，直接对其进行分析极其困难。因此采取在叶片通道间灌注建筑用胶的方法，以此来改变零件的阻尼特性，降低叶片的振颤；但事实上，在灌注建筑用胶时，因操作人员而定，不同的操作人员灌注的质量不一致，甚至同一操作人员灌注的不同叶型，其质量也不统一，而且建筑用胶中含有有色金属，对钛合金产生污染。

因此，传统的机械加工方法已难以胜任，必须探索新的加工工艺，设计适用于新加工工艺的刀具。

发明内容

本发明针对现有技术的整体叶盘结构型面加工技术存在的不足，旨在在提供一种适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，以提高整体叶盘结构型面的加工质量，并提高生产效率，降低生产成本。

本发明提供的适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，其构成包括刀身和刀头，刀头设计有4个用于磨制铣削刀刃的螺旋体，其中两个对称的螺旋体磨制成球形结构的粗铣削刀刃，用于叶盘结构型面的粗铣加工，在另外两个对称的螺旋体上分别加工出一台阶，于台阶螺旋体上磨制出精铣削刀刃，用于叶盘结构型面的精铣加工，整个刀头的端部呈球鼻形状。

在本发明上述适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀中，用于磨制精铣加工的精铣削刀刃的台阶高最好控制在0.8～1.5mm的范围。

在本发明上述适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀中，用于精铣加工的两个台阶型精铣削刀刃的切削刃角最好小于用于粗铣加工的两个粗铣削刀刃的切削刃角，以保证用于精铣加工的切削刃更锋利。

在本发明上述适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀中，用于磨制铣削刀刃的螺旋体的螺旋角最好控制在18～22°的范围

本发明提供的适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，与申请人开发的整体叶盘结构型面分层铣削成型加工工艺结合，对整体叶盘结构型面进行加工，改变了现有技术先采用三轴机床对叶片间流道进行开粗，后使用五轴机床对叶片依次进行粗铣、半精铣及精铣完成整体叶盘结构型面全部加工的方式，变为采用一台五轴机床使用一把铣刀分层完成各同一层高内的全部整体叶盘结构型面的粗、精加工，将叶片间流道开粗、叶片粗铣合并为叶盘结构型面的粗加工，叶片的半精铣及精铣合并为叶盘结构型面的精加工，依次完成整体叶盘结构型面的加工。具体的加工过程，将整体叶盘坯体沿叶片积叠轴方向从上向下按0.05～0.15mm层高分层，使用本发明提供的球鼻形状结构的四刃铣刀，先对本层高范围内的叶盘结构型面流道进行粗铣加工，在进行粗铣加工的过程中，叶片进气边、排气边和中部留存精加工的余量相等，本层高范围内的叶盘结构叶型面粗铣加工完后再进行精铣削加工，本层高内的叶盘型面全部加工完之后，再加工下一层高内的叶盘型面，直至整个叶盘从叶片叶尖至叶根分层加工出整个叶盘的结构型面。在整体叶盘结构型面铣削加工过程中，铣刀的转速一般控制在5000～7640r/min的范围。

申请人开发的整体叶盘结构型面铣削加工工艺，是一种等高截面加工工艺方法，是申请人独创的一种加工整体叶盘结构型面的工艺，采取将叶型按不同的加工步距分为若干个分层，在每个分层的加工中，先进行叶型流道间的粗铣加工，在粗铣加工完成后，立即进行叶型的精铣加工，此时，由于叶型通道间的坯料尚未去除，且粗、精铣加工的部位距未进行粗、精铣加工的根部距离很小，保证了叶型加工部位拥有足够的强度，因此，不需要在叶型通道间填充胶泥增加叶片加工强度来完成叶型粗、精铣加工，这不但省去了填充胶泥增加叶片加工强度的工序，同时提高了加工效率。本发明利用整体叶盘自身结构进行叶型加工，较之填充胶泥进行叶型加工，由于加工成型的叶片与被去除的材料为一体，不存在填充缝隙，加工中产生的振动由将被去除的材料吸收，不会在已加工的表面产生振动，已加工成型的叶片型面不会出现由于加工振颤导致叶片表面振纹的产生。

申请人开发的整体叶盘结构型面铣削加工工艺，充分考虑到了对于一个叶型的铣削加工，叶片的进、排气边处铣削加工去除的余量总是要大于叶型中部，因此，采用现有技术的叶盘整体铣削工艺，很容易造成进、排气边处承受的切削力更大。所以本发明在考虑铣削工艺时，考虑先将进、排气边处的大余量去除，以此来保证叶型在铣削过程中，所有接触点的切削力无较大变化。

申请人开发的整体叶盘结构型面铣削加工工艺，在工艺设计时还充分考虑到了，整体叶盘粗铣加工中总的要求，刀具在切削时能够与零件有较大的接触面积，以达到大余量去除；而在精加工中，为减小切削力带来的振动，要求刀具切削刃越锋利越好，并且在加工中与零件接触面积要小。因此，在一个分层的加工中采用粗、精铣交替加工。但在粗、精铣交替加工中，如果粗铣与精铣使用的是不同的刀具，则会导致机床总是在不停地进行换刀，这样就无法保证零件的质量，其加工效率更无从提高，为此，本发明特别设计了一种新结构的铣刀。本发明提供的铣刀，是在传统的四刃球形刀具的基础上进行改进的，刀头端部构造类似于圆鼻形状，是通过在两对称的刀刃加工出一台阶所形成。加工过程中使用两个球头刃进行粗铣削加工，使切削刀刃与零件有足够大的接触面积，刀具产生较小的振动，零件承受较小的切削力。在精加工中，四个切削刀刃全部参与切削，其中两个台阶刀刃保证具有足够的锋利程度，刀具切削刃越锋利，产生的切削力越小，相应的零件产生的变形就越小；另外两个球头刃在加工中与零件接触面积较大，有助于提高叶型的表面光洁度。

利用本发明提供的铣刀采用申请人开发的整体叶盘结构型面分层铣削成型加工工艺对整体叶盘结构型面进行加工，具有以下十分突出的有益技术效果：

1、试验表明，对于材料、结构均相同的整体叶盘，采用申请人开发的加工工艺方法和铣刀完成粗加工，与传统加工方法相比，加工周期得到了极大的缩短，粗加工与精加工时间比由原来的10：1缩短到1：1，并取消了半精加工工序。

2、采用申请人开发的加工工艺方法和铣刀，精加工时依靠叶片拥有的高强度，可将原来精加工时刀具转速从800r/min～1200r/min提高至7640r/min，并将刀具切削速度由50mm/min～75mm/min提高至2500mm/min，精加的工时间可缩短数倍。

3、采用申请人开发的加工工艺方法和铣刀进行加工，切削力沿同一高度方向释放，减少以往螺旋铣加工带来的轴向切削力，使得叶型表面光度更高；减少了叶型前后缘加工时，因震颤带来的过切、钝边、缩劲现象。

4、本发明提供的特殊结构的铣刀，可兼顾叶盘的粗铣和精铣两种不同要求的加工，减少了机床更换铣刀带来的误差，保证了零件的合格率。

附图说明

附图1是本发明铣削加工使用的铣刀结构示意图。

附图2是本发明铣削加工使用的铣刀在另一个方向的结构示意图。

在上述附图中各图示标号标识的对象分别为：1-铣刀刀身；2-铣刀刀头；3-精铣削刀刃；4-粗铣削刀刃。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的实施例，并通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整进行实施，但这样的实施应仍属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例所述的适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，如附图1和附图2所示，其构成包括铣刀刀身1和铣刀刀头2，刀头设计有4个用于磨制铣削刀刃的螺旋体，其中两个对称的螺旋体磨制成球形结构的用于粗铣加工的粗铣削刀刃4，在另外两个对称的螺旋体上分别加工出一台阶，于台阶螺旋体上磨制出用于精铣加工的精铣削刀刃3，整个刀头的端部呈球鼻形状，其中用于磨制精加工的精铣削刀刃3的台阶高1.0mm；用于精加工的两个台阶型精铣削刀刃的切削刃角小于用于粗加工的两个粗铣削刀刃的切削刃角，以保证用于精加工的切削刃更锋利；刀头上用于磨制铣削刀刃的螺旋体的螺旋角为20°。将其用于整体叶盘材料为TC17，直径为￠613mm的某型号航空发动机的整体叶盘结构型面的铣削加工，使用的五轴铣床的型号为LIECHTI g-mill50，采用将整体叶盘坯体沿叶片积叠轴方向从上向下按0.10mm层高分层进行加工，在铣削加工过程中，铣刀的转速可控制在5000～7640r/min范围。加工后的整体叶盘结构型面经检测，表明叶型完全符合设计要求，并且加工效率有显著提高。

Claims (4)

1.一种适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，包括刀身和刀头，刀头设计有4个用于磨制铣削刀刃的螺旋体，其特征在于，其中两个对称的螺旋体磨制成球形结构的粗铣削刀刃，用于叶盘结构型面的粗铣加工，在另外两个对称的螺旋体上分别加工出一台阶，于台阶螺旋体上磨制出精铣削刀刃，用于叶盘结构型面的精铣加工，整个刀头的端部呈球鼻形状。

2.根据权利要求1所述的适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，其特征在于，用于磨制精铣加工的精铣削刀刃的台阶控制在0.8～1.5mm的范围。

3.根据权利要求1或2适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，其特征在于，用于精铣加工的两个台阶型精铣削刀刃的切削刃角小于用于粗铣加工的两个粗铣削刀刃的切削刃角。

4.根据权利要求1或2适用于整体叶盘结构型面分层铣削成型工艺的铣刀，其特征在于，用于磨制铣削刀刃的螺旋体的螺旋角为18～22°。