CN104597838A - 一种高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种减少高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工时打刀现象，降低生产成本，优质、高效完成零件加工的方法，该方法针对整体叶轮窄槽开敞性差、加工难度大的特点，将环形深窄槽加工区域划分为3个区域并确定可行性加工路线，采用先车削部分窄槽，然后加工辐板部位，最后再全部清除窄槽余量，确保整体叶轮加工质量最优。采用变参数车削高温合金整体叶盘环形深窄槽方法，优化了切削参数，减小了切削振动，进而提高了刀具耐用度，减少了断刀现象的产生，实现高温合金整体叶轮环形深窄槽优质、高效、低成本加工。

Description

一种高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法
技术领域
本发明属于机械制造领域，特别提供一种轴流式高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法。
背景技术
目前，整体叶轮类零件在航空发动机中所占的比重非常大，发动机整体叶轮的应用越来越广泛，随着制造业的发展，整体叶轮类零件的结构设计趋于向多样化、高性能化发展，对加工刃具的选择和加工参数的选用都要求十分严格，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。特别是高温合金环形深窄槽部位开敞性差，精度不易保证。加工振动大，排屑困难，铁屑易堵塞，造成断刀，且效率低、成本高。同时，窄槽加工区域划分和加工顺序需要不断优化，提高零件的整体加工质量。
目前，整体叶轮环形槽的加工方法多采用成型刀具加工完成，将窄槽车完，再车辐板等部位，这种方法对于具有开敞性差的环形结构槽，且辐板壁薄的整体叶轮不太适合。
发明内容
本发明的目的是提供一种减少高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工时打刀现象，降低生产成本，优质、高效完成零件加工的方法。该方法针对整体叶轮窄槽开敞性差、加工难度大的特点，对加工区域进行合理划分并确定可行性加工路线，采用先车削部分窄槽，然后加工辐板部位，最后再全部清除窄槽余量，确保整体叶轮加工质量最优。采用变参数车削高温合金整体叶盘环形深窄槽方法，优化了切削参数，减小了切削振动，进而提高了刀具耐用度，减少了断刀现象的产生，实现高温合金整体叶轮环形深窄槽优质、高效、低成本加工。
本发明具体提供了一种高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法，其特征在于，加工步骤如下：
(1)将环形深窄槽加工区域划分为3个区域：区域Ⅰ1、区域Ⅱ2、区域Ⅲ3(三个区域的划分原则是刀具不与零件产生干涉，能够有效避免过切和欠切)；
(2)分析刀具在进给过程中的受力情况；
(3)选择合适的非标槽刀a、b、c，刀具a刀尖半径为3mm，刀具b刀尖半径为3mm，刀具c刀尖半径为2.1mm，所用球形槽刀片半径R为1～1.5mm；
(4)规划加工路线：
粗加工阶段加工路线：区域Ⅰ1→区域Ⅱ2→整体叶轮辐板及转接部分4→区域Ⅲ3；
精加工阶段加工路线：区域Ⅰ1→区域Ⅲ3→区域Ⅱ2；
(5)用UG软件生成数控刀具轨迹；
粗加工采取插削方式，采用恒定车床主轴转速，改变线速度的加工方式，刀具悬伸量80～100mm，最大切削速度Vmax＝32m/min，最小切削速度Vmin＝28m/min，每转进给量fn＝0.1-0.25mm/r，切削深度ap＝1.5mm；
精加工采用单向轮廓切削，采用恒定切削速度、变主轴转速方式加工，恒线速度Vc＝30m/min，每转进给量fn＝0.15mm/r，切削深度ap＝0.2mm；
(6)利用UG后置处理功能将刀轨代码转换为G代码，运用VERICUT软件进行数控车削程序仿真；
(7)编辑数控车削程序；
(8)加工环形叶轮零件：选用数控立车对零件进行加工。
本发明高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1)，将窄槽加工区域划分为3个区域(如图1中所示区域Ⅰ1、区域Ⅱ2、区域Ⅲ3)。三个区域的划分与通常的两个区域的加工方法相比，可减少切削过程中的过切和欠缺，增强了刀具的可达性，可行性。
步骤(2)，分析刀具在进给过程中的受力情况，根据加工区域分析，选用的槽刀刀板薄，最大厚度仅为4mm，对径向力的耐受程度较小，因此，必需将刀具在加工过程中的受力状态分析清楚，以保证加工过程中该刀具所承受的径向力最小。同时还要从切削参数的选用方面考虑到槽刀片的耐用度大小。刀具示意图及进给方向受力分析见图2。
步骤(3)，根据第(1)(2)项分析，选择三把槽刀a、b、c，刀具a刀尖半径为3mm，刀具b刀尖半径为3mm，刀具c刀尖半径为2.1mm；为保证加工效率，减少切削振动，刀具悬伸不能太大(80～100mm)，径向进给率不能太大，刀具必须保证能够充分冷却。所用球形槽刀片半径根据窄槽部位圆角大小确定(本发明选用半径R为1～1.5mm的球形槽刀片)。刀具尺寸的确定需根据各自加工的区域尺寸来确定，确保刀具具有可达性、可行性。避免产生过切和欠切，同时必须保证刀具能够充分冷却。
步骤(4)，依据环形深窄槽的结构特点，在粗加工时采取单向插削方式，为了减小切削过程中的振动问题，保持较低的进给率，最小化刀具悬伸。应保持低的进给率，以避免切屑堵塞。从切削最大直径开始，并向内切削以获取最佳切屑控制。选用刀具a切削窄槽区域Ⅰ1，刀具b切削窄槽区域Ⅱ2，刀具c切削窄槽区域Ⅲ3(刀具a、b、c如图2所示)。粗加工采用插削方式，切深1.5mm，确保在加工整体叶轮辐板(图1箭头4所示位置)时的加工质量，提高加工系统刚性，减少切削加工变形。
粗加工阶段加工路线：环形深窄槽区域Ⅲ3待加工完辐板(整体叶轮辐板及转接部分4)之后再进行切削加工，可以最大限度保证整体叶轮加工时的整体刚性，保证加工精度。具体加工路线为：粗加工阶段加工路线：区域Ⅰ1→区域Ⅱ2→整体叶轮辐板及转接部分4→区域Ⅲ3。
精加工阶段加工路线：区域Ⅰ1→区域Ⅲ3→区域Ⅱ2。
该路线可有效避免产生接刀痕，提高零件表面完整性，进而提高零件的使用寿命。
步骤(5)，利用UG软件编程功能，在选定的切削区域中建立并生成刀具轨迹。粗加工采取插削方式，采用恒定车床主轴转速，改变切削速度的加工方式，刀具悬伸量80mm，最大切削速度Vmax＝32m/min，最小切削速度Vmin＝28m/min，每转进给量fn＝0.2mm/r。切削深度ap＝1.5mm。在去除工件大余量，切余量不均匀时，切削速度改变，使得切削力大小改变，进而改变了刀具振幅，减少了切削系统振动，减少了打刀现象，确保零件加工质量。
精加工采用单向轮廓切削，采用恒定切削速度、变主轴转速方式加工，恒切削速度方式加工有利于保证车刀在零件余量均匀的条件下，沿轮廓切削的稳定性，减小切削振动,使得刀具的切削阻力大为减少，恒定的切削速度Vc＝30m/min，每转进给量fn＝0.1mm/r。切削深度ap＝0.2mm。粗加工时刀具轨迹见图3～5。精加工时刀具轨迹见图6～8。
步骤(6)，利用UG后置处理将刀轨代码转换为G代码。本发明采用三轴联动加工，生成的刀具轨迹经过VERICUT数控加工仿真软件进行刀具轨迹的仿真，确保加工过程中无干涉、过切及碰撞，同时减少了打刀现象的产生。
步骤(7)，数控程序编制，根据实际情况，加入数控防错程序，避免数控立车操作人员输入刀补时产生错误。
步骤(8)，选用数控立车加工，按给定的工艺技术文件装夹零件进行加工。
本发明采用合理分区域车削加工高温合金整体叶轮环形深窄槽的方法，留取窄槽部分区域余量增加系统刚性；运用变参数加工方法，降低了刀具承受的切削力，减小了切削振动，从而减少了铁屑阻塞及加工中的断刀现象。该方法可广泛应用于其它整体叶轮类零件车加工过程中，以满足工件材料、零件几何形状、精度和表面质量等方面的要求。
附图说明
图1为本发明环形叶轮局部横截面余量图(其中4为整体叶轮辐板及转接部分)。
图2为本发明刀具示意图及进给方向受力分析。
图3为本发明粗加工环形叶轮窄槽区域1刀具轨迹。
图4为本发明粗加工环形叶轮窄槽区域2刀具轨迹。
图5为本发明粗加工环形叶轮窄槽区域3刀具轨迹。
图6为本发明精加工环形叶轮窄槽区域1刀具轨迹。
图7为本发明精加工环形叶轮窄槽区域3刀具轨迹。
图8为本发明精加工环形叶轮窄槽区域2刀具轨迹。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工过程如下：
工件：
高温合金(GH4169)件。被加工件的材料为难加工材料，加工时导热性差，加工硬化严重，加工时切削力大，切削温度高，刀具容易磨损。为轴流式整体叶轮。加工部位为环形深窄槽，加工深度10mm，槽宽7mm，开敞性差，车槽时刀屑不易排出。
刀具：
刀具采用3把非标刀具如图2所示，刀具a刀尖半径为3mm，刀具b刀尖半径为3mm，刀具c刀尖半径为2.1mm，所用球形槽刀片半径R为1～1.5mm。刀片表面为TiAlN涂层，提高了刀具耐磨性，延长了车刀的使用寿命。
加工参数：
粗加工采取插削方式，采用恒定主轴转速，变切削速度的加工方式：机床主轴转速恒定：n＝20r/min。切削线速度有变化，计算得最大切削速度Vmax＝32m/min，最小切削速度Vmin＝28m/min，每转进给量fn＝0.2mm/r。切削深度ap＝1.5mm。刀具悬伸量80mm。在去除工件大余量时，切削速度改变，使得切削力大小改变，进而改变了刀具振幅，减少了切削系统振动，确保零件加工质量。
精加工采用单向轮廓切削，采用恒定切削速度、变主轴转速方式加工，恒线速度方式加工有利于保证车刀在零件余量均匀的条件下，沿轮廓切削的稳定性，减小切削振动,使得刀具的切削阻力大为减少，恒线速度Vc＝30m/min，每转进给量fn＝0.1mm/r。切削深度ap＝0.2mm。
经过以上粗、精加工参数调整，使得每把刀具都能顺利完成相应的切削路径。这样既延长了刀具寿命，又提高了切削效率，保证了零件的加工质量。
加工路线：
在粗加工时为了确保在加工环形叶轮辐板(图1箭头4所示位置)部位的加工质量，减少切削加工变形，待加工完辐板之后再切削加工环形深窄槽区域(图1所示区域Ⅲ3)，可以最大限度保证整体叶轮加工时的整体刚性。精加工时先加工区域Ⅲ3，再加工区域Ⅰ1，最后加工区域Ⅱ2。避免产生接刀痕，提高了零件表面完整性。
冷却措施：.
由于高温合金材料导热性差，刀具必须进行充分冷却，本实施例采用高压冷却，这样可以使铁屑及时断裂，避免铁屑堵塞造成刀具损坏。
软件编程及切削仿真：
利用UG软件编制及优化路径。生成部分数控程序段如下：
％
N0010 G94 G90 G20
N0020 G50 X0.0 Z0.0
:0030 T00 H00 M06
N0040 G94 G00 X9.4488 Z-.4724
N0050 Z-.6165
N0060 X9.4049
N0070 G97 S30 M04
N0080 G95 G01 X9.3989 Z-.6352 F.0079
N0090 X9.3925 Z-.6547
N0100 X9.4108 Z-.5986 F.0394
……
N0370 X9.1657 Z-.5949
N0380 G95 G01 X9.1596 Z-.6136 F.0079
N0390 X9.1354 Z-.6882
N0400 X9.1536 Z-.6321 F.0394
N0410 G94 G00 X9.3163 Z-.6849
……
N0810 G94 G00 X9.2124 Z-.8203
N0820 X9.1581 Z-.8027
N0830 G95 G01 X9.1521 Z-.8214 F.0079
N0840 X9.1278 Z-.896
N0850 X9.1461 Z-.8398 F.0394
……
N1210 G01 X9.108
N1220 G03 X9.0678 Z-.9507 I0.0 K.1299
N1230 G01 X9.0733 Z-.9339 F.0394
N1240 G94 G00 X9.2337 Z-.5591
N1250 Z7.874
N1260 X11.811
N1270 M02
％
用VERICUT软件进行切削环境的完整仿真，避免了工件、夹具、刀具、机床之间的干涉和碰撞。
零件加工：
选用数控立车加工，按给定的工艺技术文件装夹零件，按照轴流式整体叶轮的建模及加工惯例，X轴、Y轴及Z轴加工坐标原点设在零件旋转中心。按工艺文件及数控立车操作说明进行加工。
本发明通过上述一系列的措施，降低了加工成本，提高了加工效率，使零件加工精度得到保证，解决了高温合金整体叶轮环形深窄槽车的加工难题。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将环形深窄槽加工区域划分为3个区域：区域Ⅰ(1)、区域Ⅱ(2)、区域Ⅲ(3)；
(2)分析刀具在进给过程中的受力情况；
(3)选择合适的非标槽刀a、b、c，刀具a刀尖半径为3mm，刀具b刀尖半径为3mm，刀具c刀尖半径为2.1mm，所用球形槽刀片半径R为1～1.5mm；
(4)规划加工路线：
粗加工阶段加工路线：区域Ⅰ(1)→区域Ⅱ(2)→整体叶轮辐板及转接部分(4)→区域Ⅲ(3)；
精加工阶段加工路线：区域Ⅰ(1)→区域Ⅲ(3)→区域Ⅱ(2)；
(5)用UG软件生成数控刀具轨迹：
粗加工采取插削方式，采用恒定车床主轴转速，改变线速度的加工方式，刀具悬伸量80～100mm，最大切削速度Vmax＝32m/min，最小切削速度Vmin＝28m/min，每转进给量fn＝0.1-0.25mm/r，切削深度ap＝1.5mm；
精加工采用单向轮廓切削，采用恒定切削速度、变主轴转速方式加工，恒线速度Vc＝30m/min，每转进给量fn＝0.15mm/r，切削深度ap＝0.2mm；
(6)利用UG后置处理功能将刀轨代码转换为G代码，运用VERICUT软件进行数控车削程序仿真；
(7)编制数控车削程序；
(8)加工环形叶轮零件：选用数控立车对零件进行加工。
2.按照权利要求1所述高温合金整体叶轮环形深窄槽车加工方法，其特征在于，具体加工步骤如下：
步骤(1)，将窄槽加工区域划分为3个区域：区域Ⅰ(1)、区域Ⅱ(2)、区域Ⅲ(3)；
步骤(2)，分析刀具在进给过程中的受力情况；
步骤(3)，根据第(1)(2)项分析，选择三把槽刀，其中刀具a切削区域Ⅰ(1)，刀具b切削区域Ⅱ(2)，刀具c切削区域Ⅲ(3)；刀具a刀尖半径为3mm，刀具b刀尖半径为3mm，刀具c刀尖半径为2.1mm，所用球形槽刀片半径R为1～1.5mm；
步骤(4)，规划加工路线：
粗加工阶段加工路线：区域Ⅰ(1)→区域Ⅱ(2)→整体叶轮辐板及转接部分(4)→区域Ⅲ(3)；
精加工阶段加工路线：区域Ⅲ(1)→区域Ⅲ(3)→区域Ⅱ(2)；
步骤(5)，利用UG软件编程功能，在选定的切削区域中建立并生成刀具轨迹；
粗加工采取插削方式，采用恒定车床主轴转速，变线速度的加工方式，刀具悬伸量80mm，最大切削速度Vmax＝32m/min，最小切削速度Vmin＝28m/min，每转进给量fn＝0.2mm/r，切削深度ap＝1.5mm；
精加工采用单向轮廓切削，采用恒定切削速度、变主轴转速方式加工，恒线速度Vc＝30m/min，每转进给量fn＝0.1mm/r，切削深度ap＝0.2mm；
步骤(6)，利用UG后置处理功能将刀轨代码转换为G代码；生成的刀具轨迹经过VERICUT数控加工仿真软件进行刀具轨迹的仿真，确保加工过程中无干涉、过切及碰撞；
步骤(7)，数控程序编制，根据实际情况，加入数控防错程序，避免数控立车操作人员输入刀补时产生错误；
步骤(8)，选用数控立车加工，按给定的工艺技术文件装夹零件进行加工。
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