CN105397162A - 钛合金材料高精度复杂曲面加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，包括以下步骤：1)卧式装夹主动轴；2)选择合金材质刀具；3)合金材质刀具的类型选择为球头立铣刀；4)采用粗铣—半精铣—精铣的方法进行加工；5)选取切削方式：采用合金球头立铣刀底齿切削的方法；6)切削方式：球头立铣刀铣削时采用底齿前倾角低转速切削，由数控程序零点坐标倾斜10°～15°来实现；7)在三维模型上通过数控加工程序，进行零件加工。本发明钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，通过工艺方法、切削方式、工艺参数、刀具材料及刀具类型来解决高精度复杂型面难加工的问题，为同类零组件的加工提供参数及经验。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工工艺方法、加工刀具及参数的领域，尤其涉及一种钛合金材料高精度复杂曲面加工方法。
背景技术
钛合金型面加工一直是我厂制造技术的薄弱环节，鉴于钛合金材料的特点，零件切削加工过程中让刀现象严重、刀具磨损现象严重，且无最佳切削参数、工艺方法积累，一般仅凭操作者经验或传统低效率方法加工。以往加工的钛合金型面精度要求不高，一般采用铣削型面—手工抛修的工艺方法实现；本文的高精度复杂型面位置尺寸±0.02、组件中配合型面紧度为0.02～0.04、型面长度尺寸为67mm，加工过程中极易产生让刀，无法保证型面要求，因此需要一种加工方法为同类零组件的加工提供参数及经验解决该问题。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，通过工艺方法、切削方式、工艺参数、刀具材料及刀具类型来解决高精度复杂型面难加工的问题，为同类零组件的加工提供参数及经验。
本发明的技术解决方案是：钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)卧式装夹主动轴；
2)选择合金材质刀具；
3)合金材质刀具的类型选择为球头立铣刀；
4)采用粗铣—半精铣—精铣的方法进行加工，具体参数是：粗铣机床转速
50～60r/min,铣削进给量为2.3～3mm；粗铣给半精铣加工留余量0.1～0.25mm；
半精铣的机床转速600～700r/min,铣削进给量为0.3～0.5mm，精铣的机床转速为1000r/min左右,铣削进给量为0.01mm；
5)选取切削方式：采用合金球头立铣刀底齿切削的方法；
6)切削方式：球头立铣刀铣削时采用底齿前倾角低转速切削，由数控程序零点坐标倾斜10°～15°来实现；
7)在三维模型上通过数控加工程序，进行零件加工。
上述加工方法还包括步骤8)曲面在线测量；使用NC数控程序的相同点位拟合测量曲面尺寸；
8.1)建立测量坐标系，并与三维模型坐标系完全吻合；
8.2)根据三维模型设置起始点、方向点、终止点，设置扫描点密度；一条曲线设置200点，测量的实际点与根据模型生成的理论点对比，对轮廓度进行拟合评价；
8.3)生成法向矢量偏差T，根据法向矢量偏差T判断零件是否合格。
上述步骤5)球头立铣刀铣削时采用底齿前倾角10°～15°切削。
曲面加工时的数控程序零点坐标倾斜10°～15°。
本发明通过对钛合金材料高精度复杂曲面加工工艺方法、切削方式、切削参数、刀具选择等要素的探索、研究，逐步摸索出钛合金复杂曲面加工最优工艺方案，在保证某主动轴复杂曲面设计要求的同时，为同类典型零件的加工提供参考依据。该工艺方案已在同类典型结构零件XXX2-000-01加工中使用，效果良好。
附图说明
图1是本发明中加工主轴的示意图；
图2是本发明球头刀切削的倾斜角示意图；
图3.1—图3.2是本发明球头刀铣削的示意图；
具体实施方式
本发明是一种钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，根据钛合金材料及曲面切削加工的特点，很难找出一种完善的工艺方法。本方法以某主动轴：长度为180.5±0.1mm，复杂型面由在φ54分度圆上3×φ20、3×R19相接圆弧组成(详见图1)为例，来阐述尝试新的工艺方法解决高精度复杂曲面的加工与测量难题，主要加工流程如下：
1)准备棒料φ80×186(单件用料)；
2)粗车全部：将棒料去除余量，加工成图2形状。
3)退火处理：保证零件硬度HRC29～42。
4)车全部：以最大外圆为基准，车端面保证总长尺寸180.5±0.1mm，将最大外圆车至φ75mm，长度不小于95mm。
5)去毛刺：去除以上加工工序产生的毛刺。
6)粗铣型面：采用卧式装夹法，以两端轴为基准，按图1使用球头立铣刀前倾角10°～15°铣型面，3×φ20(EQS)按3×φ20.3,3×R19按3×R18.7加工(见图2、图3.1、图3.2)。
7)稳定化处理消除切削应力。
8)半精铣型面：装夹定位方式同粗铣型面一致采用卧式装夹法，以两端轴为基准，使用球头立铣刀前倾角10°～15°铣削型面，3×φ20(EQS)按3×φ20.1,3×R19按3×R18.9加工(见图2、图3.1、图3.2)。
9)加工其他内容。
10)精铣型面：装夹定位方式同粗铣型面一致采用卧式装夹法，以两端轴为基准，使用球头立铣刀前倾角10°～15°铣削型面，3×φ20(EQS)按3×φ20+0.02,3×R19按3×R19-0.01加工，保证最终要求(见图2、图3.1、图3.2)。
11)曲面尺寸计量。
加工过程工艺方法、参数选择注意事项：
1)卧式装夹某主动轴零件
该主动轴总长180.5±0.1mm，复杂曲面长度67mm，如果零件采用立式装夹方式，刀具的切削方式应为侧齿加工法，铣削过程中刀杆易摆动产生让刀现象严重。
2)选择合金材质刀具；
加工钛合金材料时选择白钢刀、高速钢刀具磨损快，每加工2～3件零件，刀具已无法满足加工需求，大量现场实践证明：合金刀具在钛合金零件的加工中磨损量较小，基本满足切削要求。
3)刀具类型选择球头立铣刀；
球头立铣刀是数控机床加工复杂曲面的一种合理的新型结构刀具，也是复杂三维曲面精加工中所用到的重要刀具之一，其独特的刀刃形状(S形、螺旋型)使球头立铣刀的加工精度高、刀具寿命长，并且可以轴向进刀满足对复杂曲面自动加工的需要。因此选择合金球头立铣刀是高精度曲面加工的首要条件。
4)工艺参数的选择
加工钛合金复杂曲面时采用粗铣—半精铣—精铣的方法消除切削应力，以满足曲面技术要求。具体参数是粗铣机床转速50～60r/min,铣削进给量为2.3～3mm，半精铣的机床转速600～700r/min,铣削进给量为0.3～0.5mm，精铣的机床转速为1000r/min左右,铣削进给量为0.01mm。
因为电加工线切割切削加工过程产生的应力变形量较小，因此在曲面加工加工过程中去除大余量的粗铣—半精铣可采用线切割加工完成，以减少大余量铣削造成曲面变形，加工参数：粗加工给半精加工留余量0.1～0.25mm。
5)切削方式
本文的切削方式采用的是底齿切削，为了避免球头刀铣削时刀尖的过受力，可采用球头刀倾角切削的方式，使球头刀切削时切入角连续变化，受力点转化为刀具前倾角侧面，从而减小了实际切削半径、降低了切削线速度、减小了切削加工时的切削功率和切削扭矩，使切削状态更稳定。
6)工艺方法
结合合金球头立铣刀的切削方式，进行反复切削验证：刀具底齿前倾角在10°～15°之间切削，刀具受力、磨损较小，为了排除数控机床刀柄旋转的局限性，将曲面加工程序零点坐标倾斜10°～15°，在避免程序过切的同时实现球头立铣刀的前倾角切削，还节省了设计专用球头铣刀的费用。参见图2，图3.
7)在三维模型上编制数控程序。
输入刀具材质、刀具类型、工艺方法、工艺参数后，在三维模型上采用加工模式模拟切削避免程序过切影响零组件质量、并合理切削参数、进刀方式等来提高加工效率，最终生成曲面加工的NC数控程序进行零件加工。
8)曲面的测量
将设计模型导出为iges格式，再将其导入到PCDMIS测量软件中，在软件中建立测量坐标系，并与模型坐标系追加拟合，然后根据模型设置起始点、方向点、终止点，之后设置扫描点密度，一般一条曲线设置200点左右，测量的实际点与根据模型生成的理论点对比，对轮廓度进行拟合评价，最后生成法向矢量偏差T。若矢量偏差在设计要求的范围内，零件就是合格。该测量方法的优点在于：同一个模型既管加工又管测量，使测量点位与加工点位完全吻合，避免了曲面点位的采点误差，测量点位见表一。
表一曲面点位测量表
| 点 | X | Y | Z | I | J | K | 偏差T | 备注 |
| 1 | -27.095 | -27.186 | 13.000 | -0.261 | -0.965 | 0.000 | -0.012 | |
| 2 | -37.182 | -16.796 | 13.000 | -0.973 | -0.232 | 0.000 | -0.011 | |
| 3 | -24.897 | 0.021 | 13.000 | -0.024 | 1.000 | 0.000 | -0.008 | |
| 4 | -13.218 | 32.095 | 13.000 | -0.934 | 0.358 | -0.000 | -0.016 | MIN |
| 5 | -1.854 | 41.073 | 13.000 | -0.131 | 0.991 | 0.000 | -0.006 | |
| 6 | 11.918 | 34.700 | 13.000 | 0.841 | 0.541 | 0.000 | 0.001 | MAX |
| 7 | 10.951 | 11.812 | 13.000 | 0.982 | 0.190 | -0.000 | -0.008 | |
| 8 | 14.502 | 4.747 | 13.000 | 0.738 | 0.675 | -0.000 | -0.011 | |
| 9 | 29.085 | -0.531 | 13.000 | 0.401 | 0.916 | 0.000 | -0.003 | |
| 10 | 37.574 | -13.109 | 13.000 | 1.000 | 0.029 | 0.000 | 0.001 | |
| 11 | 29.818 | -26.152 | 13.000 | 0.452 | -0.892 | 0.000 | -0.001 | |
| 12 | 14.716 | -24.699 | 13.000 | -0.614 | -0.790 | 0.000 | -0.008 | |
| 13 | 2.786 | -14.854 | 13.000 | -0.191 | -0.982 | -0.000 | -0.015 | |
| 14 | -11.480 | -20.190 | 13.000 | 0.788 | -0.615 | 0.000 | -0.013 | |
| 15 | -16.730 | -26.005 | 13.000 | 0.471 | -0.882 | 0.000 | -0.009 | |
| 16 | -24.454 | -27.638 | 13.000 | -0.074 | -0.997 | 0.000 | -0.010 |
Claims (4)
1.钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)卧式装夹主动轴；
2)选择合金材质刀具；
3)合金材质刀具的类型选择为球头立铣刀；
4)采用粗铣—半精铣—精铣的方法进行加工，具体参数是：粗铣机床转速
50～60r/min,铣削进给量为2.3～3mm；粗铣给半精铣加工留余量0.1～0.25mm；
半精铣的机床转速600～700r/min,铣削进给量为0.3～0.5mm，精铣的机床转速为1000r/min左右,铣削进给量为0.01mm；
5)选取切削方式：采用合金球头立铣刀底齿切削的方法；
6)切削方式：球头立铣刀铣削时采用底齿前倾角低转速切削，由数控程序零点坐标倾斜10°～15°来实现；
7)在三维模型上通过数控加工程序，进行零件加工。
2.根据权利要求1所述的钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，其特征在于：所述加工方法还包括步骤8)曲面在线测量；使用NC数控程序的相同点位拟合测量曲面尺寸；
8.1)建立测量坐标系，并与三维模型坐标系完全吻合；
8.2)根据三维模型设置起始点、方向点、终止点，设置扫描点密度；一条曲线设置200点，测量的实际点与根据模型生成的理论点对比，对轮廓度进行拟合评价；
8.3)生成法向矢量偏差T，根据法向矢量偏差T判断零件是否合格。
3.根据权利要求2所述的钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，其特征在于：所述步骤5)球头立铣刀铣削时采用底齿前倾角10°～15°切削。
4.根据权利要求3所述的钛合金材料高精度复杂曲面加工方法，其特征在于：曲面加工时的数控程序零点坐标倾斜10°～15°。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |