CN106312158A - 用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，包括以下步骤：a、加工设备选取五轴数控机床；b、改进刀具装配方式，通过转接角度头转接机床主轴上的刀具，形成沿机匣轴向伸入机匣内的机床主轴以及沿机匣的径向对机匣内壁面进行加工的刀具；c、刀具选择，刀具柄部直径为φ6～φ10，刃部直径为φ4～φ7，刀具长径比为1：7～1：10，以减少加工过程中刀具转接带来的刀具颤动；d、选择斜槽加工工艺路线，采用迂回加工方式，以保证斜槽表面的粗糙度和提高加工效率；e、对机匣内壁面的各个斜槽设计位置进行加工，得到成型机匣。保证了斜槽尺寸和粗糙度要求；降低了大量的刀具消耗，节约了加工成本。

Description

用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法

技术领域

本发明涉及航空发动机加工技术领域，特别地，涉及一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法。

背景技术

随着航空航天技术的发展，新一代航空发动机性能要求越来越高，零件结构和型面越来越复杂，机匣内腔型面的加工一直是科研生产的一大难点，因为普通机床和数控机床的主轴及刀具无法直接深入零件内腔进行加工，零件内腔型面加工只能采用电火花方式进行加工，电极制造难度大，加工时间长，且尺寸不易控制。某航空发动机的第一级静子外环，内圈有114个斜槽，电火花加工一个零件时间为76小时，加工效率极其低下，严重影响到科研生产的进度。

发明内容

本发明提供了一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，以解决现有普通机床和数控机床无法对机匣内壁面进行加工；电火花方式加工，电极制造难度大，加工时间长，加工尺寸难以控制的技术问题。

本发明提供一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，包括以下步骤：a、加工设备选取五轴数控机床；b、改进刀具装配方式，通过转接角度头转接机床主轴上的刀具，形成沿机匣轴向伸入机匣内的机床主轴以及沿机匣的径向对机匣内壁面进行加工的刀具；c、刀具选择，刀具柄部直径为φ6～φ10，刃部直径为φ4～φ7，刀具长径比为1：7～1：10，以减少加工过程中刀具转接带来的刀具颤动；d、选择斜槽加工工艺路线，采用迂回加工方式，以保证斜槽表面的粗糙度和提高加工效率；e、对机匣内壁面的各个斜槽设计位置进行加工，得到成型机匣。

进一步地，步骤b中的转接角度头采用90度角度头，90度角度头的内部由一对齿数相同且轮齿布设角度为45度的两个斜齿轮相互啮合构成。

进一步地，90度角度头的第一端通过外锥柄与机床主轴的内锥孔配合，外锥柄以及内锥孔的锥度比均为7：24；90度角度头的第二端通过内锥孔与刀具刀柄的外锥配合，内锥孔以及外锥的锥度比均为7：24。

进一步地，步骤c中刀具选择，刀具直径选择：0.5mm＜槽宽尺寸-刀具直径＜1mm，以保证斜槽粗加工后具有内槽切削余量。

进一步地，内槽切削余量为0.25mm-0.5mm。

进一步地，刀具刀柄直径大于刀具刃部直径，以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

进一步地，刀具刀柄直径为8mm，长度为50mm；刃部直径为5mm，长度为10mm，以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

进一步地，步骤d中迂回加工方式具体为：在斜槽槽深方向分为两层铣削，第一层铣完斜槽全长时，斜槽深度方向仅向下铣进设计槽深的一半；第二层往回铣削全长，斜槽深度方向向下铣进至设计深度；然后精铣斜槽槽宽和槽深到设计尺寸，完成单个斜槽的加工。

进一步地，刀具进行斜槽铣削时，深度方向向下倾斜的角度小于5度，以保证切削平稳及减少刀具打刀现象。

进一步地，待加工机匣材料为不锈钢1Gr13Ni，机匣内圆设有均布的114个斜槽，斜槽的槽长为52.3mm，槽宽为5.6mm，槽深为5mm，斜槽表面粗糙度要求为1.6μm。

本发明具有以下有益效果：

本发明用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，解决了机匣内腔斜槽加工尺寸控制及频繁断刀的现象，消除了槽壁的挖刀现象，保证了斜槽尺寸和粗糙度要求，从而保证了新机研制的顺利进行，缩短了研制周期；避免了因槽型尺寸超差造成的零件报废的现象，降低了大量的刀具消耗，节约了加工成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法的结构框图。如图1所示，本实施例的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，包括以下步骤：a、加工设备选取五轴数控机床；b、改进刀具装配方式，通过转接角度头转接机床主轴上的刀具，形成沿机匣轴向伸入机匣内的机床主轴以及沿机匣的径向对机匣内壁面进行加工的刀具；c、刀具选择，刀具柄部直径为φ6～φ10，刃部直径为φ4～φ7，刀具长径比为1：7～1：10，以减少加工过程中刀具转接带来的刀具颤动；d、选择斜槽加工工艺路线，采用迂回加工方式，以保证斜槽表面的粗糙度和提高加工效率；e、对机匣内壁面的各个斜槽设计位置进行加工，得到成型机匣。本发明用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，解决了机匣内腔斜槽加工尺寸控制及频繁断刀的现象，消除了槽壁的挖刀现象，保证了斜槽尺寸和粗糙度要求，从而保证了新机研制的顺利进行，缩短了研制周期；避免了因槽型尺寸超差造成的零件报废的现象，降低了大量的刀具消耗，节约了加工成本。原来一个零件需要加工40小时，20把铣刀，现在一个零件加工8小时，一把铣刀可以加工一个零件(114个斜槽)。

五轴数控机床，机床结构为三加二结构，三个移动分别为X轴、Y轴、Z轴，两个转动分别为A转台和C转台，A转台围绕X轴旋转，C转台围绕Z轴旋转，内腔斜槽加工方法在2013年试验成功，目前已经在该设备上加工内腔型面及斜槽类零件1万多个，均能合格保证产品质量。主轴轴线为Z轴，与数控刀具的旋转轴线平行，机床主轴内锥孔的锥度比为7:24，铣刀刀柄的外椎为7:24，与机床主轴的内锥孔进行配合定位，通过压缩空气进行吸紧固定。机床主轴带动数控刀柄进行加工，铣刀在铣削时，根据难加工材料最低每分钟20米的线速度要求，刀具的旋转速度大于400转/分钟。由于这种机床结构数控刀具不能垂直于圆桶形零件的内壁进行加工，所以对于机匣内腔斜槽加工需要改变加工方式。在数控机床主轴上安装一个90度转接头，转接头内部由一对齿数相同、角度为45度的两个斜齿轮构成，两个45度齿轮相互啮合后，形成一个90度的夹角，既形成了加工角度的转换，使数控刀具的旋转轴线由平行于主轴轴线。加工平面为X、Y平面变为垂直于机床主轴轴线，平行于Y轴，加工平面为X、Z平面，这就实现了加工平面的转换，且由于两个斜齿轮齿数相等，所以输出的转速与机床主轴也是完全相同的，但由于是两个齿轮相互啮合，使得主轴输出的转向相反。在编制数控程序时，需要将转速有正转改为反转，转换后数控即可伸入机匣内腔，垂直于内壁进行铣削。90度转接头与机床主轴的连接方式：90度转接头与机床主轴的连接，一端依靠一个7:24的外椎柄与主轴的内锥相配合定位固定，以输出机床主轴的转速，另一端转换90度后输出平行于Y轴的刀具夹口。但是由于机床主轴旋转是带动角度头的内部齿轮旋转，而不是带动角度头旋转，角度头的本体部位是不发生旋转的，角度头的加工轴线是平行于Y轴固定不动的，所以为避免机床主轴旋转时带动角度头整体一起发生旋转。在角度头端面正上方(Y正方向)加工一个精密定位孔，在机床主轴端面正上方(Y正方向)安装一个精密定位销，安装角度头时，将定位销插入定位孔内，定位固定角度头不动，保证角度头整体不发生左右偏摆，且输出口与Y轴平行。

本实施例中，步骤b中的转接角度头采用90度角度头。90度角度头的内部由一对齿数相同且轮齿布设角度为45度的两个斜齿轮相互啮合构成。

本实施例中，90度角度头的第一端通过外锥柄与机床主轴的内锥孔配合，外锥柄以及内锥孔的锥度比均为7：24。90度角度头的第二端通过内锥孔与刀具刀柄的外锥配合，内锥孔以及外锥的锥度比均为7：24。

本实施例中，步骤c中刀具选择，刀具直径选择：0.5mm＜槽宽尺寸-刀具直径＜1mm，以保证斜槽粗加工后具有内槽切削余量。原标准φ5合金铣刀，整体长60mm，长泾比达到12倍，对于难加工材料的铣削极易发生加工震动及断刀现象，加工一个零件需要消耗20把铣刀，且斜槽内表面有很明显的振纹，为提高刀具刚性，难加工材料的铣削刀具长径比必须控制在7倍以内，才能保证加工质量和效率，改进后，铣刀柄部直径为8mm，长度为50mm，加工部位φ5的长度只留10mm，这样加工部位长径比缩小为2倍，刀具刚性得到了大幅提高，现在加工一个114斜槽的零件加工时间由40小时缩短为8小时，数控铣刀由20把减少为1把。加工质量好效率得到大幅提高。

本实施例中，内槽切削余量为0.25mm-0.5mm。

本实施例中，刀具刀柄直径大于刀具刃部直径，以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

本实施例中，刀具刀柄直径为8mm，长度为50mm。刃部直径为5mm，长度为10mm。以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

本实施例中，步骤d中迂回加工方式具体为：在斜槽槽深方向分为两层铣削，第一层铣完斜槽全长时，斜槽深度方向仅向下铣进设计槽深的一半；第二层往回铣削全长，斜槽深度方向向下铣进至设计深度；然后精铣斜槽槽宽和槽深到设计尺寸，完成单个斜槽的加工。槽深是采用迂回加工，斜槽加工时，数控刀具同时受到X、Y、Z三个方向的切削力，这时，向下Z方向的速度必须远小于XY平面上的加工速度，否则刀具底齿很容易打断，因为数控铣刀底齿中心切削时，几乎没有回转半径，以致切削速度几乎为0，切削性能很差，为减小铣刀深度方向的进刀量，必须控制斜槽铣削向下的倾斜角小于10度，所以在槽深方向分为两层铣削，第一层铣完斜槽全长时，深度方向只向下铣了槽深的一半。第二层铣回来才把深度进到位。斜槽深度采用倾斜式逐步加工到位，使铣刀轴向进刀时的铣削力大幅下降，提高了切削的平稳性，减少了刀具因瞬时铣削力过大而造成的打刀现象，槽型轮廓精加工时，由于槽深已经加工到尺寸，槽宽的加工余量为5.6-5＝0.3，大大降低了轮廓的铣削力，加工过程中平稳性得到大幅提高，消除了型面的表面振纹，保证了斜槽的表面粗糙度，现在一把φ5合金铣刀可以加工一个零件114个槽，节约刀具14把，加工时间为12小时，调高6倍的加工效率。

本实施例中，刀具进行斜槽铣削时，深度方向向下倾斜的角度小于5度，以保证切削平稳及减少刀具打刀现象。

本实施例中，待加工机匣材料为不锈钢1Gr13Ni，机匣内圆设有均布的114个斜槽。斜槽的槽长为52.3mm，槽宽为5.6mm，槽深为5mm。斜槽表面粗糙度要求为1.6μm。

实施时，提供一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，采用五轴数控机床通过主轴转接角度头取代电火花进行机匣内腔斜槽加工。

航空发动机第一级静子外环零件的材料为不锈钢1Gr13Ni，在零件内圆上均布着114个斜槽。现在所有数控机床的主轴轴线和刀具轴线都是重合的，因为内孔对面发生干涉，机床主轴不能深入零件内腔，为使数控刀具能垂直于零件内壁进行铣削加工，必须改变刀具轴线与机床主轴轴线的方向。安装90度角度头后可使数控铣刀的轴线与机床主轴轴线垂直，加工机匣内腔时不会发生干涉。在五轴数控机床主轴上装一个90度角度头，使数控刀具轴线与机床主轴轴线由平行变成相互垂直，机床主轴与零件轴线依然保持平行，这样机床主轴可以深入零件内腔，而数控刀具却可以垂直于零件内壁进行加工。

数控刀具的改进：零件材料为不锈钢1Gr13Ni，斜槽的槽宽为5.6mm，所以选用φ5合金铣刀，由于刀具直径小，通过角度头转接后刀具力臂加长，造成加工过程振动加大，首件加工共打断15把合金铣刀，槽壁挖刀现象严重。该刀具柄部和刃部直径相同，刀具长径比较大，为1：15，刚性很差，加工中产生颤动，使零件斜槽内壁产生振纹，无法保证零件1.6μm的表面粗糙度。改进后的刀具柄部直径为φ8，刃部直径为φ5，刀具长径比减小为1：9，刚性较之前提高了一倍，加工中减小了颤动，零件斜槽内壁无振纹，能保证零件1.6的表面粗糙度。为保证刀具刚性后内槽切削余量，0.5<槽宽尺寸–刀具直径<1，这样保证刀具直径不是太小，零件槽宽粗加工后还有0.25–0.5mm的加工余量。

细化工艺路线，保证斜槽表面粗糙度，提高加工效率。零件第一级静子外环内壁有114处长52.3宽5.6深5斜槽，由于铣削余量多，造成斜槽表面粗糙度大，加工效率很低，现对加工路线进行优化。原槽深加工路线：刀具垂直向下进到深度尺寸——精铣槽宽到尺寸；原轮廓加工路线：刀具直接绕斜槽型面一圈，精铣槽宽到尺寸。现槽深加工路线：刀具倾斜向下进到深度尺寸的一半——刀具倾斜向下进到深度尺寸——精铣槽宽到尺寸；现轮廓加工路线：刀具倾斜向下，深度加工到尺寸——精铣槽宽到尺寸。沿斜槽的长度方向向下倾斜。第一刀从槽的始端走到终端(52mm)的同时深度进到槽深的一半(2.5mm)，第二刀从槽的终端走到始端(52mm)的同时深度进到槽深底部(5mm)。不锈钢材料进行斜槽铣削时，深度方向向下倾斜的角度一般小于5度，这样才能使切削平稳，减少数控刀具打刀现象，提高零件斜槽表面质量。

工艺路线细化后的效果：斜槽深度采用倾斜式逐步加工到位，使铣刀轴向进刀时的铣削力大幅下降，提高了切削的平稳性，减少了刀具因瞬时铣削力过大而造成的打刀现象，槽型轮廓精加工时，由于槽深已经加工到尺寸，槽宽的加工余量为5.6-5＝0.3，大大降低了轮廓的铣削力，加工过程中平稳性得到大幅提高，消除了型面的表面振纹，保证了斜槽的表面粗糙度，现在一把φ5合金铣刀可以加工一个零件114个槽，节约刀具14把，加工时间为12小时，调高6倍的加工效率。

用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，解决了机匣内腔斜槽加工尺寸控制及频繁断刀的现象，消除了槽壁的挖刀现象，保证了斜槽尺寸和粗糙度要求，从而保证了新机研制的顺利进行，缩短了研制周期。避免了因槽型尺寸超差造成的零件报废的现象，降低了大量的刀具消耗，节约了公司成本。开拓了机匣内腔加工的新思路，目前该方法已经尝试应用于在研的两个机种，在制的一个机种上，同样取得了很好的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、加工设备选取五轴数控机床；

b、改进刀具装配方式，通过转接角度头转接机床主轴上的刀具，形成沿机匣轴向伸入机匣内的机床主轴以及沿机匣的径向对机匣内壁面进行加工的刀具；

c、刀具选择，刀具柄部直径为φ6～φ10，刃部直径为φ4～φ7，刀具长径比为1:7～1:10，以减少加工过程中刀具转接带来的刀具颤动；

d、选择斜槽加工工艺路线，采用迂回加工方式，以保证斜槽表面的粗糙度和提高加工效率；

e、对机匣内壁面的各个斜槽设计位置进行加工，得到成型机匣。

2.根据权利要求1所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

所述步骤b中的转接角度头采用90度角度头，

所述90度角度头的内部由一对齿数相同且轮齿布设角度为45度的两个斜齿轮相互啮合构成。

3.根据权利要求2所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

所述90度角度头的第一端通过外锥柄与机床主轴的内锥孔配合，外锥柄以及内锥孔的锥度比均为7：24；

所述90度角度头的第二端通过内锥孔与刀具刀柄的外锥配合，内锥孔以及外锥的锥度比均为7：24。

4.根据权利要求1所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

所述步骤c中刀具选择，刀具直径选择：0.5mm＜槽宽尺寸-刀具直径＜1mm，以保证斜槽粗加工后具有内槽切削余量。

5.根据权利要求4所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

内槽切削余量为0.25mm-0.5mm。

6.根据权利要求4所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

刀具刀柄直径大于刀具刃部直径，以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

7.根据权利要求6所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

刀具刀柄直径为8mm，长度为50mm；刃部直径为5mm，长度为10mm，以提高刀具的刚度并减小加工时的颤动。

8.根据权利要求1所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

所述步骤d中迂回加工方式具体为：

在斜槽槽深方向分为两层铣削，第一层铣完斜槽全长时，斜槽深度方向仅向下铣进设计槽深的一半；

第二层往回铣削全长，斜槽深度方向向下铣进至设计深度；

然后精铣斜槽槽宽和槽深到设计尺寸，完成单个斜槽的加工。

9.根据权利要求8所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

刀具进行斜槽铣削时，深度方向向下倾斜的角度小于5度，以保证切削平稳及减少刀具打刀现象。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的用于航空发动机的机匣内壁面的斜槽加工方法，其特征在于，

待加工机匣材料为不锈钢1Gr13Ni，机匣内圆设有均布的114个斜槽，斜槽的槽长为52.3mm，槽宽为5.6mm，槽深为5mm，斜槽表面粗糙度要求为1.6μm。