CN107717030B - 一种钛合金ta15薄壁长凸台的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械加工技术领域,具体涉及一种钛合金TA15薄壁长凸台的加工方法,具体步骤包括去中间圆弧余量、去凸台右侧余量、去凸台左侧余量、精铣中间圆弧、精铣凸台右侧和精铣凸台左侧。本发明主要应用于新一代航空发动机钛合金TA15材料的轴向长凸台的铣削加工,解决了薄壁导管类零件加工过程中由于受零件结构壁厚薄、轴向尺寸长等机械加工变形的不利影响,攻克了铣削加工数控程序的编制、铣削加工工艺参数的确定等技术瓶颈,有效保证了钛合金TA15材料薄壁长凸台类零件的形状和尺寸精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域,具体涉及一种钛合金TA15薄壁长凸台的加工方法。
背景技术
钛及钛合金作为结构金属,具有强度高、抗腐蚀性好、耐高温等一系列突出的优点,在航空、航天等领域得到高度重视和广泛应用。随着钛合金研究和生产的发展,飞机的用钛量越来越大。钛合金使用量占飞机结构质量的百分比已经成为衡量飞机先进性的一个重要标志。TA15钛合金材料,具有较好的综合力学性能以及优良的锻造、热处理和焊接工艺性能,TA15钛合金可用来制造飞机隔框、壁板等工作温度较高、受力较复杂的重要结构零件。TA15钛合金材料属于典型的难加工材料,加工过程中出现黏刀现象,加工面的加工硬化现象严重,被加工零件容易产生较大变形、扭曲,不易保证加工精度。薄壁长凸台零件型面复杂,加工中容易振动、变形,装夹、加工难度极大。铣加工凸台对设备精度等级要求严格,选用设备精度较高的车铣复合加工中心进行加工。
TA15钛合金材料长凸台零件总长838mm,筒壁外径Ф110mm,壁厚1.3mm薄。TA15钛合金材料薄壁长凸台类零件的加工方法,目前行业内可采用铣削、拉削、电解加工、电火花加工等方法实现。由于需加工的凸台被加工表面长度过长,电火花加工、拉削、电解加工等工艺均无法实现,只能使用铣加工方法。
电火花加工适用于加工复杂形状的型孔、深细孔、异形孔等,电火花加工相对机械加工效率低,薄壁长凸台零件应该先用铣加工去除大部分余量,然后使用电火花加工。零件采用卧式装夹,电极直径大且长,零件加工表面长度432mm,电极与工件接触面积大,放电面积有限,造成去余量不均匀,无法同时放电完成,加工长度内需要分段分次加工完成,造成在零件加工表面有接刀台阶,零件变形严重。电火花加工时在零件表面产生重熔层,使金属表面质地变得不均匀以及微裂纹存在,在发动机工作中危害较大,重熔层与接刀台需要手动打磨完成,零件表面质量下降。加工过程中造成被加工工件的内应力增加而变形,加工尺寸精度不高。因此,电火花加工不可行。
外圆长凸台的右侧有比凸台大的台阶孔,因此无法使用拉削方法加工。拉刀轴向拉削时,行程贯串轴向,右侧台阶干涉。另外,拉削加工过程中切削力很大,增加了零件的变形的产生,拉刀制造成本高,因此拉削加工不可行。
电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。但由于零件长度838mm,零件过长,电加工设备行程受限,无法装夹零件,电解方法不可行。同时,电加工也存在加工精度和加工稳定性不高问题,由于阴极和夹具的设计及修正困难,周期较长,因而单件小批量生产的成本较高。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供一种钛合金TA15薄壁长凸台的加工方法,主要应用于新一代航空发动机钛合金TA15材料的轴向长凸台的铣削加工,解决了薄壁导管类零件加工过程中由于受零件结构壁厚薄、轴向尺寸长等机械加工变形的不利影响,攻克了铣削加工数控程序的编制、铣削加工工艺参数的确定等技术瓶颈,有效保证了钛合金TA15材料薄壁长凸台类零件的形状和尺寸精度要求。
具体技术方案如下:
一种钛合金TA15薄壁长凸台的加工方法,具体包括如下步骤:
(1)装夹
采用芯轴方式的夹具装夹,以一侧端面、内孔为基准,内孔装夹芯轴,加工压紧端面和小端的端面;
(2)去中间圆弧余量
使用Ф10R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀去除凸台之间的余量,由于余量较大采用分层铣削的方法,每层铣削0.5mm深。为减小零件铣削变形按照层优先的方式进行,所有凸台铣完一层后再铣第二层,去余量后给精铣留0.1mm余量。
(3)去凸台右侧余量
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量。
(4)去凸台左侧余量
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量。
(5)精铣中间圆弧
使用Ф6R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀铣凸台之间表面,选择更小的刀具可以降低切削力,由于精铣余量较小可以选择较大的转速和进给(转速2000r/min,进给200mm/min)既可以提高加工效率又可以提高零件表面质量。
(6)精铣凸台右侧
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好。
(7)精铣凸台左侧
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好。
本发明的有益效果是:
(1)夹具采用芯轴方式装夹。设计出理想夹具的结构,具有较大的难度,为此必须进行充分的工艺方案论证,解决技术关键。以一侧端面、内孔为基准,内孔装夹芯轴,加工压紧端面和小端的端面。
(2)增加内孔夹具定位基准精度。为了减少加工中变形,夹具芯轴与零件配合间隙大小决定了零件的加工精度等级。零件内孔长度800多毫米,加工中容易不同心,在镗孔后,增加裄磨工序,增加内孔与外圆跳动要求,保证内外圆同轴度。
(3)增加零件铣削刚性。铣削受力较大,外圆大端和小端都留有工艺台,便于装夹及增加零件刚性,不加工到最终型面,在铣加工后,两端外形面加工到最终尺寸,这样大大减小了铣削加工中的变形。
(4)采用往复式、分层铣加工方式进行加工。零件粗铣余量较大,采用圆柱铣刀分层铣削,第一层铣削完成后往返铣削,减少刀具长时间使用磨损所带来的让刀及变形现象。采用层优先的方式铣削,这样余量去除均匀,可以降低零件变形,刀具沿零件轴向走刀将铣削力传递给卡盘,能够减小零件的铣削变形。
(5)采用圆柱铣刀与球铣刀相结合方式加工。粗铣采用Ф10R0.5铣刀分层铣去余量,然后用Ф5球铣刀给凸台两侧清根,给精加工留0.1mm余量。使用Ф5球铣刀铣凸台根部时利用机床五轴加工功能让刀轴偏转20度后沿零件轴向走刀,避免使用球刀的刀尖切削,这样可以获得较好的切削效果。精铣选用Ф6R0.5铣刀铣凸台之间的圆弧选择更小的刀具可以降低切削力进而减小零件变形,然后用Ф5球铣刀给凸台两侧清根,由于余量较小加工后零件表面粗糙度较好。
(6)研究钛合金TA15材料薄壁长导管零件凸台的铣削加工工艺,并对其进行生产试验加工,经过三坐标扫描检查,调整了加工参数,使薄壁长导管零件凸台的形状及精度完全满足设计要求。优化确定最佳加工工艺参数,保证薄壁长导管零件凸台的尺寸精度和表面粗糙度,有效的保证了产品质量。目前,航空发动机已应用2台份零件,创造了显著的经济效益。在以后的批量生产中将会有更好的经济效益。此项技术的开发应用对国内航空发动机新技术的应用研究有积极作用。
(7)本发明选用选择铣加工方法保证,利用五坐标加工中心,卧式装夹,夹具带芯轴,减少零件加工中的变形,优化工艺路线和数控加工程序、加工参数,有效地控制并减少零件的加工变形,满足钛合金TA15薄壁长凸台的加工需要。
附图说明
图1为薄壁长凸台零件的结构示意图;
图2为薄壁长凸台零件的截面示意图;
图3为薄壁长凸台零件的立体示意图;
图4为薄壁长凸台夹具结构示意图。
其中1-底盘;2-压板;3-定位轴;4-螺母。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明,但本发明的保护范围不受附图所限。
图1为薄壁长凸台零件的结构示意图,图2为薄壁长凸台零件的截面示意图,图3为薄壁长凸台零件的立体示意图,图4为薄壁长凸台夹具结构示意图。如图所示,某新机导管零件为薄壁长凸台零件(a长838mm,f筒壁外径Ф110mm,m壁厚1.3mm),零件TA15钛合金材料,在导管外径处需铣10处长条形凸台,凸台长度b为432mm。薄壁长凸台零件型面复杂,加工中容易振动、变形,装夹、加工难度极大。铣加工凸台对设备精度等级要求严格,选用设备精度较高的车铣复合加工中心进行加工。
(1)夹具采用芯轴方式装夹。设计出理想夹具的结构,具有较大的难度,为此必须进行充分的工艺方案论证,解决技术关键。以一侧端面、内孔为基准,内孔装夹芯轴,加工压紧端面和小端的端面。采用卧式方式装夹,夹具结构图如图4所示。夹具底盘与机床工作台连接,图3所示零件左侧与图4所示夹具左侧重合,零件穿入芯轴,压板压紧零件左侧,螺母压紧零件右侧。
(2)增加内孔夹具定位基准精度。为了减少加工中变形,夹具芯轴与零件配合间隙大小决定了零件的加工精度等级。零件内孔长,加工中容易不同心,在镗孔后,增加裄磨工序,增加内孔与外圆跳动要求,保证内外圆同轴度。
(4)增加零件铣削刚性。铣削受力较大,外圆大端和小端都留有工艺台,便于装夹及增加零件刚性,不加工到最终型面,在铣加工后,两端外形面加工到最终尺寸,这样大大减小了铣削加工中的变形。
(5)采用往复式、分层铣加工方式进行加工。零件粗铣余量较大,采用圆柱铣刀分层铣削,第一层铣削完成后往返铣削,减少刀具长时间使用磨损所带来的让刀及变形现象。采用层优先的方式铣削,这样余量去除均匀,可以降低零件变形,刀具沿零件轴向走刀将铣削力传递给卡盘,能够减小零件的铣削变形。
(6)采用圆柱铣刀与球铣刀相结合方式加工。
粗铣采用Ф10R0.5铣刀分层铣去余量,然后用Ф5球铣刀给凸台两侧清根,给精加工留0.1mm余量。使用Ф5球铣刀铣凸台根部时利用机床五轴加工功能让刀轴偏转20度后沿零件轴向走刀,避免使用球刀的刀尖切削,这样可以获得较好的切削效果。精铣选用Ф6R0.5铣刀铣凸台之间的圆弧选择更小的刀具可以降低切削力进而减小零件变形,然后用Ф5球铣刀给凸台两侧清根,由于余量较小加工后零件表面粗糙度较好。
铣加工总共分为六个加工步骤:
步骤一:去除两凸台中间圆弧余量。
使用Ф10R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀去除凸台之间的余量(如图1中E-E视图),由于余量较大采用分层铣削的方法,每层铣削0.5mm深。为减小零件铣削变形按照层优先的方式进行,所有凸台铣完一层后再铣第二层,去余量后给精铣留0.1mm余量。
步骤二:去除凸台右侧余量。
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量(如图1中E-E视图),同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量。
步骤三:去凸台左侧余量。
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量(如图1中E-E视图),同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量。
步骤四:精铣两凸台中间圆弧。
使用Ф6R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀,铣凸台之间表面,选择更小的刀具可以降低切削力,由于精铣余量较小可以选择较大的转速和进给(转速2000r/min,进给200mm/min)既可以提高加工效率又可以提高零件表面质量。保证设计图纸尺寸m、b和c要求。
步骤五:精铣凸台右侧。
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好。保证设计图纸尺寸m、R、b和c要求。
步骤六:精铣凸台左侧。
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好。保证设计图纸尺寸m、R、h、b和c要求。
零件加工后使用三坐标进行凸台尺寸检测,尺寸全部合格,满足图纸要求,经过零件的加工初步掌握了在沃尔夫机床的铣加工功能也为薄壁筒形零件的铣加工积累了加工经验。
Claims (1)
1.一种钛合金TA15薄壁长凸台的加工方法,具体包括如下步骤:
(1)装夹
采用芯轴方式的夹具装夹,以一侧端面、内孔为基准,内孔装夹芯轴,加工压紧零件左侧端面和零件右侧小端的端面;
(2)去中间圆弧余量
使用Ф10R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀去除凸台之间的余量,由于余量较大采用分层铣削的方法,每层铣削0.5mm深,为减小零件铣削变形按照层优先的方式进行,所有凸台铣完一层后再铣第二层,去余量后给精铣留0.1mm余量;
(3)去凸台右侧余量
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量;
(4)去凸台左侧余量
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好,去余量后给精铣留0.1mm余量;
(5)精铣中间圆弧
使用Ф6R0.5铣刀垂直于零件轴线沿零件轴向从右向左走刀铣凸台之间表面,选择更小的刀具可以降低切削力,由于精铣余量较小选择转速2000r/min,进给200mm/min,既可以提高加工效率又可以提高零件表面质量;
(6)精铣凸台右侧
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从右向左走刀去除凸台右侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向左偏转20°铣削表面粗糙度较好;
(7)精铣凸台左侧
使用Ф5球铣刀刀轴偏转20°沿零件轴向从左向右走刀去除凸台左侧余量,同时为避免使用球铣刀刀尖铣削,将铣刀刀轴向右偏转20°铣削表面粗糙度较好。
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