CN109500527A - 一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法及夹具 - Google Patents

Abstract

本发明的一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法及夹具，能够解决工厂现有各批产及研制型号的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工效率低以及材料利用率低的问题。通过两个零件“互补”一体加工，即将一个零件加工时的废料转化成另一件零件的主体，这样能有效地解决零件材料利用率低的问题；同时，采用激光加工高度方向按函数加工的方式，可解决此类零件需设计斜端面夹具，将零件的斜端面通过放置斜端面夹具而摆放为水平加工的问题；变两次装夹为一次装夹，两次找正为一次，更避免了工人繁琐的操作问题，也解决了零件找正时最高点、最低点不易找正的难题。

Description

一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法及夹具

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，涉及一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法及夹具。

背景技术

带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体是某型发动机及其衍生型号中广泛应用的零件，每年加工数量很多。原有的加工工艺是在焊接完成的直筒毛坯筒料一端切斜边，并加工与斜边平行的冷却气膜孔，另一端切与直边平行的冷却孔。具体加工方法是：将零件斜放在夹具上，将端面为和零件斜端面水平角度一致的斜端面。通过该种放置方式，可以将高度一致的水平基准转化为斜的基准面。激光水平切割端面，激光头不动，激光回转工作台旋转，由于夹具的基准是一个斜的端面，虽然激光头高度不动，但在实体零件上仍然会形成一个斜的端面。零件翻转后找正零件的最高点，零件的最高点和夹具的最低点应该相配，达到让零件的直边能够呈现水平姿态。此时零件斜端面在下，零件斜端面的最高点和夹具的最低点相配合，零件激光头不动，激光回转工作台旋转，由于夹具的斜端面和零件的斜端面互补，所以在实体零件上会行成一个直的端面，同时加工完和直端面平行的两排孔。这种传统的加工方法加工一件零件需要进行两次装夹找正。工人劳动强度大，操作繁琐，加工准备时间长，效率较低。并且零件最高点尺寸是最低点的两倍，切除余量大，材料利用率低，仅为35.76％。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，通过两件零件“互补”一体加工，将一件零件加工时的废料转化成另一件零件的主体，有效解决了零件材料利用率低的问题。

本发明提供一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，包括如下步骤：

步骤1：将筒状夹具固定到激光切割圆型回转工作台上，并用百分表找正夹具圆跳动在0.02毫米以内，保证夹具端面跳动在0.05毫米以内，保证夹具中心和激光回转工作台同心；

步骤2：通过筒状夹具固定待加工筒体，保证筒体和筒状夹具紧密贴合，并用筒状夹具上盖压紧筒体；

步骤3：三维激光加工系统对刀，筒状夹具中心为激光加工坐标系X向0点，Y向0点，夹具底面为Z向零点；

步骤4：设定激光切割参数；

步骤5：编制激光NC程序，进行激光切割，先切割冷却孔，包括与直端面平行的冷却孔和与斜端面平行的冷却孔，再切割斜边将筒体加工形成2件带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体；

割过程中角向变化通过回转工作台转动来实现，针对不同角向，激光头加工高度的变化根据下列函数来实现：

其中，H为激光头高度尺寸，W为楔形屏最大宽度尺寸，w为楔形屏最小宽度尺寸，α为零件转动角度；

在本发明的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法中，所述筒状夹具包括底座、多个支座以及上盖；多个支座均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖；待加工筒体装夹固定在底座和上盖之间。

在本发明的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法中，激光切割参数为：

光纤三维激光加工系统脉冲宽度为1.8毫米，脉冲数量为500，激光切割喷嘴与零件距离为0.5毫米，功率为1500瓦，透镜焦距长度采用125毫米透镜，激光切割速度为2000毫米/分钟，辅助气体类型为氩气保护，氩气纯度99.9999％，切割保护气体压力为0.8MP。

在本发明的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法中，所述步骤5中：

切割斜端面时：α为变量，精度保留至0.0001度；

切割孔时：

其中，N为每排孔的数量，n＝1，2，3……N表示孔的序号。

本发明还提供一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具，包括底座、多个支座以及上盖；所述底座呈圆筒状由圆环型的底面和侧壁围构成，所述侧壁的上端面设有第一台阶部；多个支座均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖；所述上盖为圆形，上盖的下端面上设有第二台阶部；待加工筒体的下端面抵靠在第一台阶部，上端面抵靠在第二台阶部，通过底座和上盖的配合实现待加工筒体的装夹固定。

在本发明的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具中，支座呈L形，支座的短边固定在底座的底面上，支座的长边向上支撑住所述上盖。

在本发明的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具中，所述支座的长边上安装有长支承钉和短支承钉，通过旋转长支承钉和短支承钉可对待加工筒体进行调整，以确保待加工筒体和夹具同心。

本发明是通过数控宏变量编程，实现两件零件“互补”一体加工，在一个直的钛合金筒体上斜着加工零件的端面及和斜端面平行的孔(和直端面平行的孔正常加工即可)，有效解决了零件材料利用率低、零件装夹找正繁琐并且困难，切削量大，加工时间长等问题。激光加工高度方向按函数加工方法的实现，很好的解决了此类零件需要制作斜端面夹具，并且需要多次装夹找正的难题。传统的加工方法由于需要二次或多次装夹，找正夹具和零件的最高和最低点不准确等难题，导致零件的加工精度很低，达不到最终的设计要求。本发明第一可在一次装夹过程中，实现平行与水平边及平行于斜边的冷却孔同时加工，将两次装夹找正减少为一次，同时一次可加工两个零件，大大降低了加工准备时间，并简化了工人操作；第二同时本发明无需找正零件的最高及最低点，零件的最高点直接找到零件的起始切割角度即可，不存在找正误差；第三，该种工艺方法不存在切割废料，高昂的钛合金材料费可以随零件的台份增加而节省数百万之多。第四，可以节省大量的设备损耗，六轴联动三维激光加工系统，小时加工费约每小时近8000元，该种加工方式每个零件就可以节省近2小时。

附图说明

图1是本发明的一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法的加工示意图；

图2是本发明的一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具的剖视图；

图3是本发明的一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具的正视图。

具体实施方式

带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体零件尺寸大，型面上分布有数百个直径仅为1mm的微小冷却孔，而且设计要求这些孔的排列方式为沿零件轴线对称分布，可是每组小孔的数量不均。经过工艺试验，本发明提供一种激光加工一次装夹完成所有冷却孔及斜端面的加工方法。该工艺方法能解决斜端面的难以找正定位的问题，同时，也实现了气膜群孔及外形的一次装夹加工，从而保证了气膜孔的位置、斜端面高度尺寸的设计要求。

本发明的一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，包括如下步骤：

步骤1：将筒状夹具固定到激光切割圆型回转工作台上，并用百分表找正夹具圆跳动在0.02毫米以内，保证夹具端面跳动在0.05毫米以内，保证夹具中心和激光回转工作台同心；

具体实施时，所述筒状夹具包括底座、多个支座以及上盖；多个支座均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖；待加工筒体装夹固定在底座和上盖之间。

步骤2：通过夹具固定待加工筒体，保证筒体和夹具紧密贴合，并用夹具上盖压紧筒体；

步骤3：三维激光加工系统对刀，夹具中心为激光加工坐标系X向0点，Y向0点，夹具底面为Z向零点；

步骤4：设定激光切割参数；光纤三维激光加工系统脉冲宽度为1.8毫米，脉冲数量为500，激光切割喷嘴与零件距离为0.5毫米，功率为1500瓦，透镜焦距长度采用125毫米透镜，激光切割速度为2000毫米/分钟，辅助气体类型为氩气保护，氩气纯度99.9999％，切割保护气体压力为0.8MP。

步骤5：编制激光NC程序，进行激光切割，先切割冷却孔6，包括与直端面平行的冷却孔和与斜端面平行的冷却孔，再切割斜边7将筒体加工形成2件带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体；

割过程中角向变化通过回转工作台转动来实现，针对不同角向，激光头加工高度的变化根据下列函数来实现：

其中，H为激光头高度尺寸，W为楔形屏最大宽度尺寸，w为楔形屏最小宽度尺寸，α为零件转动角度；

切割斜端面时：α为变量，精度保留至0.0001度；

切割孔时：

其中，N为每排孔的数量，n＝1，2，3……N表示孔的序号。

通过上述数值模型，计算零件加工时每个冷却孔及切割端面的高度位置。编制激光加工程序，实现了真正的三维尺寸加工，有效发挥了设备的加工能力，改善后只需一次装夹，一次找正即可同时加工两件零件，有效简化工人操作，降低劳动强度，加工一件零件节约30min。如图1所示为采用本发明的加工方法，一次加工制成的2件带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体的示意图。

如图2和3所示，为了对待加工筒体进行固定，本发明提供一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具，包括底座1、多个支座2以及上盖3。所述底座1呈圆筒状由圆环型的底面和侧壁围构成，所述侧壁的上端面设有第一台阶部11。多个支座2均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖3。所述上盖3为圆形，上盖3的下端面上设有第二台阶部31。待加工筒体的下端面抵靠在第一台阶部11，上端面抵靠在第二台阶部31，通过底座1和上盖3的配合实现待加工筒体的装夹固定。

支座2呈L形，支座2的短边固定在底座1的底面上，支座2的长边向上支撑住所述上盖3。所述支座2的长边上安装有短支承钉4和长支承钉5，通过旋转短支承钉4和长支承钉5可对待加工筒体进行调整，以确保待加工筒体和夹具同心。

本发明通过两件零件“互补”一体加工，将一件零件加工时的废料转化成另一件零件的主体，有效解决了零件材料利用率低的问题；通过激光加工高度方向按函数加工的有效尝试，解决了此类零件只能水平加工的问题，并将两次装夹变为一次装夹，两次找正减少为一次，简化工人操作。通过调整工艺路线、优化激光程序，简化工人操作，提高零件加工材料利用率70％，提高加工效率20％

改善前：

一块700mm*1400mm钛合金板材加工零件3.5件，单件消耗定额7.551kg，材料利用率35.76％；加工一件零件需要两次装夹，两次找正，加工一件零件约为2h。

改善后：

一块板材加工零件6件，单件消耗定额4.405kg，材料利用率61.29％比改善前提高了70％；一次装夹，一次找正加工两件零件，有效简化工人操作，降低劳动强度，加工一件零件节约45min，提升效率约32.5％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，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 (7)

1.一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将筒状夹具固定到激光切割圆型回转工作台上，并用百分表找正夹具圆跳动在0.02毫米以内，保证夹具端面跳动在0.05毫米以内，保证夹具中心和激光回转工作台同心；

步骤2：通过筒状夹具固定待加工筒体，保证筒体和筒状夹具紧密贴合，并用筒状夹具上盖压紧筒体；

步骤3：三维激光加工系统对刀，筒状夹具中心为激光加工坐标系X向0点，Y向0点，夹具底面为Z向零点；

步骤4：设定激光切割参数；

步骤5：编制激光NC程序，进行激光切割，先切割冷却孔，包括与直端面平行的冷却孔和与斜端面平行的冷却孔，再切割斜边将筒体加工形成2件带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体；

割过程中角向变化通过回转工作台转动来实现，针对不同角向，激光头加工高度的变化根据下列函数来实现：

其中，H为激光头高度尺寸，W为楔形屏最大宽度尺寸，w为楔形屏最小宽度尺寸，α为零件转动角度；

2.如权利要求1所述的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，其特征在于，所述筒状夹具包括底座、多个支座以及上盖；多个支座均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖；待加工筒体装夹固定在底座和上盖之间。

3.如权利要求1所述的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，其特征在于，激光切割参数为：

光纤三维激光加工系统脉冲宽度为1.8毫米，脉冲数量为500，激光切割喷嘴与零件距离为0.5毫米，功率为1500瓦，透镜焦距长度采用125毫米透镜，激光切割速度为2000毫米/分钟，辅助气体类型为氩气保护，氩气纯度99.9999％，切割保护气体压力为0.8MP。

4.如权利要求1所述的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工方法，其特征在于，所述步骤5中：

切割斜端面时：α为变量，精度保留至0.0001度；

切割孔时：

其中，N为每排孔的数量，n＝1，2，3……N表示孔的序号。

5.一种带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具，其特征在于，包括底座、多个支座以及上盖；所述底座呈圆筒状由圆环型的底面和侧壁围构成，所述侧壁的上端面设有第一台阶部；多个支座均匀布置在圆环型的底面上用于支撑上盖；所述上盖为圆形，上盖的下端面上设有第二台阶部；待加工筒体的下端面抵靠在第一台阶部，上端面抵靠在第二台阶部，通过底座和上盖的配合实现待加工筒体的装夹固定。

6.如权利要求5所述的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具，其特征在于，支座呈L形，支座的短边固定在底座的底面上，支座的长边向上支撑住所述上盖。

7.如权利要求6所述的带有密集群孔及斜端面的薄壁筒体加工夹具，其特征在于，所述支座的长边上安装有长支承钉和短支承钉，通过旋转长支承钉和短支承钉可对待加工筒体进行调整，以确保待加工筒体和夹具同心。