CN110193785B - 一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法 - Google Patents

一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,首先将磨削砂轮的型面直接修整成与涡轮长轴零件上渐开线花键直齿齿形呈对应相反的形状,并对涡轮长轴零件上预加工出渐开线花键直齿部位的加工余量进行分层;之后采用型面已修整好的磨削砂轮对各分层直接进行成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。本发明可大大提高零件花键齿的加工精度和表面粗糙度,满足先进航空发动机高温合金涡轮长轴零件对渐开线花键齿形、齿向等的高精度加工及高表面粗糙度要求。

Description

一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法
技术领域
本发明属于机械加工领域,具体涉及一种高温合金材料涡轮长轴零件渐开线花键齿成形磨削方法。
背景技术
对于航空发动机材料为高温合金的涡轮长轴零件其渐开线花键直齿的加工,通常是在滚齿机上采用展成滚齿的方法进行。但该方法加工的花键齿其齿形、齿向精度只能控制在≥0.02mm,表面粗糙度也只能满足Ra=1.2~1.6的要求。然而随着更先进航空发动机对涡轮长轴零件渐开线花键齿精度及表面粗糙度要求的进一步提高(齿形精度≤0.01mm,齿向精度≤0.008mm,表面粗糙度Ra≤0.8),滚齿加工已难以满足新型涡轮长轴花键齿加工时设计提出的各项高精度指标要求。为满足齿加工的高精度和表面粗糙度,传统方法虽亦有采用磨削方式进行花键齿加工,然其基于的原理仍与滚齿一样,均是采用展成原理对花键齿进行渐进成型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涡轮长轴零件花键齿成形磨削方法,用于航空发动机高温合金材料涡轮长轴零件渐开线花键直齿加工,以克服现有技术的缺陷。本发明可大大提高零件花键齿的加工精度和表面粗糙度,满足先进航空发动机高温合金涡轮长轴零件对渐开线花键齿形、齿向等的高精度加工及高表面粗糙度要求。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,首先将磨削砂轮的型面直接修整成与涡轮长轴零件上渐开线花键直齿齿形呈对应相反的形状,并对涡轮长轴零件上预加工出渐开线花键直齿部位的加工余量进行分层;之后采用型面已修整好的磨削砂轮对各分层直接进行成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。
进一步地,具体包括以下步骤:
步骤一:将磨削砂轮安装于机床主轴,用盘状砂轮修整器对磨削砂轮的型面进行修整,将其型面修整成与渐开线花键直齿齿形呈对应相反的形状;
步骤二:将涡轮长轴零件安装于花键齿磨削机床,并完成找正、夹紧准备工作,同时根据涡轮长轴零件上单个渐开线花键直齿的单边加工余量,进行粗磨、半精磨、精磨以及光磨四个加工阶段的余量分层;
步骤三:将步骤一中型面已修整好的磨削砂轮以设定的旋转线速度和沿着零件轴向方向的往复直线运动速度,以及每次往复运动时规定的切削深度,对涡轮长轴零件的全部渐开线花键直齿型面分别按照粗磨、半精磨、精磨以及光磨的顺序进行分层成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。
进一步地,磨削砂轮的材料为陶瓷微晶刚玉,粒度为300~250μm,硬度等级代号为J大类。
进一步地,盘状砂轮修整器的磨料为金刚石。
进一步地,步骤一中用盘状砂轮修整器对磨削砂轮的型面进行修整的具体要求为:磨削砂轮与盘状砂轮修整器的旋转方向相反,磨削砂轮的旋转线速度为30m/s,盘状砂轮修整器的旋转线速度为200mm/min,盘状砂轮修整器按照设定路径每次对磨削砂轮的修整深度为0.02mm。
进一步地,步骤三中粗磨完成后,为后续半精磨留出单边0.2mm的加工余量;半精磨完成后,为后续精磨留出单边0.05mm的加工余量;精磨完成后,为后续光磨留出单边0.005mm的加工余量。
进一步地,粗磨时,磨削砂轮的旋转线速度为30m/s,往复直线运动速度为5000mm/min,磨削砂轮每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.02mm,当磨削砂轮的往复运动行程次数达到30次时,对磨削砂轮按照0.02mm的修正量进行再次修整。
进一步地,半精磨时,磨削砂轮的旋转线速度为30m/s,往复直线运动速度为5000mm/min,磨削砂轮每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.01mm,当磨削砂轮的往复运动行程次数达到35次时,对磨削砂轮按照0.02mm的修正量进行再次修整。
进一步地,精磨时,磨削砂轮的旋转线速度为60m/s,往复直线运动速度为4000mm/min,磨削砂轮每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.008mm,当磨削砂轮的往复运动行程次数达到25次时,对磨削砂轮按照0.01mm的修正量进行再次修整。
进一步地,光磨时,磨削砂轮的旋转线速度为60m/s,往复直线运动速度为2000mm/min,磨削砂轮每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.005mm,当磨削砂轮的往复运动行程次数达到2次时,对磨削砂轮按照0.01mm的修正量进行再次修整。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
传统滚齿方法加工航空发动机涡轮长轴零件花键直齿的精度等级最优只能控制在IT6。与传统滚齿加工相比,本发明通过加工验证,其采用磨削方法加工零件花键齿的精度等级可提高至IT2~IT3,极大提高了零件花键齿的加工精度和表面粗糙度,满足先进航空发动机高温合金涡轮长轴零件对渐开线花键齿形、齿向等的高精度加工及高表面粗糙度要求。同时本发明采用基于成型砂轮对零件的花键齿型直接进行成形磨削的方法和工艺过程,为航空发动机高温合金涡轮长轴零件渐开线花键直齿的高精度成型方法提供了一种新的加工形式。
附图说明
图1是航空发动机涡轮长轴零件渐开线花键直齿及其技术指标示意图,其中(a)为零件剖视图,x=100mm;(b)为花键直齿齿形图,y=3.5mm;花键齿技术指标如下:齿数=41(沿圆周均布),齿形精度≤0.01mm,齿向精度≤0.008mm,表面粗糙度Ra≤0.8;
图2是磨削砂轮修整方式示意图;
图3是磨削花键直齿时磨削砂轮运动方式示意图,m表示磨削砂轮往复直线运动方式,n表示磨削砂轮旋转;
图4是粗磨、半精磨、精磨和光磨成形磨削及留出余量示意图,其中(a)为粗磨及留余量示意图,a=0.2mm;(b)为半精磨及留余量示意图,b=0.05mm;(c)为精磨及留余量示意图,c=0.005mm;(d)为光磨示意图。
图中:1—磨削砂轮;2—盘状砂轮修整器;3—涡轮长轴零件;4—渐开线花键直齿;5—机床主轴;6—粗磨轮廓;7—半精磨轮廓;8—精磨轮廓;9—光磨轮廓。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细描述:
本发明提供一种航空发动机高温合金涡轮长轴零件其渐开线花键直齿的成形磨削方法,以满足先进发动机涡轮长轴花键齿的高精度和高表面粗糙度指标要求。传统方法对于渐开线花键直齿的加工是基于展成原理采用滚齿的方式进行,但该方法已难以保证新型高温合金涡轮长轴花键齿加工时设计提出的各项高精度指标要求;为满足齿加工的高精度和表面粗糙度,传统方法虽亦有采用磨削方式进行花键齿加工,然其基于的原理仍与滚齿一样,均是采用展成原理对花键齿进行渐进成型。与传统相比,本发明方法则是首先将磨削砂轮的型面直接修整成与涡轮长轴零件渐开线花键齿形呈对应相反的形状,并对零件上预加工出花键直齿部位的加工余量进行分层;之后采用型面已修整好的磨削砂轮对各分层直接进行成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。本发明加工方法不仅可以满足新型高温合金涡轮长轴花键齿加工其齿形、齿向的高精度和高表面粗糙度要求,同时其基于采用成型磨削砂轮对零件的花键齿型直接进行成形磨削的加工原理和方式,与传统之基于展成原理对渐开线花键齿进行渐进成型的方法相比,在齿的成型原理上与传统方式产生了区别。
本发明涡轮长轴零件渐开线花键直齿的总体磨削方法和工艺过程为:成型磨削砂轮以一定的线速度旋转,并以每次规定的切削深度沿着涡轮长轴零件的轴向方向进行往复直线运动,以此对零件花键齿部位进行磨削。
具体如下:
首先,针对不同的零件材料,将合适材料和磨料的陶瓷微晶刚玉磨削砂轮安装于机床主轴;用磨料为金刚石的盘状砂轮修整器对陶瓷微晶刚玉磨削砂轮的型面进行修整,且其型面应修整成与涡轮长轴零件渐开线花键齿形呈对应相反的形状。
之后,将涡轮长轴零件安装于花键齿磨削机床,并完成零件找正、夹紧等各项准备工作。同时根据涡轮长轴零件其单个渐开线花键直齿的单边加工余量,进行粗磨、半精磨、精磨,以及光磨四个加工阶段的余量分层。其中粗磨加工余量较大;半精磨加工余量可为粗磨加工余量的1/10;精磨加工后需给最终光磨留出0.003~0.005mm的加工余量。
最后,采用之前型面已修整好的陶瓷微晶刚玉磨削砂轮,将其以设定的旋转线速度和其沿着零件轴向方向的往复直线运动速度,以及砂轮每次往复运动时规定的切削深度,对涡轮长轴零件的全部渐开线花键直齿型面分别按照粗磨、半精磨、精磨,以及光磨的顺序进行分层成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。其中粗磨主要实现磨削去除大余量的目的;半精磨主要实现对花键齿的齿形、齿向基本校正的目的;精磨是为保证花键齿最终的齿形、齿向精度;光磨是为保证花键齿面的最终表面粗糙度。
下面结合附图对本发明实施例做详细描述:
实施例:某航空发动机涡轮长轴零件渐开线花键直齿的成形磨削
该发动机涡轮长轴零件采用难加工材料高温合金GH4169。如图1,零件需加工的渐开线花键直齿的轴向长度为100mm;单个渐开线花键齿的单边加工余量为3.5mm(即齿顶与齿根的半径差);齿数为41个;齿形精度≤0.01mm,齿向精度≤0.008mm,齿面表面粗糙度Ra≤0.8。
基于以上对零件花键直齿的描述,按以下步骤实施花键齿加工。包括:磨削砂轮材料及磨料的选取,磨削砂轮的修整方式和修整参数,零件花键齿的加工阶段及余量分配,花键齿的磨削加工参数等。
步骤一:根据零件材料为难加工高温合金及齿面表面粗糙度为Ra≤0.8的要求,选取磨削砂轮1型号为400-127-30-5SG F100J 9V 45m/s的陶瓷微晶刚玉砂轮,磨料主要成分为SG+SIC+WA(其中SG占总磨料的50%),粒度为J60(300~250μm),硬度等级代号为J大类。
步骤二:将磨削砂轮1安装于机床主轴5,并用磨料为金刚石的盘状砂轮修整器2按图2中①~③的修整路径对磨削砂轮1的型面进行修整。其修整出的磨削砂轮1的型面应与涡轮长轴零件3上渐开线花键直齿4的齿形呈对应相反。修整时,磨削砂轮1应与盘状砂轮修整器2的旋转方向相反,磨削砂轮1的旋转线速度为30m/s,盘状砂轮修整器2的旋转线速度为200mm/min,盘状砂轮修整器2每次对磨削砂轮1的修整深度为0.02mm。
步骤三:将涡轮长轴零件3安装于花键齿磨削机床,并完成涡轮长轴零件3找正、夹紧等各项准备工作。根据零件单个渐开线花键直齿4其单边加工余量为3.5mm的实际,将渐开线花键直齿4磨削过程分为粗磨、半精磨、精磨和光磨四个加工阶段,并对各加工阶段留出相应加工余量。其中半精磨加工余量为单边0.2mm,精磨加工余量为单边0.05mm,光磨加工余量为单边0.005mm。
步骤四:粗磨成形磨削。如图3、4,将步骤二中型面已修整好的磨削砂轮1旋转运动,同时使磨削砂轮1以每次规定的切削深度沿着涡轮长轴零件3轴向方向做往复直线运动,以此对零件圆周共41个渐开线花键直齿4进行粗磨成形磨削,形成粗磨轮廓6。粗磨时,磨削砂轮1的旋转线速度为30m/s,往复直线运动速度为5000mm/min,切削深度为磨削砂轮1每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.02mm。粗磨完成后,为后续半精磨留出单边0.2mm加工余量。另外,在粗磨过程中,当磨削砂轮1的往复运动行程次数达到30次时,需按图2中①~③的路径以0.02mm的修整量修整一次砂轮,以保证磨削砂轮1的切削性能。
步骤五:分别按半精磨、精磨、光磨的三个加工阶段进行成形磨削,如图3、4,将磨削砂轮1以与步骤四中同样的运动方式,对零件圆周共41个花键齿4分别按半精磨、精磨及光磨的加工顺序进行成形磨削,分别形成半精磨轮廓7、精磨轮廓8及光磨轮廓9(光磨轮廓即最终齿形轮廓)。该三个加工阶段的磨削参数及各加工阶段所留余量如表1所示。另外,在半精磨、精磨及光磨过程中,当磨削砂轮1的往复运动行程次数分别达到35次、25次和2次时,需按图2中①~③的路径以分别0.02mm、0.01mm和0.01mm的修整量修整一次砂轮,以保证磨削砂轮1的切削性能。
表1半精磨、精磨及光磨加工参数和所留加工余量
Figure BDA0002105363100000071
当涡轮长轴零件的41个渐开线花键直齿4全部磨削完成后,对其渐开线花键直齿4的齿形、齿向精度,及齿表面粗糙度进行了检测,效果良好,满足设计要求的齿加工精度指标。检测结果如表2。
表2渐开线花键直齿的齿形、齿向及表面粗糙度检测结果
Figure BDA0002105363100000072
Figure BDA0002105363100000082
另外,渐开线花键直齿4磨削完成后,又对磨削齿面的表面完整性相关指标进行了金相检测,结果满足“高温合金机械加工表面完整性评价规定”需达到的各项指标要求,检测结果如表3。
表3花键磨削齿面表面完整性检测结果
Figure BDA0002105363100000081
本发明所采用的磨削砂轮材料及磨料,磨削砂轮的修整方式和修整参数,零件花键齿的加工阶段及余量分配,花键齿的磨削加工参数等,亦可应用于难加工材料锻造高温合金GH4033、GH4698、GH901、C250零件的渐开线花键直齿的成形磨削;对于铸造高温合金K4169等材料的零件在加工花键齿时,仅需调整磨削砂轮的旋转线速度及往复直线运动速度即可完成加工。
同时本发明提供的航空涡轮长轴花键齿成形磨削方法,亦可应用于被加工齿形为矩形齿、圆弧齿的成形磨削。加工时需调整磨削砂轮型面的修整形状、修整参数,以及被加工零件其矩形齿、圆弧齿的加工阶段、余量分配和磨削加工参数即可。磨削砂轮材料及盘状砂轮修整器的磨料不变。

Claims (8)

1.一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,所述涡轮长轴的待加工花键齿材料为难加工高温合金材料GH4169,其齿形为渐开线花键齿;加工该渐开线花键齿时,首先将磨削砂轮(1)的型面直接修整成与涡轮长轴零件(3)上渐开线花键直齿(4)齿形呈对应相反的形状,并对涡轮长轴零件(3)上预加工出渐开线花键直齿(4)部位的加工余量进行分层;之后采用型面已修整好的磨削砂轮(1)对各分层直接进行成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型;
具体包括以下步骤:
步骤一:将磨削砂轮(1)安装于机床主轴(5),用盘状砂轮修整器(2)对磨削砂轮(1)的型面进行修整,将其型面修整成与渐开线花键直齿(4)齿形呈对应相反的形状;磨削砂轮(1)的材料为陶瓷微晶刚玉,磨削砂轮(1)型号为400-127-30-5SG F100 J 9V 45m/s,磨削砂轮(1)磨料主要成分为SG+SIC+WA,其中SG占总磨料配比的50%,粒度为300~250μm,硬度等级代号为J大类;
步骤二:将涡轮长轴零件(3)安装于花键齿磨削机床,并完成找正、夹紧准备工作,同时根据涡轮长轴零件(3)上单个渐开线花键直齿(4)的单边加工总余量,进行粗磨、半精磨、精磨以及光磨四个加工阶段的余量分层;
步骤三:将步骤一中型面已修整好的磨削砂轮(1)以设定的旋转线速度和沿着零件轴向方向的往复直线运动速度,以及每次往复运动时规定的切削深度,对涡轮长轴零件(3)的全部渐开线花键直齿(4)型面分别按照粗磨、半精磨、精磨以及光磨的顺序进行分层成形磨削,直至达到设计要求的花键齿最终齿型。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,盘状砂轮修整器(2)的磨料为金刚石。
3.根据权利要求1所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,步骤一中用盘状砂轮修整器(2)对磨削砂轮(1)的型面进行修整的具体要求为:磨削砂轮(1)与盘状砂轮修整器(2)的旋转方向相反,磨削砂轮(1)的旋转线速度为30m/s,盘状砂轮修整器(2)的旋转线速度为200mm/min,盘状砂轮修整器(2)按照设定路径每次对磨削砂轮(1)的修整深度为0.02mm。
4.根据权利要求1所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,步骤三中粗磨完成后,为后续半精磨留出单边0.2mm的加工余量;半精磨完成后,为后续精磨留出单边0.05mm的加工余量;精磨完成后,为后续光磨留出单边0.005mm的加工余量。
5.根据权利要求4所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,粗磨时,磨削砂轮(1)的旋转线速度为30m/s,往复直线运动速度为5000mm/min,磨削砂轮(1)每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.02mm,当磨削砂轮(1)的往复运动行程次数达到30次时,对磨削砂轮(1)按照0.02mm的修正量进行再次修整。
6.根据权利要求4所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,半精磨时,磨削砂轮(1)的旋转线速度为30m/s,往复直线运动速度为5000mm/min,磨削砂轮(1)每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.01mm,当磨削砂轮(1)的往复运动行程次数达到35次时,对磨削砂轮(1)按照0.02mm的修正量进行再次修整。
7.根据权利要求4所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,精磨时,磨削砂轮(1)的旋转线速度为60m/s,往复直线运动速度为4000mm/min,磨削砂轮(1)每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.008mm,当磨削砂轮(1)的往复运动行程次数达到25次时,对磨削砂轮(1)按照0.01mm的修正量进行再次修整。
8.根据权利要求4所述的一种涡轮长轴花键齿成形磨削方法,其特征在于,光磨时,磨削砂轮(1)的旋转线速度为60m/s,往复直线运动速度为2000mm/min,磨削砂轮(1)每做一次往复直线运动行程时,切削深度递进0.005mm,当磨削砂轮(1)的往复运动行程次数达到2次时,对磨削砂轮(1)按照0.01mm的修正量进行再次修整。
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