CN110587223B

CN110587223B - 一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法

Info

Publication number: CN110587223B
Application number: CN201910919681.4A
Authority: CN
Inventors: 吕仕强; 龙召木; 杨玉超
Original assignee: Guizhou Yonghong Aviation Machinery Co Ltd
Current assignee: Guizhou Yonghong Aviation Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2039-09-26
Also published as: CN110587223A

Abstract

本发明公开了一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，针对切削加工刀具选择并装夹、设备预运行、加工基准、机床精度校验、切削量的分配及切削力的控制、零件装夹等多发面技术调整、组合及优化，实现了零件高位置精度加工要素的保障和工艺提升，实现了零件高位置精度的有效控制。

Description

一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域薄壁、超薄壁高位置精度要求的孔系零件的加工方法，特别是影响最终加工精度的多个因素和参数的确定以及调整方法。

背景技术

如图1和图2所示，为一种航空高转数核心部件，该部件中，钛合金材料的连接法兰零件要求孔系相关的尺寸其形位公差极高。在产品首次及多年制造过程中，用以往常规的加工工艺方法不能保障设计要求，合格率不足 10%。并且加工合格率及其不稳定，即：除了该系列零件位置精度极高、钛合金材料难切削加工特性外；零件结构又属于薄壁易变形件，这给该系列零件的加工质量的保障进一步提高了难度。造成批量报废率极高。一直以来，产品在实现过程中出现了工艺技术瓶颈，已严重影响到科研生产进度。

对于高位置精度孔系零件的加工急需一种通用的方法进行指导，需要说明的是，形位公差要求极高是指单一孔的位置公差要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对背景技术中指出的零件加工中易出现的位置精度尺寸超差，生产合格极低（合格率不足10%）等问题，提供一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法。

本发明的技术方案重点是要覆盖并克服下述三个方面：

1.提高机床设备的重复精度定位的稳定性和主轴的旋转精度稳定性。

2.如何减小易变形零件的变形量。

3.减小切削刀具在切削过程中的变形及切削力。

本发明的总体构思是：

一种用于航空薄壁高位置精度孔系零件加工控制方法，包括：加工中心设备的选择及应用，零件加工基准与编程基准设置，刀具的合理夹持，加工工艺及切削量的分配应用，零件装夹定位面的选用，零件夹紧及变形量的控制方法。

1.加工中心设备的选择及应用：

1）加工中心机床：机床设计制造应符合ISO国际标准，重复定位精度 X/Y/A/C 轴定位精度≤零件精度/3～5，其中A代表绕X轴旋转的主轴，C代表绕Z轴旋转的主轴( VDI/DGQ 3441～ISO 230～2 norms)，机床位置精度验收标准采用VDI/3441。机床几何精度按金属切削机床通则JB2670-82（ISO230-1-96）执行。

2）加工中心机床开机加工前，预运行0.8～1.5小时, 预运行分三个阶段；

a.第一阶段：主轴转速S300～500转/分，机床运行速度F100～500mm/分，X/Y/Z= X最大/Y最大/ Z300，X/Y按8字、口字形往复运行15～30分钟。其中，X/Y/Z= X最大/Y最大/Z300是指按照机床X轴最大行程、Y轴最大行程、Z轴行程取300mm来进行运行。其中，X/Y按8字、口字形往复运行是指机床X轴、Y轴先做口字形往复运行（单一轴运行），再做8字形运行（X轴和Y轴联合运动）。

第二阶段：主轴转速S1500～2500转/分，机床运行速度F1000～1500mm/分，X/Y/Z=X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行15～20分钟。

第三阶段：主轴转速S4500～6000转/分，机床运行速度F10000～15000mm/分，X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行10～20分钟。

b.机床的重复定位精度校正：分别设定X、Y评价线性长度（L_评，即机床实际运行距离的量化数值），零件加工尺寸（L_零），取L_评≥2L_零。以几组机床运行速度（F）值（F分别取2000～3000 mm/分、3000～6000 mm/分、6000～12000 mm/分）分别沿机床X、Y轴移动L_评，用千分表测量这几组机床重复定位精度ΔL≤0.003 mm。校正次数（ν）取ν=5～9次，最后在多组机床重复定位打表精度值中，选取稳定一组F值，以该组F值作为加工刀具移动的运行速度，应用到加工程序的X、Y正、负向移动中。

c.加工过程要连续，不要停机1小时以上，不加工时按第二阶段参数预运行：（主轴转速S1500～2500转/分，机床运行速度F1000～1500mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行）。

2.加工基准与编程基准设置：

找准加工基准与编程基准重合，X、Y重合度误差ε≤0.003 mm。

3.刀具的合理夹持：

1)夹持刀具时，刀具伸出长度(δ)应小于5倍刀具直径(D_刀) ：则δ≤5D_刀。

2）中心钻的峰角（φ_中）小于粗钻钻头的峰角（φ_钻）1°～5°。即φ_中-φ_钻=1°～5°。

3).夹持刀具时，要控制好刀具组合体的圆跳动量（η），刀具组合体圆跳动量η≤0.03 mm。

4. 加工工艺及切削量的分配应用：

孔加工：中心钻→粗钻孔→粗扩孔→半精扩孔或（半精鏜孔）→精扩孔或（精鏜孔）

1）中心钻定心入钻深度（l_中）, 应约等于0.3～0.7倍刀具直径(D_刀)。则l_中=0.3 D_刀～0.7 D_刀。

2）粗钻孔预留量（μ_粗钻）应约等于0.15-0.3倍孔直径（D_孔）。则μ粗钻=0.15D_孔～0.3D_孔。

3）粗扩孔预留量（μ_粗扩）应约等于0.08-0.2倍孔直径（D_孔）。则μ粗扩=0.08 D_孔～0.2D_孔。

4）半精扩孔预留量（μ_半精扩）应约等于0.02-0.07倍孔直径（D_孔）。则μ半精扩=0.02 D_孔～0.07 D_孔。

5.定位面的选用：

零件的定位面有平面或曲面，保证定位面的清洁。

1）工装的定位面精度取IT5-IT6、粗糙度取0.08～0.04 mm。

2）工装的定位面误差（Μ_工）Μ_工=0.003～0.05 mm。

零件的定位面误差（Μ_零）Μ_零=0.003～0.05mm。

3）工装的定位面与零件的定位面相接触（相贴合）的面积比（Σ）；则Σ=0.3～0.7。零件加工位置一定要在工装定位面与零件定位面相接触（相贴合）位置。

4）零件的夹紧：在装夹工件时利用千分表测零件的夹紧受力部位的变形量Κ=0.003～0.02 mm。

本发明的技术方案致力于解决航空航天领域薄壁、超薄壁高位置精度要求的孔系零件的难加工问题。通过优化工艺工步、合理设计工装定位要求、优化选用刀具几何参数、优化加工切削参数和预留量等措施，来提高薄壁零件高位置精度孔系零件加工的高位置精度要求。经过多次实际加工的反复优化验证，最终得出了一套完善、合理、有效的方法。

本发明的技术方案对于类似图1和图2结构的零件的孔加工或者零件结构不同但孔加工精度要求与本发明中要求相似的情况都有效，本发明是针对高位置精度加工孔系的通用方法。

与现有技术相比，本发明的优势体现在采用本工艺方法对加工刀具选择并装夹、设备预运行、加工基准、机床精度校验、切削量的分配、零件装夹等多方面因素进行了调整及优化，实现了该高位置精度加工要素的保障和工艺提升，保证了良好的产品质量、性能及设计要求。

附图说明

图1和图2为产品零件示意图；

图3和图4为产品零件装夹到夹具上的结构示意图。

图5和图6分别为机床工作台X/Y按8字、口字形往复运行示意图；

图7为装夹工件时千分表测夹紧受力示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

本实施例是加工零件如附图1和图2所示，某航空航天领域，薄壁、超薄壁高位置精度要求的孔系零件,具体技术要参照附图1和图2，采用本发明所述的工艺技术方法可精确定位加工。

1.难点分析：根据附图1零件结构属于典型的薄壁件，装夹、加工过程中极易变形，零件的加工孔的位置精度公差极高。

2.零件的材料是钛合金材料，其1）切削过程中切削刃附近易产生大的切削热、切削温度高，尤其是孔加工过程中散热性能差；2）钛合金加工过程加工硬化非常严重，材料难剥离，增大了切削应力；3）在较大的切削应力下，钛合金弹性恢复较大，导致加工过程中刀具后刀面摩擦加剧，切削力增大、加工后尺寸变形较大。

设备选择（加工中心）——设备预运行——机床精度校验——刀具选择并装夹——切削量的分配——零件装夹——数控加工程序编制——零件加工。

1、设备的选择：选择加工中心机床要具有良好动态性、稳定性及高精度的加工中心。机床设计制造应符合ISO国际标准，重复定位精度 X/Y/A/C 轴定位精度≤零件精度/3～5，其中A代表绕X轴旋转的主轴，C代表绕Z轴旋转的主轴( VDI/DGQ 3441～ISO230～2norms)，机床位置精度验收标准采用VDI/3441。机床几何精度按金属切削机床通则JB2670-82（ISO230-1-96）执行。

2、设备预运行：加工中心机床开机加工前，预运行0.8～1.5小时, 预运行分三个阶段；

a.第一阶段：主轴转速S300～500转/分，机床运行速度F100～500mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行15～30分钟，如图5和图6。

第二阶段：主轴转速S1500～2500转/分，机床运行速度F1000～1500mm/分，X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行15～30分钟。

第三阶段：主轴转速S4500～6000转/分，机床运行速度F10000～15000mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行10～20分钟。

b.机床的重复定位精度校正：分别设定X、Y评价线性长度（L_评），零件加工尺寸（L_零），取L_评≥2L_零。以几组机床运行速度（F）值（F分别取2000～3000 mm/分、3000～6000 mm/分、6000～12000 mm/分、）分别沿机床X、Y轴移动L_评，用千分表测量这几组机床重复定位精度ΔL≤0.003 mm。校正次数（ν）取ν=5～9次，最后在多组机床重复定位打表精度值中，选取稳定一组F值，以该组F值作为加工刀具移动的运行速度，应用到加工程序的X、Y正、负向移动中。

c.加工过程要连续，不加工时间内按第二阶段参数预运行：（主轴转速S1500～2500转/分，机床运行速度F1000～1500mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm，X/Y按8字、口字形往复运行）。

2.加工基准与编程基准设置：

找准加工基准与编程基准重合，X、Y重合度误差ε≤0.003 mm。

3.刀具的合理夹持：零件加工位置一定要在工装定位面与零件定位面相接触（相贴合）位置。

1）夹持刀具时，刀具伸出长度(δ)应小于3.5倍刀具直径(D_刀) ：则δ≤3.5D_刀。

2）中心钻的峰角（φ_中）小于粗钻钻头的峰角（φ_钻）1°～2°。即φ_中-φ_钻=1°～2°。

3）夹持刀具时，要控制好刀具组合体的圆跳动量（η），刀具组合体圆跳动量η≤0.01 mm。

4. 加工工艺及切削量的分配应用：加工过程中冷却要充分（配以高效冷却液）。

1)孔加工：中心钻→粗钻孔→粗扩孔→半精扩孔或（半精鏜孔）→精扩孔或（精鏜孔）

a）用φ2.5中心钻点钻，点钻深度≤1mm；

b）用φ7的钻头粗钻3-φ9.55钻孔；

c）用φ8的铣刀扩3-φ9.55孔φ8；

d）用φ9铣刀扩3-φ9.55孔φ9；

e）用φ9.3镗刀半精镗孔；

f）用φ9.53镗刀精镗孔到尺寸公差内。

2）中心钻定心入钻深度（l_中）, 约等于0.4倍刀具直径(D_刀)。则l_中=0.4 D_刀。

3）粗钻孔预留量（μ_粗钻）应约等于0.27倍孔直径（D_孔）。则μ粗钻=0.27D孔。

4）粗扩孔预留量（μ_粗扩）应约等于0.12～0.15倍孔直径（D_孔）。则μ粗扩=0.12 D孔～0.15 D孔。

5）半精扩孔预留量（μ_半精扩）应约等于0.03-0.04倍孔直径（D_孔）。则μ半精扩=0.02 D_孔～0.04 D_孔。

5.定位面的选用：

如图3、图4和图7，零件的定位面有平面或曲面，保证定位面的清洁。

1）工装的定位面精度取IT5，粗糙度取0.08 mm。

2）工装的定位的平面度面误差（Μ_工）Μ_工≤0.005mm。

零件的定位面误差（Μ_零）Μ_零≤0.005mm。

3）工装的定位面与零件的定位面相接触（相贴合）的面积比（Σ）；则Σ≤0.55。

4）零件的夹紧：在装夹工件时利用千分表测零件的夹紧受力部位的变形量Κ≤0.006 mm。

Claims

1.一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：包括，

设备的选择，要求机床重复定位精度中X/Y/A/C 轴定位精度≤零件精度/3～5，其中A代表绕X轴旋转的主轴，C代表绕Z轴旋转的主轴，且机床加工前分多个阶段预运行，多个预运行阶段的主轴转速、机床运行速度逐渐增大，然后进行机床重复定位精度的校正；

加工基准与编程基准设置，找准加工基准与编程基准重合，X、Y重合度误差ε≤0.003mm；

刀具的夹持，夹持刀具时，刀具伸出长度δ应小于5倍刀具直径D_刀，刀具组合体圆跳动量η≤0.03 mm，中心钻的峰角φ_中比粗钻钻头的峰角φ_钻小1°～5°；

加工顺序，孔加工时按照中心钻→粗钻孔→粗扩孔→半精扩孔或半精鏜孔→精扩孔或精鏜孔的顺序执行；

定位面的选用，要求零件加工位置必须在工装定位面与零件定位面相接触或相贴合位置；

零件夹紧变形量的控制，装夹零件夹紧受力部位的变形量为0.003～0.02mm。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：所述机床预运行包括三个阶段，

第一阶段：主轴转速S300～500转/分，机床运行速度F100～500mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm；

第二阶段，主轴转速S1500～2500转/分，机床运行速度F1000～1500mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm；

第三阶段主轴转速S4500～6000转/分，机床运行速度F10000～15000mm/分，X/Y/Z= X轴最大行程/Y轴最大行程/Z轴行程300mm。

3.根据权利要求2所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：所述第一阶段、第二阶段和第三阶段中，机床X/Y先做口字形往复运行，再做8字形运行。

4.根据权利要求2所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：当停机不加工时，机床按第二阶段参数预运行。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：所述机床重复定位精度的校正包括分别设定X、Y评价线性长度L_评，零件加工尺寸L_零，取L_评≥2L_零，以多组机床运行速度F值分别沿机床X、Y轴移动L_评，测量前述多组机床重复定位精度ΔL≤0.003 mm，校正次数ν取ν=5～9次，最后在多组机床重复定位精度值中，选取一组稳定的机床运行速度F值，以该组机床运行速度F值作为加工刀具移动的运行速度。

6.根据权利要求5所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：以多组机床运行速度F值分别沿机床X、Y轴移动L_评时，所述机床运行速度F值分别取2000～3000mm/分、3000～6000 mm/分、6000～12000 mm/分。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：中心钻定心入钻深度l_中等于0.3～0.7倍刀具直径D_刀，粗钻孔预留量μ_粗钻等于0.15～0.3倍孔直径D_孔，半精扩孔预留量μ_半精扩等于0.02～0.07倍孔直径D_孔。

8.根据权利要求1所述的一种薄壁高位置精度孔系零件加工方法，其特征在于：所述工装的定位面精度取IT5～IT6、粗糙度取0.08～0.04 mm，工装的定位面误差Μ_工=0.003～0.05 mm，零件的定位面误差Μ_零=0.003～0.05mm，工装的定位面与零件的定位面相接触或相贴合的面积比Σ=0.3～0.7。