CN110756923B - 提高腰形槽加工效率的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高腰形槽加工效率的方法及其在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用，提高腰形槽加工效率的方法，采用空心圆管电极在高速电火花机床上按照一定步距在零件的基体上多次加工形成所述腰形槽。本发明的提高腰形槽加工效率的方法采用非成型电极来加工腰形槽，非成型电极选择为空心圆管电极，选用高速电火花机床，液体介质通过空心圆管电极内部管道从放电端高速流出，将电火花加工时产生的金属残渣从孔底部冲出，避免了残渣重复参与放电，大幅提高了电火花加工速度，减少了腰形槽加工的时间。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，特别地，涉及一种提高腰形槽加工效率的方法，此外，还涉及上述的提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用。
背景技术
某型涡轴发动机燃气涡轮内机匣为涡轮部件的重要零件，材料为高温合金，切削加工难度大，最大直径为φ314mm，最小内径为φ209mm，长度为74mm，零件存在26处腰形槽，如图1所示，尺寸为：4.3±0.15×1.8±0.12，两端为R圆弧。且槽与机匣大端面有20度的夹角，同时该腰型槽的进口端和出口端均在斜面上，而且角度较大。如采用钻头或铣刀等机械加工方法，在进口端和出口端加工阶段，因沿轴向切削余量不均匀，导致刀具漂移、槽加工不符合要求、刀具易折断。所以只能采用电火花加工。
该零件研制时，采用过成型电极(形状与要加工的型槽形状一致，尺寸按放电间隙缩小)进行加工。使用成型电极加工时，选用普通电火花机床，腰型槽与零件大端面的角度靠夹具保证，26个腰型槽之间的夹角靠分度头分度保证。加工存在以下问题：由于采用成型电极加工时，液体介质以较低速度从电极外部流入加工区域，电火花加工形成的金属残渣未被外部流入的液体介质冲走而沉入孔底部，与电极接触，不断重复参与放电加工，减缓了基体被加工的速度，加工效率低，加工一个腰型槽需要70分钟，一个零件有26个槽需要32小时才能完成(含装夹准备时间1.5小时)。
发明内容
本发明提供了一种提高腰形槽加工效率的方法及其加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用，以解决现有加工方法加工高温合金上小尺寸腰形槽加工时间长、效率低的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种提高腰形槽加工效率的方法，采用空心圆管电极在高速电火花机床上按照一定步距在零件的基体上多次加工形成所述腰形槽。
进一步地，所述空心圆管电极的直径R为所述腰形槽的宽度W与所述空心圆管电极和零件基体之间的放电间隙的差值。
进一步地，所述步距的设定条件为：多次加工后所述腰形槽的直线边缘的残留高度a在所述腰形槽的宽度的公差范围内。
进一步地，所述步距采用以下方法确定：
其中，L为步距，r为空心圆管电极单次加工后形成的孔半径，a为多次加工后腰形槽的直线边缘的残留高度。
进一步地，所述多次加工采用从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序。
进一步地，所述圆管电极选择为铜管电极。
进一步地，所述空心圆管电极的中心管道连接喷管以使所述空心圆管电极工作时高速喷出液体介质。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述的提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用。
进一步地，所述应用包括以下步骤：
S1、加工前的零件找正，保证零件安装在工作台旋转中心；
S2、高速电火花机床的主轴调整：将主轴从竖直方向旋转，保持所述主轴与被加工的腰形槽的轴线平行；
S3、移动找正电极，保证电极初始位置在被加工腰形槽的中心位置，且距离被加工面有一个安全距离；
S4、输入电加工参数，所述电加工参数包括电流、脉冲停歇时间、脉宽、加工深度、反修长度、回升位置以及底部停顿时间；
S5、加工腰形槽：按照从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序进行腰形槽的加工，直至全部腰形槽加工完成。
进一步地，所述加工前的零件找正包括：找正零件外圆“Φ”处跳动不大于0.03mm，角向槽中心保持到Y轴正方向，对称度不大于0.02mm。
本发明具有以下有益效果：
本发明的提高腰形槽加工效率的方法采用非成型电极来加工腰形槽，非成型电极选择为空心圆管电极，选用高速电火花机床，液体介质通过空心圆管电极内部管道从放电端高速流出，将电火花加工时产生的金属残渣从孔底部冲出，避免了残渣重复参与放电，大幅提高了电火花加工速度，减少了腰形槽加工的时间。
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是某型涡轴发动机燃气涡轮内机匣腰形槽的部位和尺寸示意图；
图2是本发明优选实施例的腰形槽高效加工方案示意图；
图3是电火花加工涡轴发动机燃气涡轮内机匣腰形槽的加工示意图；
图4是图3中B-B剖面图；
图5是本发明优选实施例采用铜管电极加工的内机匣腰形槽的结构示意图。
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。
如图2所示，本实施例的提高腰形槽加工效率的方法，采用空心圆管电极在高速电火花机床上按照一定步距在零件的基体上多次加工形成所述腰形槽。
参见图1，腰形槽包括两条直的长边以及两端的圆弧边，当待加工腰形槽与零件端面呈夹角布设，且待加工腰形槽处于零件的斜面上时，例如涡轴发动机燃气涡轮内机匣上的腰形槽的加工，腰形槽与机匣大端面呈20°的夹角，同时腰形槽的进口端和出口端均在斜面上，而且角度较大，采用钻头或铣刀等机械加工方法，在进口端和出口端加工阶段，因沿轴向切削余量不均匀，易导致刀具漂移、腰形槽加工不符合要求、刀具易折断等问题，从而只能选择电火花加工。电火花加工时，采用成型电极(与待加工槽的形状相同)加工腰形槽，尤其是小尺寸的腰形槽时，液体介质以较低速度从电极外部流入加工区域，电火花加工形成的金属残渣未被外部流入的液体介质冲走而沉入孔底部，与电极接触，不断重复参与放电加工，减缓了基体被加工的速度，导致加工效率低，加工时间长，本实施例中采用非成型电极，非成型电极为圆管电极，选用高速电火花机床，圆管电极在加工过程中旋转，液体介质通过圆管电极内部管道从放电端高速流出，将电火花加工时产生的金属残渣从孔底部冲出，避免了残渣重复参与放电，大幅提高了电火花加工速度，减少了腰形槽加工的时间。
本实施例中，空心圆管电极的直径R为腰形槽的宽度W与空心圆管电极和基体之间的放电间隙的差值。由于采用电极加工时，电极与零件的基体之间存在放电间隙，实际加工得到的孔直径比电极的直径会大，为了使加工的腰形槽尺寸与设计尺寸相符，需保证电极的直径加上电极与零件基体之间的放电间隙刚好满足腰形槽的槽宽的尺寸要求。
本实施例中，步距的设定条件为：多次加工后腰形槽的直线边缘的残留高度a在腰形槽的宽度的公差范围内。由于本实施例的方案采用的是圆管电极，每个工步之间的腰形槽直线边缘有未被加工的残留基体，必须控制残留高度a在腰形槽的宽度的允许的公差范围内，否则达不到尺寸要求。
本实施例中，步距采用以下方法确定：
其中，L为步距，r为空心圆管电极单次加工后形成的孔半径，a为多次加工后腰形槽的直线边缘的残留高度。当加工后残留高度a为槽宽单边公差值时，L为步距最大值，实际步距应该依据槽长均分确定，确保步距L不得大于最大值。如加工尺寸为：4.3±0.15×1.8±0.12的腰形槽，当加工残留高度a为槽宽单边公差值0.06时，r为0.9，步距
因槽长4.3，槽长方向中心距2.5，如果按步距最大值0.65计算的话，需加工3.85次，因步距不能超过最大值0.65，只能增加加工次数，实际需加工4次，实际步距为0.625。
本实施例中，多次加工采用从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序。如图2所示，圆管电极加工腰形槽的加工顺序按照1-2-3-4-5或1-3-2-5-4的顺序，即先加工腰形槽中间位置，再向右移动一定步距加工右侧或向左移动一定步距加工左侧边缘位置，最后再加工中间和两侧之间的剩余残留，确保各孔加工时电极四周放电位置基本对称，从而电极四周均匀放电，提高加工效率。加工1号位置孔时，被加工处是完全实心的，圆管电极在加工过程中四周放电均匀，对称性好，有利于加工；加工2号孔和3号孔位置时，被加工处部分空心，但基本是实心的，加工余量基本对称，圆管电极四周放电基本均匀；加工4号孔和5号孔位置时，都不是完全的孔，但两边加工余量对称，加工中放电均匀。采用上述加工顺序有利于加工效率的提高。
本实施例中，圆管电极选择为铜管电极。铜管电极耐用且韧性好，取材方便，制作方便，采用铜管电极加工小尺寸的孔槽加工效率高。
本实施例中，空心圆管电极的中心管道连接喷管以使空心圆管电极工作时高速喷出液体介质。液体介质优选为水，空心圆管电极的中心管道连接喷水管，水通过圆管电极内部管道从放电端高速流出，将电火花加工时产生的金属残渣从孔底部冲出，避免了残渣重复参与放电，大幅提高了电火花加工速度，减少了腰形槽加工的时间。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用。如图1所示，涡轴发动机燃气涡轮内机匣存在26处腰形槽，上述的提高腰形槽加工效率的方法应用于涡轴发动机燃气涡轮内机匣的加工，该零件的加工时间由原来的32小时缩短至4小时，加工效率大幅提升。
具体地，上述提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用包括以下步骤：
S1、加工前的零件找正，保证零件安装在工作台旋转中心；
S2、高速电火花机床的主轴调整：将主轴从竖直方向旋转，保持主轴与被加工的腰形槽的轴线平行；
S3、移动找正电极，保证电极初始位置在被加工腰形槽的中心位置，且距离被加工面有一个安全距离；
S4、输入电加工参数，电加工参数包括电流、脉冲停歇时间、脉宽、加工深度、反修长度、回升位置以及底部停顿时间；
S5、加工腰形槽：按照从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序进行腰形槽的加工，直至全部腰形槽加工完成。
本实施例中，加工前的零件找正包括：找正零件外圆“Φ”处跳动不大于0.03mm，角向槽中心保持到Y轴正方向，对称度不大于0.02mm。利用高速电火花机床进行加工时，均需要先进行零件找正，以便于电极下刀进行加工，尺寸和位置符合要求。
实施例1
以某机型燃气涡轮内机匣为例，具体说明上述的提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用。
S1、电极选择
某机型燃气涡轮内机匣基体为高温合金，如图3、图4所示，分析该腰形槽尺寸，设计图纸要求公差较大，高度方向尺寸为1.8±0.15mm，长度方向尺寸为4.3±0.15mm，由于腰形槽的宽度为1.8mm，放电间隙采用0.1mm，采用φ1.7mm空心铜管电极。
S2、机床选择
采用苏州中特机电科技有限公司生产的五轴电火花机床ZT-018，电极可旋转，机床装夹铜管电极后，电极中心管道连接喷水管，使铜管电极在工作时可以高速喷水。
S3、加工前的零件找正
利用夹具将零件夹紧固定在机床上，找正零件外圆“Φ”处跳动不大于0.03mm，角向槽中心保持到Y轴正方向，对称度不大于0.02mm。
S4、机床主轴调整
将机床主轴从竖直方向旋转70°，保持主轴与被加工槽轴线平行。
S5、移动找正电极，保证电极初始位置在被加工腰形槽的中心位置，且距离被加工面有一个安全距离
具体找正过程如下：将铜管电极伸出引导套4～6mm，只移动X、Z轴电极对B基准面(如图4所示，该基准面为自定义面，以方便电极对准待加工腰形槽中心位置为基础)碰火花，将Z坐标归零；再只移动X、Z轴将电极对ΦA圆柱面碰火花，将X归零；
输入电极初始位置X＝2.71、Z＝27.71，然后将X坐标、Z坐标归零，以将坐标原点转移到电极初始位置。
S6、输入电加工参数：电流45A，脉冲停歇42，脉宽40μs，加工深度22，反修长度0.5，回升位置-0.2，底部停顿5。
S7、加工零件腰形槽
即按照从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序，参照图2，铜管电极加工顺序按照1-2-3-4-5顺序加工。即先加工腰形槽中间位置1号孔位置，再向右移动步距1.25mm加工2号孔位置，再向左移动2.5mm加工3号孔位置，再向右移动0.625mm加工4号孔位置，再向右移动1.25mm加工5号孔位置。一个槽加工完成后，机床自动转位到下一个腰形槽加工位置，每个腰形槽加工的顺序都按照图2所示的1-2-3-4-5的顺序做5次孔加工，直到26个槽加工完成，加工完成的某机型燃气涡轮内机匣如图5所示。在腰形槽长度方向采用铜管电极打孔5次，相邻圆之间的中心距0.625mm，加工后槽的直线边沿残留高度a单边为0.05mm。腰形槽槽宽尺寸公差可以满足1.8±0.15mm设计要求，长度方向通过5次加工，也可满足尺寸为4.3±0.15的设计要求。
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 (6)
1.一种提高腰形槽加工效率的方法，其特征在于，
采用空心圆管电极在高速电火花机床上按照一定步距在零件的基体上多次加工形成所述腰形槽；
所述空心圆管电极的直径R为所述腰形槽的宽度W与所述空心圆管电极和零件基体之间的放电间隙的差值；
所述步距的设定条件为：多次加工后所述腰形槽的直线边缘的残留高度a在所述腰形槽的宽度的公差范围内；
所述步距采用以下方法确定：
其中，L为步距，r为空心圆管电极单次加工后形成的孔半径，a为多次加工后腰形槽的直线边缘的残留高度；
所述多次加工采用从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序。
2.根据权利要求1所述的提高腰形槽加工效率的方法，其特征在于，
所述空心圆管电极选择为铜管电极。
3.根据权利要求2所述的提高腰形槽加工效率的方法，其特征在于，
所述空心圆管电极的中心管道连接喷管以使所述空心圆管电极工作时高速喷出液体介质。
4.根据权利要求1～3任一项所述的提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用。
5.根据权利要求4所述的提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
S1、加工前的零件找正，保证零件安装在工作台旋转中心；
S2、高速电火花机床的主轴调整：将主轴从竖直方向旋转，保持所述主轴与被加工的腰形槽的轴线平行；
S3、移动找正电极，保证电极初始位置在被加工腰形槽的中心位置，且距离被加工面有一个安全距离；
S4、输入电加工参数，所述电加工参数包括电流、脉冲停歇时间、脉宽、加工深度、反修长度、回升位置以及底部停顿时间；
S5、加工腰形槽：按照从腰形槽的中间-两侧边缘-中间和两侧之间的剩余残留的加工顺序进行腰形槽的加工，直至全部腰形槽加工完成。
6.根据权利要求5所述提高腰形槽加工效率的方法在加工涡轴发动机上的燃气涡轮内机匣加工中的应用，其特征在于，
所述加工前的零件找正包括：找正零件外圆“Φ”处跳动不大于0.03mm，角向槽中心保持到Y轴正方向，对称度不大于0.02mm。
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