CN110919045B - 薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其应用主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，采用摆动主轴从薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工精密孔一和精密孔二，主轴摆动式五轴加工中心可以向上翻转50度，满足加工中介机匣上下两端精密孔的行程要求，将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，可以通过主轴上下偏摆分别加工薄壁钛合金机匣上下两端的精密孔，镗刀采用多段直线进刀方式，既避开了干涉位置又可对精密孔进行镗削加工，实现了一次装夹中介机匣后完成上下两端的精密孔的加工，避免了多次装夹所带来的找正误差，保证了两个精密孔的同轴度。

Description

薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法

技术领域

本发明涉及数字化制造技术领域，特别地，涉及一种薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法。

背景技术

新一代航机逐步向大功率，较长飞行时间方向发展，所以对于航空发动机性能的要求较高，中介机匣是航空发动机上最重要的承力机构，内部除了有大量的油管、气管、电缆，还有轴颈用于支承转子，往外将发动机载荷传递给飞机。中介机匣结构非常复杂，是涉及部件及附件最多的发动机单元体。

1)零件的多层薄壁环结构刚性不足。

某大发机型的中介机匣，零件为整体钛合金铸造结构，高190mm，最大外径为750mm，其结构在周向分为内外三层，每层最大厚度为2-3mm，零件外层与中层由7处支板连接，中层与内层由4处支板连接，零件整体结构复杂，外径较大，每一层都很薄，属于典型的薄壁件，薄壁与复杂的结构使得零件的刚性和机械加工性能很差，加工过程刀具和零件都会产生一定振动，当刀具与零件发生共振时，零件加工部位会发出刺耳的共鸣声，加工表面出现明显的振纹。

2)零件两精密孔同轴度要求较高。

如图1所示，某型发动机机匣为薄壁钛合金机匣，两端分别具有精密孔一1和精密孔二2，精密孔一1和精密孔二2虽然同轴，但分别位于零件两端，由于两外端精密孔的孔径比中间通道孔径大，所以零件需要两次装夹，两精密孔需要从零件的正反两端分别进行加工，不能从孔的一端一次加工完成，而两精密孔的同轴度较高，加工难度较大。

3)零件外形对精密孔孔口产生干涉。

分别从零件两端加工两精密孔时，精密孔孔口进刀位置会对镗刀进退刀产生干涉，如图2所示，加工零件内端的精密孔二2时，镗刀需与零件轴线成一夹角，通过零件内腔倾斜向下对精密孔二2进行加工，镗刀在下刀时会与零件第二端开口位置3处发生干涉；在加工零件外端的精密孔一1时，镗刀需倾斜向上与零件轴线成一夹角，通过零件内腔倾斜向上对精密孔一1进行加工，镗刀在进刀时会与零件第一端开口位置4处发生干涉，因此，镗刀不能直接对精密孔进行加工，需要安装较长的加长杆，偏置一定距离进入后方可进行镗削加工，再偏置退出。

4)零件需要分正反两端装夹加工。

两精密孔位于零件正反两端，由于干涉和AC转台旋转的五轴数控机床的旋转行程，在A、C转台旋转的五轴数控机床上一次只能加工一个精密孔，翻面再装夹找正加工第二个精密孔，而两次装夹会带来一定的找正误差，两个精密孔的同轴度无法保证。

5)精密孔表面粗糙度要求高。

两精密孔表面粗糙度要求较高，零件的结构较薄和复杂，同样刚性很差，加工时零件很容易产生振动，致使精密孔表面有较深的振纹，无法满足粗糙度要求。

发明内容

本发明提供了一种薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，以解决现有的中介机匣加工两端的同轴精密斜孔时需要两次装夹、两精密孔同轴度不符合要求的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，所述薄壁钛合金机匣包括第一端开口和第二端开口以及位于所述第一端开口和第二端开口之间的通道，所述通道与所述第一端开口不同轴，所述通道与所述第二端开口不同轴，所述第一端开口与所述第二端开口不同轴，所述通道两端分别开设有朝向所述第一端开口方向开设的精密孔一和朝向所述第二端开口方向开设的精密孔二，所述精密孔一与所述精密孔二同轴，所述精密孔一的直径和所述精密孔二的直径均比所述通道的直径大，所述精密孔一沿轴向向外延伸的延伸轨迹与所述薄壁钛合金机匣的第一端开口的内壁面相交；所述精密孔二沿轴向向外延伸的延伸轨迹与所述薄壁钛合金机匣的第二端开口的内壁面相交，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：

1)选择主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的所述薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在所述主轴摆动式五轴数控机床上，以防止主轴与机床工作台发生干涉；

2)分别选择合适加工所述精密孔一和所述精密孔二的镗刀，包括选择镗刀头的直径、镗刀柄长度和镗刀柄直径，所述镗刀柄直径小于所述镗刀头直径；

3)摆动所述主轴以使所述镗刀与所述精密孔一或精密孔二同轴，从所述薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工所述精密孔一和精密孔二，加工所述精密孔一和所述精密孔二时，镗刀采用多段直线进刀方式，以避开所述镗刀与所述薄壁钛合金机匣的干涉处。

进一步地，所述镗刀柄为整体式镗刀柄。

进一步地，所述镗刀柄为空心管式结构，所述镗刀柄的空心内填充弹性体。

进一步地，所述镗刀头采用R0.1的刀尖圆角。

进一步地，所述镗刀头采用20°前角。

进一步地，所述采用夹具将待加工的所述薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在所述主轴摆头的五轴数控机床上之后，还包括在所述薄壁钛合金机匣的外侧包覆或缠绕弹性材料，以吸收加工时所产生的振动，防止振纹的产生。

进一步地，加工所述精密孔一或所述精密孔二时，所述主轴的转速为100～200r/min，所述镗刀的线速度为20～40m/min，所述镗刀的进给率为10～20mm/min。

进一步地，所述主轴的转速随着所述镗刀杆的长度增长而减小，所述镗刀的线速度随着所述镗刀杆的长度增长而减小，所述镗刀的进给率随着所述镗刀杆的长度增长而减小。

进一步地，所述镗刀的切削力和切削用量随着所述镗刀头的直径的减小而减小。

本发明具有以下有益效果：

本发明的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，应用主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，采用摆动主轴从薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工精密孔一1和精密孔二2，主轴摆动式五轴加工中心可以向上翻转50度，满足加工中介机匣上下两端精密孔的行程要求，将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，可以通过主轴上下偏摆分别加工薄壁钛合金机匣上下两端的精密孔，镗刀采用多段直线进刀方式，既避开了干涉位置又可对精密孔进行镗削加工，实现了一次装夹中介机匣后完成上下两端的精密孔的加工，避免了多次装夹所带来的找正误差，保证了两个精密孔的同轴度。

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是某型具有同轴精密孔的薄壁钛合金机匣的截面结构示意图；

图2是加工某型薄壁钛合金机匣的同轴精密孔时镗刀产生干涉的结构示意图；

图3是本发明优选实施例的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法的机床安装结构示意图；

图4是本发明优选实施例的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法的镗刀走到路线；

图5是镗刀刀片的结构示意图；

图6是图5中的A-A剖视图。

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。

本实施例的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，薄壁钛合金机匣包括第一端开口和第二端开口以及位于第一端开口和第二端开口之间的通道，通道与第一端开口不同轴，通道与第二端开口不同轴，第一端开口与第二端开口不同轴，通道两端分别开设有朝向第一端开口方向开设的精密孔一1和朝向第二端开口方向开设的精密孔二2，精密孔一1与精密孔二2同轴，精密孔一1的直径和精密孔二2的直径均比通道的直径大，精密孔一1沿轴向向外延伸的延伸轨迹与薄壁钛合金机匣的第一端开口的内壁面相交；精密孔二2沿轴向向外延伸的延伸轨迹与薄壁钛合金机匣的第二端开口的内壁面相交，加工方法包括以下步骤：

1)选择主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在主轴摆动式五轴数控机床上，以防止主轴与机床工作台发生干涉；薄壁钛合金机匣踮起的具体高度以合适主轴旋转到机匣下端的开口可以从下往上加工下端的精密孔为宜，保证机床主轴有进刀空间，不会碰到机床转台发生干涉，垫高薄壁钛合金机匣可通过选择具有一定高度的夹具来实现。薄壁钛合金机匣具体地安装方式为：将夹具安装在摆动式五轴数控机床上，找正夹具定位中心后，找正夹具角向定位X轴正方向，将待加工的薄壁钛合金机匣安装在夹具定位圆上，固定夹紧，找正零件外圆跳动在0.01mm以内，找正零件上表面设为Z零点。

2)分别选择合适加工精密孔一1和精密孔二2的镗刀，包括选择镗刀头的直径、镗刀柄长度和镗刀柄直径，镗刀柄直径小于镗刀头直径，以使得可通过偏移镗刀而避开进刀时机匣对刀具的阻碍；根据精密孔一1和精密孔二2的直径以及位于机匣内的位置分别选择适合加工精密孔一1和精密孔二2的镗刀。如图3和图4所示，本实施例的薄壁钛合金机匣精密孔一1的尺寸要求为φ51.98+0.015+0，精密孔二2的尺寸要求为φ57+0.02+0.005，精密孔的轴线与零件上端面的夹角为65°，根据精密孔所处的位置，本实施例中薄壁钛合金机匣需要垫高至300mm，即可保证机床主轴有向上倾斜25°，从下往上加工下端的精密孔一1。根据精密孔一1和精密孔二2在通道内的位置，本实施例中，加工精密孔一1的镗刀柄的长度选择370mm，直径φ45mm，加工精密孔二2的镗刀柄的长度选择460mm，直径φ50mm。

3)摆动主轴以使镗刀与精密孔一1或精密孔二2同轴，从薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工精密孔一1和精密孔二2，加工精密孔一1和精密孔二2时，镗刀采用多段直线进刀方式，以避开镗刀与薄壁钛合金机匣的干涉处。参见图2，由于直线进刀直线退出的镗孔循环加工模式，镗刀与机匣第一端开口的位置3处和第二端开口的位置4处均会发生干涉，碰伤机匣零件，如图3所示，本实施例的镗刀采用多段直线进刀的方式，镗孔数控程序的编制采用G01直线移动与CYCLE86镗削指令相结合的方法，A-B，B-C，C-D，D-E四段均采用G01直线进给，E-F对精密孔采用CYCLE86镗削循环，既避开了干涉位置又可对精密孔进行镗削加工。

本实施例的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，应用主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，采用摆动主轴从薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工精密孔一1和精密孔二2，主轴摆动式五轴加工中心可以向上翻转50度，满足加工中介机匣上下两端精密孔的行程要求，将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度后，可以通过主轴上下偏摆分别加工薄壁钛合金机匣上下两端的精密孔，镗刀采用多段直线进刀方式，既避开了干涉位置又可对精密孔进行镗削加工，达到精密孔表面

的粗糙度要求，实现了一次装夹中介机匣后完成上下两端的精密孔的加工，避免了多次装夹所带来的找正误差，保证了两个精密孔0.01mm的同轴度要求。

本实施例中，镗刀柄为整体式镗刀柄。镗刀柄为空心管式结构，镗刀柄的空心内填充弹性体。本实施例中，精密孔的轴线与零件表面夹角较小，为使镗刀加工过程中机床主轴不会碰到零件，避免干涉，加工精密孔一1和精密孔二2的镗刀柄长度比较长，现有技术中是采用在基础镗刀柄上增加多根接长杆，即加工精密孔一1和精密孔二2的两把镗刀都是多段组合而成，刀杆刚性较差，加工时刀具自身有较大的振动。然而精密孔一1与精密孔二2的表面粗糙度要求较高，均为

但由于较大的振动，精加工后会在精密孔内留下较明显的振纹，无法满足技术要求。本实施例中，将多段组合式镗刀柄改进为整体镗刀柄，根据零件精密孔的具体直径与长度尺寸，设计整体式镗刀，提高了镗刀的刚性，优选地，镗刀柄采用空心管式结构，经测试，镗刀柄空心结构比实心结构具有更好的刚性和抗弯强度，优选地，镗刀柄空心部位里面填充弹性体起到减震作用，防止零件切削振动，以提高刀具的刚性，弹性体优选为橡胶。

本实施例中，如图5所示，镗刀头采用R0.1的刀尖圆角。精密孔内壁存在的表面振纹和让刀现象，主要由镗刀的镗削力造成，只有提高刀具刚性，减小镗刀镗削力，才能减小和消除精密孔加工过程中的振动，提高精密孔表面粗糙度和减少让刀现象。常用标准镗刀刀尖圆角为R0.4、R0.8，通过对不同刀尖圆角镗刀进行切削试验和力学分析，越大的刀尖圆角刀具越耐磨，但镗削力越大，加工振动也越大，零件表面振纹越大，由于精加工加工余量只有0.1mm，对刀具的磨损量不大，所以不需考虑刀具磨损量，为降低镗削力，本实施例中精加工镗刀刀尖采用R0.1的刀尖圆角，较R0.4、R0.8刀尖圆角减小了镗削力，降低了切削振动。

本实施例中，如图5和图6所示，镗刀头采用20°前角。镗刀头的前角直接影响镗刀的加工寿命和镗削力的大小，根据不同零件材料，标准镗刀的前角范围为0-16度之间，零件材料硬度较高，镗刀的前角采用0-5度，便于提高刀具寿命，零件硬度较低，镗刀前角采用10-16度，中介机匣的材料钛合金硬度不高为HRC25左右，但强度和韧性很好，为了降低镗削力，减小切削振动，刀具优选采用20度角度的前角，能较小的切削力切入零件表面。

本实施例中，采用夹具将待加工的薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在主轴摆头的五轴数控机床上之后，还包括在薄壁钛合金机匣的外侧包覆或缠绕弹性材料，以吸收加工时所产生的振动，防止振纹的产生。薄壁钛合金机匣加工精密孔时受切削力产生振动，在外侧包覆或缠绕弹性材料可以抵消零件的振动，同时避免零件加工过程中与刀具产生的共振现象。外侧包覆或缠绕弹性材料优选是在薄壁钛合金机匣外侧包覆一层橡胶软垫或在薄壁钛合金机匣外侧缠绕多圈弹力橡皮绳。

本实施例中，加工精密孔一1或精密孔二2时，主轴的转速为100～200r/min，镗刀的线速度为20～40m/min，镗刀的进给率为10～20mm/min。钛合金中介机匣零件属于典型的薄壁件，最大厚度仅2～3mm，且精度要求高，材料为ZTC4，该材料具有较高的强度和韧性，属于难加工材料，较长的刀具在切削力下，易产生让刀和振动，切削用量的选用影响到精密孔的尺寸精度和表面粗糙度，需要根据镗刀不同的直径、长度、加工余量选用不同的切削用量，合理的切削用量可以减小加工过程中的切削振动，避免精密孔出现振纹现象，如果选用较大的切削用量可以减少刀具每齿切削量，但是会增加加工中在振动，选用较小的切削用量可以减少切削力，但是会增加刀具的磨损，磨损的刀具同样会增加切削力，增加加工振动，振动会产生精密孔表面振纹，通过镗刀受力分析及现场反复试验，下述切削用量能有效控制精密孔尺寸及表面粗糙度。

本实施例中，切削用量的选择遵循以下原则：主轴的转速随着镗刀杆的长度增长而减小，镗刀的线速度随着镗刀杆的长度增长而减小，镗刀的进给率随着镗刀杆的长度增长而减小；镗刀的切削力和切削用量随着镗刀头的直径的减小而减小。当需加工的精密孔较深时，刀具长，需要控制切削振动，防止加工振纹，实验证明刀具较高的线速度是加工产生振动的主要原因，所以精密孔加工时采用较低的主轴转速以控制刀具线速度，并且随着镗刀刀杆的加长，刚性越来越差，所以主轴的转速随着镗刀杆的长度增长而减小，镗刀的线速度随着镗刀杆的长度增长而减小，镗刀的进给率随着镗刀杆的长度增长而减小，以减小加工带来的振纹。根据切削实验证明，刀具直径越小，长度越长，刚性越差，振动越大，所以镗刀的切削力和切削用量随着镗刀头的直径的减小而减小。

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 (9)

1.一种薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，所述薄壁钛合金机匣包括第一端开口和第二端开口以及位于所述第一端开口和第二端开口之间的通道，所述通道与所述第一端开口不同轴，所述通道与所述第二端开口不同轴，所述第一端开口与所述第二端开口不同轴，所述通道两端分别开设有朝向所述第一端开口方向开设的精密孔一（1）和朝向所述第二端开口方向开设的精密孔二（2），所述精密孔一（1）与所述精密孔二（2）同轴，所述精密孔一（1）的直径和所述精密孔二（2）的直径均比所述通道的直径大，所述精密孔一（1）沿轴向向外延伸的延伸轨迹与所述薄壁钛合金机匣的第一端开口的内壁面相交；所述精密孔二（2）沿轴向向外延伸的延伸轨迹与所述薄壁钛合金机匣的第二端开口的内壁面相交，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：

1）选择主轴摆动式五轴数控机床，采用夹具将待加工的所述薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在所述主轴摆动式五轴数控机床上，以防止主轴与机床工作台发生干涉；

2）分别选择合适加工所述精密孔一（1）和所述精密孔二（2）的镗刀，包括选择镗刀头的直径、镗刀柄长度和镗刀柄直径，所述镗刀柄直径小于所述镗刀头直径；

3）摆动所述主轴以使所述镗刀与所述精密孔一（1）或精密孔二（2）同轴，从所述薄壁钛合金机匣的两端开口分别加工所述精密孔一（1）和精密孔二（2），加工所述精密孔一（1）和所述精密孔二（2）时，镗刀采用多段直线进刀方式，以避开所述镗刀与所述薄壁钛合金机匣的干涉处。

2.根据权利要求1所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述镗刀柄为整体式镗刀柄。

3.根据权利要求2所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述镗刀柄为空心管式结构，所述镗刀柄的空心内填充弹性体。

4.根据权利要求1所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述镗刀头采用R0.1的刀尖圆角。

5.根据权利要求4所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述镗刀头采用20°前角。

6.根据权利要求1所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述采用夹具将待加工的所述薄壁钛合金机匣垫起一定高度并固定在所述主轴摆动式五轴数控机床上之后，还包括在所述薄壁钛合金机匣的外侧包覆或缠绕弹性材料，以吸收加工时所产生的振动，防止振纹的产生。

7.根据权利要求1所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

加工所述精密孔一（1）或所述精密孔二（2）时，所述主轴的转速为100~200r/min，所述镗刀的线速度为20~40m/min，所述镗刀的进给率为10~20mm/min。

8.根据权利要求7所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述主轴的转速随着镗刀杆的长度增长而减小，所述镗刀的线速度随着镗刀杆的长度增长而减小，所述镗刀的进给率随着镗刀杆的长度增长而减小。

9.根据权利要求1所述的薄壁钛合金机匣同轴精密斜孔的加工方法，其特征在于，

所述镗刀的切削力和切削用量随着所述镗刀头的直径的减小而减小。

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