CN110977207A - 一种薄壁件异型槽的夹具及加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄壁件异型槽的夹具及加工方法，包括夹具底座，所述夹具底座沿周向均匀开设有定位通孔，夹具底座上表面通过螺栓固定安装有支撑台，支撑台上通过螺栓固定安装有第一安装座和第二安装座，第一安装座上螺接有Y向夹持旋转杆，第二安装座的凸台上安装有X向夹持旋转杆，且X向夹持旋转杆高于Y向夹持旋转杆设置，所述支撑台上通过螺栓固定安装有Y向定位块和X向定位块，Y向定位块紧贴第二安装座设置，X向定位块紧贴Y向定位块设置，所述夹具底座通过其上的辅助定位块及螺栓固定安装在机床的转接台上。相对于常规电火花加工方法，免去了成型电极的消耗，且加工尺寸精度和一致性程度高，保证了薄壁件异型槽加工质量，适于批量生产。

Description

一种薄壁件异型槽的夹具及加工方法
技术领域
本发明属于航空发动机喷油嘴主门塞技术领域，具体涉及一种薄壁件异型槽的夹具及加工方法，可用于航空发动机喷油嘴主门塞异型槽的加工。
背景技术
飞秒激光的加工的原理是通过非线性吸收过程吸收激光能量，在材料内部形成等离子体，非线性吸收过程主要通过多光子电离和雪崩电离实现。然后，当等离子体浓度达到一定临界值时，材料开始强烈吸收激光能量，直至材料被去除。由于极短脉冲时间和超高峰值功率能够实现材料的“冷加工”，其热影响区极小，几乎没有热量产生，进而在工艺参数控制得当的前提下，几乎没有重熔层和微裂纹的出现。
飞秒激光加工是一个非线性、非平衡过程，具有阈值效应明显、极小化热影响区、极小化重铸层、可控性高等特点，同时对加工材料无选择性。加工一致性好，重复加工精度达到≤0.005mm。
近年来，随着飞机性能要求的不断提升，对航空发动机的要求也越来越高，高水平的航空发动机的研制成功与否，需要依靠各关重件的严格的尺寸精度控制保证。对于尺寸精度的控制，需要更先进的工艺方法保证。
薄壁件异型槽的加工始终是一个亟待解决的工艺难题，其加工结构复杂，同时加工尺寸及精度要求极高，同时在批量生产过程中加工一致性也难以保证。
常规的电火花加工及线切割受电极制造精度及设备硬件条件的影响，难以实现精密微槽的加工：在尺寸方面，电火花由于其加工机理的原因，存在放电不均匀的情况，由此导致其难以保证加工尺寸一致性。同时，由于需要制作电极，在电极的加工一致性上也存在隐患；电极属于消耗产品，电火花加工过程中会存在电极损耗，目前施行的办法为加工一个槽就更换一根电极,难以保证加工的一致性；加工质量方面，电火花加工存在重熔层及毛刺等表面缺陷，槽类结构无法经由后续铰刀处理，导致加工后的重熔层残留，对零件上机后的疲劳寿命存在极大隐患。
发明内容
本发明的目的在于解决薄壁件异型槽类零件的成型加工，解决传统加工方法效率低、成本高、存在微观缺陷，无法保证加工精度的难题，一种薄壁件异型槽的夹具及加工方法。采用该方法进行加工，效率高，成本低，减少大量的刀具消耗，同时满足加工精度的要求。
一种薄壁件异型槽的夹具，包括夹具底座，所述夹具底座沿周向均匀开设有定位通孔，夹具底座上表面通过螺栓固定安装有支撑台，所述支撑台上通过螺栓固定安装有第一安装座和第二安装座，且第一安装座和第二安装座垂直设置，第一安装座上螺接有Y向夹持旋转杆，第二安装座的凸台上安装有X向夹持旋转杆，Y向夹持旋转杆与X向夹持旋转杆垂直设置，且X向夹持旋转杆高于Y向夹持旋转杆设置，所述支撑台上通过螺栓固定安装有Y向定位块和X向定位块，Y向定位块紧贴第二安装座设置，X向定位块紧贴Y向定位块设置，X向定位块上表面一体成型有定位凸台，定位凸台与X向夹持旋转杆正对，所述夹具底座下表面安装有辅助定位块，夹具底座通过辅助定位块及螺栓固定安装在机床的转接台上。
一种薄壁件异型槽的加工方法，包括以下步骤：
步骤1，先将喷油嘴主门塞工件套装到对壁保护结构件上，使喷油嘴主门塞工件的帽端套在对壁保护结构件的小径端上，然后将套有对壁保护结构件的喷油嘴主门塞工件放入第一安装座、第二安装座、X向定位块及Y向定位块围成的夹持空间内，然后旋拧X向夹持旋转杆和Y向夹持旋转杆夹紧对壁保护结构件；
步骤2，将喷油嘴主门塞工件连同夹具夹持固定在机床Z轴的转接台上，且确保将圆跳动、X、Y方向误差均控制在0.01mm以内，工件可以实现沿X、Y、A、C方向自由运动；
步骤3，通过飞秒激光加工机床(Microdrill 100型)上的测距传感器和CCD旁轴检测系统及杠杆百分表，对喷油嘴主门塞工件进行装夹找正，保证加工面端跳和圆跳误差在0.01mm以内，确定X、Y、Z向的坐标，随后根据夹具与喷油嘴主门塞工件的X、Y、Z向位置关系，补偿该坐标值，直接将喷油嘴主门塞工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤4，开启飞秒激光加工机床的除尘装置，取下四光楔设备，并关闭设备防护门，加工设备处于千级洁净室内，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣现象；
步骤5，首先通过不锈钢试片进行参数调试：采用飞秒激光光束直接照射不锈钢试片，通过编制机床运动程序实现激光与不锈钢试片的相对位置关系的变化，在不锈钢试片上进行异型槽的加工；期间调整激光加工功率(4-12W)、单层扫描时间(500-2000ms)、单层进给量(0.005-0.02mm)、扫描加工层数(50-200)参数，完成不锈钢试片加工。
步骤6，在超景深显微镜下对加工后不锈钢试片尺寸进行检测，根据设计图纸的尺寸要求，记录各长度段的尺寸数值并进行计算，将数值差值通过机床控制面板补偿到加工程序中；
步骤7，通过运行修正后的加工程序对喷油嘴主门塞工件进行正式加工，在喷油嘴主门塞工件的帽端上进行加工；加工完成后，取下喷油嘴主门塞工件，置于超声波清洗机中完成清洗，超声波清洗机中的清洗液由水和98％以上的工业酒精混合而成，且酒精体积占水体积的十分之一，清洗10-15min后，使用气枪将喷油嘴主门塞工件吹干，然后放入零件周转箱。
步骤1所述的对壁保护结构件为圆筒状结构，且在圆筒的一端加工出台阶面，台阶面一端的小径端形成与喷油嘴主门塞工件帽端的配合端，台阶面另一端的圆筒外壁沿周向加工有排气槽，排气槽用于将吹入喷油嘴主门塞工件内的氮气排出。
本发明的有益效果为：
使用的加工方式为飞秒激光加工，作用时间短，热量来不及在材料内部扩散，具有极小热影响区；无材料损伤，极小重铸层和微裂纹的；无飞溅物存在、表面的粗糙度可以控制在1.6以下的特点。并通过选择加工参数以及加工程序编制，实现薄壁件异型槽加工，加工过程中选用的激光光束直径为30μm，加工尺寸精度控制在0.01mm以内，加工效率优于传统电火花加工，可以实现高效、低成本的批量生产；将飞秒激光加工技术引入薄壁件异型槽加工，可以严格保证尺寸精度，保证出油量满足设计要求。
本发明解决了薄壁件异型槽无法实现加工的工艺难题，保证薄壁件异型槽的尺寸精度及表面质量。相对于常规电火花加工方法，免去了成型电极的消耗，且加工尺寸精度和一致性程度高，同时保证了薄壁件异型槽加工质量，适于批量生产，具有巨大的潜在效益。
本发明通过X、Y向旋转杆的夹持，实现两个方向的定位，可以有效的保证装夹精度，通过定位块保证加工距离的一致性，进而保证连续加工多个零件的尺寸的精度。同时设计的对壁保护结构件，可以有效保证激光加工过程中对壁无损伤，保证零件的加工质量。
该项技术可应用于航空发动机薄壁件异型槽类结构加工领域，适用于喷油嘴主门塞异型槽的工艺加工。该项工艺方法不同于传统的机械加工及电火花加工，应用飞秒激光加工薄壁件异型槽成本低、效率高，可有效解决此类工件加工形状复杂、精度要求高等技术难题。因此，该项技术具有广阔的应用前景。
本发明相对于传统电火花加工方法，飞秒激光加工无电极损耗，加工出完整的零件，可以把时间控制在1h以内。提升加工效率达到2倍以上。
附图说明
图1是薄壁件异型槽的夹具结构主视图；
图2是薄壁件异型槽的夹具结构俯视图；
图3是对壁保护结构件俯视图；
图4是对壁保护结构件剖视图；
图5是喷油嘴主门塞工件；
图6是显微镜下的喷油嘴主门塞工件上的主门塞异形槽结构；
图7是喷油嘴主门塞工件加工轨迹图；
1-夹具底座，2-支撑台，3-X向夹持旋转杆，4-Y向夹持旋转杆，5-第一安装座，6-第二安装座，7-X向定位块，8-Y向定位块，9-定位凸台，10-辅助定位块，11-喷油嘴主门塞工件，12-转接台，13-对壁保护结构件，14-台阶面，15-排气槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1至图6所示，一种薄壁件异型槽的夹具，包括夹具底座1，所述夹具底座1沿周向均匀开设有定位通孔，夹具底座1为圆形，夹具底座1上表面通过螺栓固定安装有支撑台2，支撑台2为方形，所述支撑台2上通过螺栓固定安装有第一安装座5和第二安装座6，且第一安装座5和第二安装座6垂直设置，第一安装座5上螺接有Y向夹持旋转杆4，第二安装座6的凸台上安装有X向夹持旋转杆3，Y向夹持旋转杆4与X向夹持旋转杆3垂直设置，且X向夹持旋转杆3高于Y向夹持旋转杆4设置，所述支撑台2上通过螺栓固定安装有Y向定位块8和X向定位块7，Y向定位块8紧贴第二安装座6设置，X向定位块7紧贴Y向定位块8设置，X向定位块上表面一体成型有定位凸台9，定位凸台9与X向夹持旋转杆3正对，所述夹具底座1下表面安装有辅助定位块10，夹具底座1通过辅助定位块10及螺栓固定安装在机床的转接台12上。
一种薄壁件异型槽的加工方法，如图7所示，包括以下步骤：
步骤1，先将喷油嘴主门塞工件11套装到对壁保护结构件13上，使喷油嘴主门塞工件11的帽端套在对壁保护结构件13的小径端上，然后将套有对壁保护结构件13的喷油嘴主门塞工件11放入第一安装座5、第二安装座6、X向定位块及Y向定位块围成的夹持空间内，然后旋拧X向夹持旋转杆和Y向夹持旋转杆夹紧对壁保护结构件13；
步骤2，将喷油嘴主门塞工件11连同夹具夹持固定在机床Z轴的转接台12上，且确保将圆跳、X、Y方向误差均控制在0.01mm以内，工件可以实现沿X、Y、A、C方向自由运动；
步骤3，通过Microdrill 100型飞秒激光加工机床上的测距传感器和CCD旁轴检测系统及杠杆百分表，对喷油嘴主门塞工件11进行装夹找正，保证加工面端跳和圆跳误差在0.01mm以内，确定X、Y、Z向的坐标，随后根据夹具与喷油嘴主门塞工件11的X、Y、Z向位置关系，补偿该坐标值，直接将喷油嘴主门塞工件11的初始位置移动至激光加工头下；
步骤4，开启飞秒激光加工机床的除尘装置，取下四光楔设备，并关闭设备防护门，加工设备处于千级洁净室内，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣现象；
步骤5，首先通过不锈钢试片进行参数调试，其中试片由0Cr18Ni9制成，尺寸为长为30mm、宽为20mm、厚为1mm：采用飞秒激光光束直接照射不锈钢试片，通过编制机床运动程序实现激光与不锈钢试片的相对位置关系的变化，在不锈钢试片上进行异型槽的加工；期间调整激光加工功率10W、单层扫描时间1200ms、单层进给量0.01mm、扫描加工层数120层，完成不锈钢试片上异型槽加工；
步骤6，在超景深显微镜下对加工后不锈钢试片的异型槽尺寸进行检测，根据设计图纸的尺寸要求，记录各长度段的尺寸数值并进行计算，将数值差值通过机床控制面板补偿到加工程序中；
步骤7，通过运行修正后的加工程序对喷油嘴主门塞工件11进行正式加工，在喷油嘴主门塞工件11的帽端上进行异型槽加工，单个异型槽加工完成后，工件旋转90°，依次完成其余3个异型槽的加工，加工完成后，取下喷油嘴主门塞工件11，置于超声波清洗机中完成清洗，超声波清洗机中的清洗液由水和98％的工业酒精混合而成，且酒精体积占水体积的十分之一，清洗12min后，使用气枪将喷油嘴主门塞工件11吹干，然后放入零件周转箱；
步骤1所述的对壁保护结构件13为圆筒状结构，且在圆筒的一端加工出台阶面14，台阶面14一端的小径端形成与喷油嘴主门塞工件11帽端的配合端，台阶面14另一端的圆筒外壁沿周向加工有排气槽15，排气槽15用于将吹入喷油嘴主门塞工件11内的氮气排出。
本发明提供的夹具用于飞秒激光加工机床，进行喷油嘴主门塞工件11的异型槽加工，所述的夹具通过紧固螺栓固定在飞秒激光机床转接台12上，依靠转接台12运动实现飞秒激光加工过程中的多轴联动。
步骤4中的千级洁净室又称无尘室或洁净室，根据GB/T16292-1996，空气洁净度分级标准如表1：
表1 GB/T16292-1996中空气洁净度分级标准
Figure BDA0002278954260000051

Claims (3)

1.一种薄壁件异型槽的夹具，其特征在于，包括夹具底座，所述夹具底座沿周向均匀开设有定位通孔，夹具底座上表面通过螺栓固定安装有支撑台，所述支撑台上通过螺栓固定安装有第一安装座和第二安装座，且第一安装座和第二安装座垂直设置，第一安装座上螺接有Y向夹持旋转杆，第二安装座的凸台上安装有X向夹持旋转杆，Y向夹持旋转杆与X向夹持旋转杆垂直设置，且X向夹持旋转杆高于Y向夹持旋转杆设置，所述支撑台上通过螺栓固定安装有Y向定位块和X向定位块，Y向定位块紧贴第二安装座设置，X向定位块紧贴Y向定位块设置，X向定位块上表面一体成型有定位凸台，定位凸台与X向夹持旋转杆正对，所述夹具底座下表面安装有辅助定位块，夹具底座通过辅助定位块及螺栓固定安装在机床的转接台上。
2.一种薄壁件异型槽的加工方法，基于权利要求1所述的一种薄壁件异型槽的夹具，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，先将喷油嘴主门塞工件套装到对壁保护结构件上，使喷油嘴主门塞工件的帽端套在对壁保护结构件的小径端上，然后将套有对壁保护结构件的喷油嘴主门塞工件放入第一安装座、第二安装座、X向定位块及Y向定位块围成的夹持空间内，然后旋拧X向夹持旋转杆和Y向夹持旋转杆夹紧对壁保护结构件；
步骤2，将喷油嘴主门塞工件连同夹具夹持固定在机床Z轴的转接台上，且确保将圆跳动、X、Y方向误差均控制在0.01mm以内，工件可以实现沿X、Y、A、C方向自由运动；
步骤3，通过飞秒激光加工机床(Microdrill 100型)上的测距传感器和CCD旁轴检测系统及杠杆百分表，对喷油嘴主门塞工件进行装夹找正，保证加工面端跳和圆跳误差在0.01mm以内，确定X、Y、Z向的坐标，随后根据夹具与喷油嘴主门塞工件的X、Y、Z向位置关系，补偿该坐标值，直接将喷油嘴主门塞工件的初始位置移动至激光加工头下；
步骤4，开启飞秒激光加工机床的除尘装置，取下四光楔设备，并关闭设备防护门，加工设备处于千级洁净室内，保证激光加工过程中不会出现污染及材料去除挂渣现象；
步骤5，首先通过不锈钢试片进行参数调试：采用飞秒激光光束直接照射不锈钢试片，通过编制机床运动程序实现激光与不锈钢试片的相对位置关系的变化，在不锈钢试片上进行异型槽的加工；期间调整激光加工功率(4-12W)、单层扫描时间(500-2000ms)、单层进给量(0.005-0.02mm)、扫描加工层数(50-200)参数，完成不锈钢试片加工；
步骤6，在超景深显微镜下对加工后不锈钢试片尺寸进行检测，根据设计图纸的尺寸要求，记录各长度段的尺寸数值并进行计算，将数值差值通过机床控制面板补偿到加工程序中；
步骤7，通过运行修正后的加工程序对喷油嘴主门塞工件进行正式加工，在喷油嘴主门塞工件的帽端上进行加工；加工完成后，取下喷油嘴主门塞工件，置于超声波清洗机中完成清洗，超声波清洗机中的清洗液由水和98％以上的工业酒精混合而成，且酒精体积占水体积的十分之一，清洗10-15min后，使用气枪将喷油嘴主门塞工件吹干，然后放入零件周转箱。
3.根据权利要求2所述的一种薄壁件异型槽的加工方法，其特征在于：步骤1所述的对壁保护结构件为圆筒状结构，且在圆筒的一端加工出台阶面，台阶面一端的小径端形成与喷油嘴主门塞工件帽端的配合端，台阶面另一端的圆筒外壁沿周向加工有排气槽，排气槽用于将吹入喷油嘴主门塞工件内的氮气排出。
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