CN111889770B

CN111889770B - 一种钛合金薄壁件的加工方法

Info

Publication number: CN111889770B
Application number: CN202010803531.XA
Authority: CN
Inventors: 查俊; 梁建鑫
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of Xi'an Jiaotong University; Xian Jiaotong University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Of Xi'an Jiaotong University; Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2040-08-11
Also published as: CN111889770A

Abstract

本发明提供一种钛合金薄壁件的加工方法，该方法有效提高了薄壁件加工效率和加工精度，保证了加工经济性能。其包括：S1夹装，将加工工件固定在加工工装上，预留刀具走刀路径；S2粗加工，沿加工工件上端至下端分层铣削加工去除毛坯量，形成阶梯状薄壁件；S3半精加工与精加工，对阶梯状薄壁件沿上端至下端分层加工，先对最上层面型进行铣削，然后在沿阶梯对下一层面型进行铣削，铣刀对下一层面型进行铣削时，在同一切削条件下同步对阶梯上一层已加工完成的面型进行铣削和修整。对加工工件进行分层铣削，有利于切屑的排出，能够有效的带走切削热；有效去除毛坯件的余量，使得刀具的激振频率与机床的固有频率不同，保证了加工过程的平稳性。

Description

一种钛合金薄壁件的加工方法

技术领域

本发明涉及薄壁件加工工艺领域，具体为一种钛合金薄壁件的加工方法。

背景技术

随着我国航天事业的飞速发展，由于钛合金具有比轻度高、比热度高等特点，航天领域对钛合金薄壁件的需求也越来越大，但是由于钛合金加工性能较差，且薄壁件在加工过程中金属去除率高，容易造成刀具磨损严重，薄壁件零件易变形的特点，严重的制约了加工效率，影响了零件的加工精度。

目前薄壁件常见的加工方法有插铣加工和辅助支撑加工。插铣加工的方法加工效率低，加工过程中容易造成刀具磨损，加工经济性能较差。辅助支撑加工的方法需要设计特定的夹具，工序繁琐。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种钛合金薄壁件的加工方法，该方法有效提高了薄壁件加工效率和加工精度，保证了加工经济性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种钛合金薄壁件的加工方法，包括：

S1夹装，将加工工件固定在加工工装上，预留刀具走刀路径；

S2粗加工，沿加工工件上端至下端分层铣削加工去除毛坯量，形成阶梯状薄壁件；

S3半精加工与精加工，对阶梯状薄壁件沿上端至下端分层加工，先对最上层面型进行铣削，然后在沿阶梯对下一层面型进行铣削，铣刀对下一层面型进行铣削时，在同一切削条件下同步对阶梯上一层已加工完成的面型进行铣削和修整。

优选的，S2粗加工中，在对钛合金毛坯进行分层铣削时，切削速度为： 75-90m/min，每齿进给量为0.1-0.15mm/z，切削宽度为0.5-0.8mm，切削深度为15-20mm。

优选的，S2粗加工中，铣刀在阶梯状薄壁件上的铣刀路径采用次摆线铣削路径进行规划。

优选的，S2粗加工中，对刀具进行不等分齿处理，采用单边角度变化量为3°的锥度铣刀，锥度铣刀整体通过TiAlSiN涂层处理。

优选的，S3半精加工与精加工中，铣刀沿阶梯状薄壁件的上端至下端每一层的切削深度依次递增加工，其中，工件单边余量范围为0.05-0.02mm，依次递减。

优选的，S3半精加工与精加工中，采用TiAlSiN涂层处理的合金四刃不等分齿铣刀。

优选的，所述加工工装包括同轴设置的第一定位圆柱、第二工件定位圆柱和第三工装定位圆台；所述第一定位圆柱底面固定设置在第二工件定位圆柱的顶面上，第二工件定位圆柱的底面固定设置在第三工装定位圆台的顶面上；第一定位圆柱上设有螺栓孔；侧面开设键槽；第三工装定位圆台底面沿轴向延伸形成圆柱，第三工装定位圆台一侧沿轴向竖直切面形成工装定位面。

进一步，所述加工工装采用螺栓与工件进行轴向定位，采用半圆键与工件进行周向定位，所述加工工装采用铝合金进行加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种钛合金薄壁件的加工方法，通过粗加工阶段对加工工件进行分层铣削加工，以达到快速去除毛坯量，得到满足半精加工、精加工的阶梯状薄壁件，提高加工效率的同时保证了加工过程的平稳性；半精加工、精加工阶段对阶梯状薄壁件沿上端至下端分层加工，使得薄壁件无需辅助支撑，通过每一次的切削深度对自身进行支撑，减少特定的夹具支撑和加工工序，同时对薄壁件上加工下一层的同时对上一层面型进行修整，保证加工质量与加工效率；对加工工件进行分层铣削，有利于切屑的排出，能够有效的带走切削热；有效去除毛坯件的余量，使得刀具的激振频率与机床的固有频率不同，保证了加工过程的平稳性。

进一步的，铣刀在阶梯状薄壁件上的铣刀路径采用次摆线铣削路径，并结合铣刀的切削速度、每齿进给量、切削宽度和切削深度的工艺参数对阶梯状薄壁件进行分层铣削加工，实现高转速、快进给、大切深、小切宽的切削特征，保证对工件加工的切削质量，提高切削效率。

进一步的，在粗加工中对刀具进行不等分齿处理，减小刀具切削过程中产生的颤振现象，有效的对加工工件进行分层铣削，提高切削效率；粗加工中采用通过TiAlSiN涂层处理的定制锥度铣刀进行加工，提高切削的稳定性，刀具通过TiAlSiN涂层处理，提高刀具的加工性能。

进一步的，采用通过TiAlSiN涂层处理的合金四刃不等分齿铣刀进行加工为铣刀实现高转速、快进给、大切深、小切宽的切削特征提供切削条件，提高了切削效率。

进一步的，半精加工与精加工阶段中在阶梯状薄壁件沿上端至下端每一层的切削深度依次递增加工，减少辅助支撑夹具，通过自身进行辅助，保证了切削的顺利进行。

进一步的，加工工装对加工零件提供了加工定位，加工工装采用螺栓与工件进行轴向定位，采用半圆键与工件进行周向定位，便于加工工装在工件上的定位加工，提高加工效率。

附图说明

图1为本发明中零件模型图；

图2为本发明中粗加工示意图；

图3为本发明中精加工第一刀示意图；

图4为本发明中精加工第二刀示意图；

图5为本发明中精加工第三刀示意图；

图6为本发明中精加工第四刀示意图；

图7为本发明中工装设计图；

图8为本发明中加工路径规划图。

图中：1为第一定位圆柱；2为第二工件定位圆柱；3为第三工装定位圆台。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供一种钛合金薄壁件的加工方法，根据图1所示为薄壁件模型图，薄壁件的悬深壁厚比值超过19，属于典型的薄壁件，加工过程金属去除量高，存在薄壁件变形等问题，需要使用特殊的加工工艺进行加工。

一种钛合金薄壁件的加工方法，包括：

S1夹装，将加工工件在加工工装上进行固定，预留刀具走刀路径；

在S1中，根据零件结构与加工过程进行加工工装设计，在保证定位准确的情况下，留出刀具的走刀路径，以满足加工要求；

在S2中，对薄壁件进行加工工艺规划，在粗加工过程中为保证加工效率，为尽快的去除毛坯件的余量，采用的合金四刃不等分齿铣刀通过 TiAlSiN涂层处理后进行动态高效铣削，选用高转速、快进给、大切深、小切宽的工艺参数进行加工。考虑到薄壁件易变形的问题，对零件进行分层铣削，每一层留有不同的加工余量，使之在粗加工完成后成为阶梯状，在保证零件刚度的同时，满足半精加工、精加工过程的加工要求。粗加工阶段，切削速度为：75-90m/min，每齿进给量为0.1-0.15mm/z，切削宽度为0.5- 0.8mm，切削深度为15-20mm。加工完成后工件示意图如图2所示；

在S3中，精加工与半精加工过程中，采取为辅助支撑一刀成形的加工方法进行加工，在进行下一层铣削的同时对上一层进行修整，可以在保证加工质量的同时有效的提高加工质量。采用定制的锥度铣刀，锥度铣刀的整体通过TiAlSiN涂层处理后进行加工，其中锥度铣刀的单边角度变化量为3°，半精加工与精加工阶段分四刀进行，切削参数为：

1)vc＝75m/min，fz＝0.0375mm/z，ap＝20mm，ae＝0.01mm；如图3所示；

2)vc＝75m/min，fz＝0.0375mm/z，ap＝40mm，ae＝0.01mm；如图4所示；

3)vc＝75m/min，fz＝0.0375mm/z，ap＝60mm，ae＝0.01mm；如图5所示；

4)vc＝75m/min，fz＝0.0375mm/z，ap＝75mm，ae＝0.01mm；如图6所示；

其中，vc为切削速度；fz为每齿进给量；ap为切削深度；ae为切削宽度；每一步的切削深度为20mm、40mm、60mm、75mm；工件单边余量为 0.05mm、0.04mm、0.03mm、0.02mm；

为满足零件的加工需求，设计特定工装来进行零件的装夹工作。毛坯与工装通过螺栓进行轴向定位，通过半圆键进行周向定位，工件的定位面使得可有便捷的找到工件在机床坐标系中的位置，如图7所示，工装选用铝合金进行加工；

钛合金薄壁件加工如图8所示，加工工艺能够有效的完成零件的加工工作。

其中，切削加工是在五轴数控机床上进行加工，加工过程中采用乳化液冷却的方法，在加工间隙及时清理切屑；在粗加工和半精加工以及精加工阶段中均通过仿真加工软件进行加工路径规划，编制好加工需要的数控程序，工艺过程中所述刀具均设置TiAlSiN涂层处理，以提高刀具的加工性能；

加工工装包括同轴设置的第一定位圆柱1、第二工件定位圆柱2和第三工装定位圆台3；所述第一定位圆柱1底面固定设置在第二工件定位圆柱2 的顶面上，第二工件定位圆柱2的底面固定设置在第三工装定位圆台3的顶面上；第一定位圆柱1上设有螺栓孔；侧面开设键槽；第三工装定位圆台3 底面沿轴向延伸形成圆柱，第三工装定位圆台3一侧沿轴向竖直切面形成工装定位面。

本发明一种钛合金薄壁件的加工方法，在粗加工阶段采用大切深动态高效铣削的方法进行加工，极大的提高了零件的加工效率。加工效率提高了 40％，同时保证同时为半精加工、精加工提供了合适的零件表面轮廓；在半精加工、精加工阶段，采用无辅助支撑的大切深分层铣削方法：当进行下一层加工时，把上一层加工的面型进行修整，使得半精加工与精加工能够同时进行，保证了加工效率与加工精度；通过使用五轴数控机床进行加工，一次装夹就能完成全部的加工工序，减小了反复装夹带来的定位误差，提高了加工效率；粗加工阶段采用TiAlSiN涂层的不等分齿铣刀进行加工，提高了刀具的使用寿命，减小了生产成本。半精加工、精加工阶段使用锥度铣刀进行加工，极大的提高了刀具的刚度，提高了加工质量。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，包括：

S3半精加工与精加工，对阶梯状薄壁件沿上端至下端分层加工，先对最上层面型进行铣削，然后再沿阶梯对下一层面型进行铣削，铣刀对下一层面型进行铣削时，在同一切削条件下同步对阶梯上一层已加工完成的面型进行铣削和修整。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，S2粗加工中，在对加工工件进行分层铣削时，切削速度为：75-90m/min，每齿进给量为0.1-0.15mm/z，切削宽度为0.5-0.8mm，切削深度为15-20mm。

3.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，S2粗加工中，铣刀在加工工件上的铣刀路径采用次摆线铣削路径进行规划。

4.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，S2粗加工中，对刀具进行不等分齿处理，采用单边角度变化量为3°的锥度铣刀，锥度铣刀整体通过TiAlSiN涂层处理。

5.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，S3半精加工与精加工中，铣刀沿阶梯状薄壁件的上端至下端每一层的切削深度依次递增加工，其中，工件单边余量范围为0.05-0.02mm，依次递减。

6.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，S3半精加工与精加工中，采用TiAlSiN涂层处理的合金四刃不等分齿铣刀。

7.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，所述加工工装包括同轴设置的第一定位圆柱(1)、第二工件定位圆柱(2)和第三工装定位圆台(3)；所述第一定位圆柱(1)底面固定设置在第二工件定位圆柱(2)的顶面上，第二工件定位圆柱(2)的底面固定设置在第三工装定位圆台(3)的顶面上；第一定位圆柱(1)上设有螺栓孔；第一定位圆柱(1)的侧面开设键槽；第三工装定位圆台底面沿轴向延伸形成圆柱，第三工装定位圆台(3)一侧沿轴向竖直切面形成工装定位面。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金薄壁件的加工方法，其特征在于，所述加工工装采用螺栓与工件进行轴向定位，采用半圆键与工件进行周向定位，所述加工工装采用铝合金进行加工。