CN115122046A - 一种锥孔数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种锥孔数控加工方法，通过结合设计的锥度铰刀，采用轴向分段加工方式精铰锥孔，降低了加工过程的切削力，避免了加工过程中的震刀甚至断刀，并且通过锥度铰刀设计，解决了轴向分段加工的接刀痕问题，以及容屑量不足问题，保障分段加工的顺利过渡，从而能够将深长型小直径小锥度锥孔加工从手工操作摇臂钻加工转变成完全数控加工，将原来单孔加工时间由8小时降低到1小时以内，大大提高了锥孔加工的效率。

Description

一种锥孔数控加工方法

技术领域

本发明涉及机械数控加工技术领域，尤其涉及锥孔数控加工技术领域，具体为一种在高价值难加工材料零件上进行深长型小直径小锥度锥孔的数控加工方法。

背景技术

在航空航天发动机关键高价值零部件中，如发动机喷嘴环和电池阀等，深长型小直径小锥度锥孔一直是产品加工的难点问题。

针对该类深长型小直径小锥度锥孔：深径比>5、锥度<15°，目前在加工过程中主要面临以下加工难点：

产品用于航空航天发动机等恶劣工作环境下，产品本身往往采用马氏体不锈钢、高温合金等难加工材料；并且要加工的深长型小直径小锥度锥孔，往往都是产品设计中起关键作用的结构，加工质量要求很高，如表面粗糙度要求小于Ra1.6。因此，利用铰刀通过常规径向分层加工的方法进行数控加工时，锥孔的侧壁与铰刀的切削面会全面接触造成自锁，导致加工过程切削力较大，加工过程容易震刀甚至断刀；而且由于锥孔孔径小，采用铰刀进行径向分层加工时，铰刀的容屑槽容屑量较小，切屑堆积容易划伤工件，也会导致锥孔表面质量不达标。而由于产品自身价值很高，往往一件产品价值就在上百万元，一个小小的锥孔加工不合格，就会导致整个产品报废，经济损失巨大；所以，虽然有相关文献公开介绍采用数控加工方式进行锥孔加工，但公开文献中的方法并不能解决上述加工过程切削力较大，易震刀甚至断刀，以及切屑堆积容易划伤工件的问题。而且实际调研也发现，国内主要航空航天发动机加工生产单位目前并没有对该类深长型小直径小锥度锥孔实现全数控加工，仍然是由工人操作摇臂钻配合结构复杂的导向钻具，通过工人感知加工过程的切削力动态调整进刀量，以确保不出现震刀和切削划伤等问题。但这种加工方式耗时很长，而该类锥孔结构在产品中数量多，就导致又出现了加工效率低、加工成本高、产品一致性差等问题。

发明内容

为克服现有技术中无法实现全数控加工深长型小直径小锥度锥孔，只能依靠人工进行手动操作摇臂钻进行加工，才能确保不出现震刀和切削划伤等缺陷的问题，本发明提出一种锥孔数控加工方法，通过在精铰锥孔阶段，采用特定设计的刀具与工艺参数配合，通过轴向分段加工方式，实现深长型小直径小锥度锥孔的全数控加工，并且能够确保不出现震刀和切削划伤等问题。

本发明的技术方案为：

所述一种锥孔数控加工方法，包括以下步骤：

步骤1：在产品表面进行锥孔的基孔加工，得到锥孔的基孔；

步骤2：在基孔的基础上加工定位孔；

步骤3：基于定位孔，根据锥孔小径端尺寸要求，在产品上加工直孔；

其特征在于：还包括以下步骤：

步骤4：根据锥孔锥度要求，采用具有相同锥度的扩孔钻粗扩锥孔；

步骤5：采用轴向分段加工方式精铰锥孔，得到符合要求的锥孔；每段精铰加工采用不同的锥度铰刀实现；

每把锥度铰刀的刀刃部分分为刀具过渡段和刀具切削段；所述刀具切削段的锥度与锥孔要求锥度保持一致；所述刀具过渡段分为未切削过渡段和已切削过渡段，未切削过渡段锥度大于锥孔要求锥度，已切削过渡段锥度小于锥孔要求锥度；

第一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分后部，刀具切削段前方为未切削过渡段；最后一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分前部，刀具切削段后方为已切削过渡段；其余锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分中部，刀具切削段前方为未切削过渡段，刀具切削段后方为已切削过渡段；

依次相邻加工的两把锥度铰刀的刀具切削段在轴向位置上具有重叠带。

进一步的，所述锥孔为深径比>5、锥度<15°、表面粗糙度要求<Ra1.6的深长型小直径小锥度锥孔。

进一步的，所述重叠带设置为1-5mm。

进一步的，所述锥度铰刀的刀刃部分轴向长度相同。

进一步的，所述锥度铰刀中，未切削过渡段锥度大于锥孔要求锥度3°-5°，已切削过渡段锥度小于锥孔要求锥度3°-5°。

进一步的，所述锥度铰刀的侧刃设计为不大于0.2°的圆锥刃带；所述锥度铰刀的刀具后角设计成8°-12°圆弧铲背后角。

进一步的，所述锥度铰刀为4刃刀具。

进一步的，所述锥度铰刀的刀具刃口不做钝化处理，切削刃覆盖不超过3um的物理涂层。

进一步的，步骤4中，利用设计的台阶扩孔刀采用径向分层切削的方式进行粗扩锥孔；每次切削量均匀、单次切削量不大于2mm。

进一步的，所述台阶扩孔刀每个刃的零点连线所形成的角度与锥孔要求锥度相同；所述台阶扩孔刀的副偏角为0.5°-1°，前角设置为0°、后角设置为10°-12°，台阶扩孔刀采用2刃设计。

有益效果

本发明提出的锥孔数控加工方法，通过结合设计的锥度铰刀，采用轴向分段加工方式精铰锥孔，降低了加工过程的切削力，避免了加工过程中的震刀甚至断刀，并且通过锥度铰刀设计，解决了轴向分段加工的接刀痕问题，以及容屑量不足问题，保障分段加工的顺利过渡，从而能够将深长型小直径小锥度锥孔加工从手工操作摇臂钻加工转变成完全数控加工，将原来单孔加工时间由8小时降低到1小时以内，大大提高了锥孔加工的效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：实施例中航天发动机喷嘴环中深长型小直径小锥度锥孔的结构示意图；

图2：实施例中航天发动机喷嘴环中深长型小直径小锥度锥孔的数控加工工艺流程图；

图3：实施例中扩12°孔工序结构示意图；

图4：实施例中精铰12°孔工序结构示意图；

图5：实施例中精铰

孔工序结构示意图；

图6：实施例中精铣

孔工序结构示意图；

图7：实施例中加工定位孔的定心钻结构图；

图8：实施例中加工直孔的合金钻头结构图；

图9：实施例中用于锥孔粗扩加工的1号台阶扩孔刀结构图；

图10：实施例中用于锥孔粗扩加工的2号台阶扩孔刀结构图；

图11：实施例中用于锥孔粗扩加工的3号台阶扩孔刀结构图；

图12：实施例中用于锥孔粗扩加工的4号台阶扩孔刀结构图；

图13：实施例中用于锥孔精铰加工的1号锥度铰刀结构图；

图14：实施例中用于锥孔精铰加工的2号锥度铰刀结构图；

图15：实施例中用于锥孔精铰加工的3号锥度铰刀结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本实施例以材料为马氏体不锈钢的某航天发动机喷嘴环斜锥孔加工为例，通过采用数控加工的技术手段，通过数控机床进行钻孔、扩孔、铰孔等数控加工工艺，解决航空航天中深长型小直径小锥度锥孔采用摇臂钻进行加工存在的加工效率低、加工成本高、数控程度低等问题，在国内首次采用全套数控加工技术完成某航天发动机喷嘴环斜孔加工。

喷嘴环斜锥孔整体结构如图1所示，包括

球面孔，

直孔，两端直径分别为

和

锥角为12°的锥孔，以及

直孔，其中锥孔轴向长度为51±1mm，表面粗糙度要求<Ra1.6。加工难点在于采用数控加工方式实现锥孔部分的加工。

下面结合图2，给出喷嘴环斜锥孔整体结构的加工步骤：

步骤1：分层铣削：

在喷嘴环正面上进行斜锥孔的基孔铣削，采用D16合金铣刀进行类G83圆弧分层铣削，加工出斜锥孔的基孔。其中数控机床的主轴转速控制在为500-650r/min，进给速度控制在50-80mm/分钟。

步骤2：点钻

定位孔：

为了获取锥孔的加工基准，采用定心钻点钻的方式在基孔的基础上钻出定位孔。这里采用D10定心钻钻

定位孔，点钻，冷却方式为外冷。定心钻头总长160mm，刃部长15mm，钻头直径为

如图7所示。数控机床的主轴转速控制在800-1000r/min，进给速度控制在10-20mm/分钟。

步骤3：钻

斜孔：

在定位孔的基础上，采用D10合金钻头钻

孔，G83打孔方式，啄钻，不钻通，Q：0.2mm(表示每次钻孔0.2mm后，抬起刀具，然后再钻0.2mm)，冷却方式为内冷；合金钻头总长200mm，刃部长65mm，钻头直径为

如图8所示。数控机床的主轴转速控制在300-500r/min，进给速度控制在10-15mm/分钟。

步骤4：背面分层铣削：

针对喷嘴环背面斜孔的球面，采用D16合金铣刀进行类G83圆弧分层铣削，去除多余的材料。数控机床的主轴转速控制在500-650r/min，进给速度控制在50-80mm/分钟。

步骤5：粗扩12°锥孔：

为了降低加工过程中刀具所受切削力、避免断刀，通过在设计的刀具上进行Z值标定，确定锥孔分为四层加工，利用设计的不同台阶扩孔刀进行径向分层切削加工，每次利用台阶扩孔刀进行等切削量加工，单次切削量不大于2mm，从而避免加工过程自锁现象与切削力过大，在提高加工效率的同时提高加工质量。

台阶扩孔刀采用2刃设计，并且根据锥孔的锥度要求，台阶扩孔刀每个刃的零点连线所形成的角度与锥孔的角度相同；为保证扩孔刀的切削效率、避免切削过程自锁，刀具的副偏角设置在0.5°-1°范围内；另外根据锥孔的锥度要求以及加工效率要求，将台阶扩孔刀的前角设置为0°、后角设置为10°-12°。

下面给出利用4个台阶扩孔刀粗扩12°锥孔的具体过程：

步骤5.1：采用1号台阶扩孔刀粗扩12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。1号台阶扩孔刀总长240mm，刃部长47.65mm，副偏角0.5°，钻尖直径D11.46mm，如图9所示。数控机床的主轴转速控制在300-400r/min，进给速度设置为10-15mm/分钟。

步骤5.2：采用2号台阶扩孔刀粗扩12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。2号台阶扩孔刀总长240mm，刃部长49.15mm，副偏角0.5°，钻尖直径D11.14mm，如图10所示。数控机床的主轴转速控制在300-400r/min，进给速度设置为10-15mm/分钟。

步骤5.3：采用3号台阶扩孔刀粗扩12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。3号台阶扩孔刀总长240mm，刃部长50.65mm，副偏角0.5°，钻尖直径D10.82mm，如图11所示。数控机床的主轴转速控制在300-400r/min，进给速度设置为10-15mm/分钟。

步骤5.4：采用4号台阶扩孔刀粗扩12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。4号台阶扩孔刀总长240mm，刃部长52.15mm，副偏角0.5°，钻尖直径D10.5，如图12所示。数控机床的主轴转速控制在300-400r/min，进给速度设置为 10-15mm/分钟。

步骤6：精铰12°锥孔：

同样为了降低加工过程中刀具所受切削力、避免断刀，通过在设计的刀具上进行Z值标定，确定锥孔分为三段加工，由原先的径向分层切削变更为轴向分段切削，利用设计的锥度铰刀分段进行加工。根据锥孔的尺寸要求以及分段加工的接刀痕问题，采用刀具过渡段设计、重叠带设计、刀具侧刃圆锥刃带设计以及圆弧铲背后角设计实现锥度铰刀的设计。

每段精铰加工采用不同的锥度铰刀实现；

每把锥度铰刀的刀刃部分分为刀具过渡段和刀具切削段；所述刀具切削段的锥度与锥孔要求锥度保持一致；所述刀具过渡段分为未切削过渡段和已切削过渡段，未切削过渡段锥度大于锥孔要求锥度3°-5°，已切削过渡段锥度小于锥孔要求锥度3° -5°，保障分段加工的顺利过渡；第一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分后部，刀具切削段前方为未切削过渡段；最后一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分前部，刀具切削段后方为已切削过渡段；其余锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分中部，刀具切削段前方为未切削过渡段，刀具切削段后方为已切削过渡段；

依次相邻加工的两把锥度铰刀的刀具切削段在轴向位置上具有1-5mm重叠带，实现接刀痕的处理。为了保障锥孔的锥度，刀具的侧刃上设计不大于0.2°的圆锥刃带，将刀具后角设计成8°-12°圆弧铲背后角。并且根据锥孔加工的排屑需求，将锥度铰刀设计为4刃铰刀，以获取较大的容屑槽，利于加工排屑。

下面给出利用3把锥度铰刀精铰12°锥孔的具体过程：

步骤6.1：采用1号锥度铰刀精铰12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。1号锥度铰刀总长200mm，刃部长52.15mm，刀具切削段在刃后部，长度18.5mm，锥孔大端计算Z＝53.54mm，刀具前角为0°、后角为12°，未加工过渡段锥度为16°，刃口上，设计了0.05°的圆锥刃带，以保障被加工锥孔的锥度，如图13 所示，且刃口不做钝化处理，刃口覆盖3um的PVD物理涂层。数控机床的主轴转速设置为400-600r/min，进给速度控制在5-10mm/分钟。

步骤6.2：采用2号锥度铰刀精铰12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。2号锥度铰刀总长198.59mm，刃部长52.15mm，刀具切削段在刃中部，长度18.5mm，并与1号锥度铰刀刀具切削段设计有1mm的重叠带，锥孔大端计算 Z＝51.87mm，刀具前角为0°、后角为12°，未加工过渡段锥度为16°、已加工过渡段锥度为8°，刃口上，设计了0.05°的圆锥刃带，以保障被加工锥孔的锥度，如图14所示，且刃口不做钝化处理，刃口覆盖3um的PVD物理涂层。数控机床的主轴转速设置为 400-600r/min，进给速度控制在5-10mm/分钟。

步骤6.3：采用3号锥度铰刀精铰12°锥孔，G83打孔方式，啄钻，Q：0.2，冷却方式为外冷。3号锥度铰刀总长200mm，刃部长52.15mm，刀具切削段在刃前部，长度18.5mm，并与2号锥度铰刀刀具切削段设计有2.35mm的重叠带，锥孔大端计算 Z＝53.43mm，刀具前角为0°、后角为12°，已加工过渡段锥度为8°，刃口上，设计了0.05°的圆锥刃带，以保障被加工锥孔的锥度，如图15所示，且刃口不做钝化处理，刃口覆盖3um的PVD物理涂层。数控机床的主轴转速设置为400-600r/min，进给速度控制在5-10mm/分钟。

至此，本发明核心的锥孔加工已经实现。

步骤7：扩

孔：

完成锥孔后，进行

的孔加工，在进行该孔加工的过程中，先利用扩孔铣刀扩

孔，冷却方式为外冷。扩孔铣刀总长200mm。数控机床的主轴转速设置为 500-650r/min，进给速度控制在30-40mm/分钟。

步骤8：精铰

孔：

在完成

孔的扩孔操作后，采用合金铰刀精铰

孔，将其加工到要求的加工精度。冷却方式为外冷，合金铰刀总长200mm，钻尖直Φ10。数控机床的主轴转速设置为550-650r/min，进给速度控制在10-20mm/分钟。

步骤9：精铣

球面：

完成

孔加工后，采用精铣的方式进行

球面的加工，采用R4的合金铣刀精铣

球面，冷却方式为外冷。合金铣刀总长160mm，刃部长55mm，钻尖直径Φ16，圆角R4，齿数4。数控机床的主轴转速设置为400-600r/min，进给速度设置为50mm/ 分钟。

步骤10：精铣

球面：

在利用R4的合金铣刀加工后，采用R5的球头合金铣刀精铣

球面，将其加工要求的加工精度。R5的球头合金铣刀总长160mm，刃部长60mm，钻尖直径Φ12，圆角R5，齿数为4。数控机床的主轴转速设置为550-650r/min，进给速度设置为40mm/ 分钟。

至此，喷嘴环中的一个斜锥孔加工完成。喷嘴环上共计多个斜锥孔，均采用上述方法实现全数控加工。相比于原先的手工操作摇臂钻加工，转变成完全数控加工后，将原来单孔加工时间由8小时降低到1小时以内，大大提高了锥孔加工的效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种锥孔数控加工方法，包括以下步骤：

步骤1：在产品表面进行锥孔的基孔加工，得到锥孔的基孔；

步骤2：在基孔的基础上加工定位孔；

步骤3：基于定位孔，根据锥孔小径端尺寸要求，在产品上加工直孔；

其特征在于：还包括以下步骤：

步骤4：根据锥孔锥度要求，采用具有相同锥度的扩孔钻粗扩锥孔；

步骤5：采用轴向分段加工方式精铰锥孔，得到符合要求的锥孔；每段精铰加工采用不同的锥度铰刀实现；

每把锥度铰刀的刀刃部分分为刀具过渡段和刀具切削段；所述刀具切削段的锥度与锥孔要求锥度保持一致；所述刀具过渡段分为未切削过渡段和已切削过渡段，未切削过渡段锥度大于锥孔要求锥度，已切削过渡段锥度小于锥孔要求锥度；

第一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分后部，刀具切削段前方为未切削过渡段；最后一把加工的锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分前部，刀具切削段后方为已切削过渡段；其余锥度铰刀的刀具切削段位于刀刃部分中部，刀具切削段前方为未切削过渡段，刀具切削段后方为已切削过渡段；

依次相邻加工的两把锥度铰刀的刀具切削段在轴向位置上具有重叠带。

2.根据权利要求1所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥孔为深径比>5、锥度<15°、表面粗糙度要求<Ra1.6的深长型小直径小锥度锥孔。

3.根据权利要求1或2所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述重叠带设置为1-5mm。

4.根据权利要求1或2所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥度铰刀的刀刃部分轴向长度相同。

5.根据权利要求3所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥度铰刀中，未切削过渡段锥度大于锥孔要求锥度3°-5°，已切削过渡段锥度小于锥孔要求锥度3°-5°。

6.根据权利要求3所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥度铰刀的侧刃设计为不大于0.2°的圆锥刃带；所述锥度铰刀的刀具后角设计成8°-12°圆弧铲背后角。

7.根据权利要求3所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥度铰刀为4刃刀具。

8.根据权利要求3所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述锥度铰刀的刀具刃口不做钝化处理，切削刃覆盖不超过3um的物理涂层。

9.根据权利要求1或2所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：步骤4中，利用设计的台阶扩孔刀采用径向分层切削的方式进行粗扩锥孔；每次切削量均匀、单次切削量不大于2mm。

10.根据权利要求9所述一种锥孔数控加工方法，其特征在于：所述台阶扩孔刀每个刃的零点连线所形成的角度与锥孔要求锥度相同；所述台阶扩孔刀的副偏角为0.5°-1°，前角设置为0°、后角设置为10°-12°，台阶扩孔刀采用2刃设计。

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