CN115351305A - 一种薄壁件气膜槽数控加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种薄壁件气膜槽数控加工方法，分为粗车加工和精车加工两道工序，在粗车加工时，采用大切深、左右赶刀的进刀思路，利用选择的具有纵向卷屑槽的槽刀，在保证刀具强度的前提下，将切屑宽度缩小了0.1‑0.2mm，提高了气膜槽加工过程的容屑空间、改善了粗加工排屑情况、降低了加工过程中切削力，有效避免了加工过程的卡屑、断刀现象；在进行精车加工时，采用气膜槽宽度要求的成型槽刀在气膜槽侧壁非硬化层进行加工，在降低了加工过程切削力的同时，改善了气膜槽表面金相组织质量。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天数控加工技术领域，特别涉及一种薄壁件气膜槽数控加工方法。
背景技术
航空发动机机匣以及火焰筒等作为发动机的重要承力部件，结构件材料往往采用镍基高温合金或钛合金等材料，单品价值高，而且机匣结构复杂、结构壁薄，在加工过程中易变形，因此对航空发动机机匣进行数控加工，始终是具有挑战性的工作。
航空发动机机匣属于典型的薄壁件，在加工过程中刚性较弱，导致其在加工过程中极易受到夹持力、切削力以及残余应力影响而变形，导致机匣产品报废而产生重大经济损失。其中的气膜槽作为航空发动机机匣结构的典型特征结构，如图1和图3所示，槽的深度与宽度的比值超过3、且气膜槽内外壁薄，导致在加工过程极易发生变形。此外，由于气膜槽位于机匣筒壁上，刀具后角设计困难，加工过程中容易存在干涉，导致气膜槽加工过程中刀具的悬伸比较长，刚度相对较低，采用大切深时，由于传统刀具排屑不畅，容易在加工过程出现切屑堵塞在槽内，导致刀具受力突然增大，造成扎刀、断刀现象的发生，导致气膜槽加工变形而报废，造成重大的经济损失。
因此为了保障气膜槽的加工质量，当前相关企业主要采用小进给量、小切深的保守加工方法，降低加工过程中的切削力，预防因切削力过大产生的气膜槽变形。但是采用小进给量、小切深的加工方式会使得气膜槽加工区域发生表面硬化，导致出现气膜槽更难加工、刀具磨损加快等问题，进而被迫进入采用更小的进给量和切深进行加工的恶性循环，使得加工效率极低(表面硬化层厚度一般在0.03mm～0.05mm，采用小进给量加工时，进给量一般就在0.01mm左右，导致刀具是在加工硬化层上加工)。
因此，需要一种新的气膜槽数控加工方法，在保障气膜槽加工质量的同时、提高其加工效率。
发明内容
针对现有航空发动机机匣气膜槽加工过程中存在的问题，保障气膜槽加工质量，提高气膜槽加工的效率，本发明提出一种薄壁件气膜槽数控加工方法，采用满足要求的加工刀具配合气膜槽大切深数控工艺方法，实现薄壁件气膜槽的数控加工效率提升。
本发明的技术方案为：
所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下四刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第四刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下三刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的β倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-β)倍作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下两刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
进一步的，粗车加工刀具的宽度为气膜槽设计宽度的
进一步的，进行粗车加工时，采用具有纵向卷屑槽的刀具进行加工，所述纵向卷屑槽位于刀具前刀面上，且纵向卷屑槽的长度方向垂直于切削刃。
进一步的，所述卷屑槽的槽弧直径R为刀具切削刃宽度的2.5～3倍。
进一步的，所述卷屑槽的长度L为卷屑槽槽弧直径R的1～1.5倍。
进一步的，所述卷屑槽的最大深度D为刀具切削刃宽度的0.08～0.1倍。
进一步的，所述卷屑槽的深度沿卷屑槽长度方向从刀具切削刃处的最大深度开始逐渐变浅、直至为0。
进一步的，待加工的薄壁件气膜槽的槽深与槽宽比为2.5～3.5。
进一步的，待加工的薄壁件气膜槽结构材料为镍基高温合金或钛高温合金。
进一步的，当待加工的薄壁件气膜槽结构材料为镍基高温合金时，粗车加工的切削速度设置为20～40m/min；当待加工的薄壁件气膜槽结构材料为钛高温合金时，粗车加工的切削速度设置为50～80m/min。
进一步的，所述气膜槽定位面为气膜槽结构的内环面。
有益效果
本发明通过采用大切深的车削数控加工工艺方案设计配合相应的刀具，成功实现高温合金薄壁件气膜槽的高效数控加工，在保障质量要求的前提下，将原来单个气膜槽粗车加工时间由2小时缩减到15分钟，极大地提高了气膜槽的加工效率。
本发明在粗车加工时，采用大切深、左右赶刀的进刀思路，利用选择的具有纵向卷屑槽的槽刀，在保证刀具强度的前提下，通过纵向卷屑槽的结构和尺寸设计，将切屑宽度缩小了0.1-0.2mm，提高了气膜槽加工过程的容屑空间、改善了粗加工排屑情况、降低了加工过程中切削力，有效避免了加工过程的卡屑、断刀现象。
在进行精车加工时，由于粗车加工后的切削余量大于加工硬化层的厚度，因此采用气膜槽宽度要求的成型槽刀在气膜槽侧壁非硬化层进行加工(正常的加工硬化层的厚度为0.03-0.05mm，采用成型槽刀的方式进行加工，单边加工宽度为0.1mm，可以避开加工硬化层进行加工)，在降低了加工过程切削力的同时，改善了气膜槽表面金相组织质量。
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为气膜槽结构示意图；
图2为气膜槽粗加工过程示意图；(a)4刀加工示意图，(b)3刀加工示意图；(c)2刀加工示意图；
图3为中型发动机机匣气膜槽示意图；
图4为图3中的局部放大图；
图5为槽刀前刀面纵向卷屑槽结构示意图；
图6为具有前刀面纵向卷屑槽的槽刀结构示意图。
具体实施方式
航空发动机机匣以及火焰筒等结构件内侧面上具有多组沿轴向分布的环形凸起，在环形凸起的上表面设计有环形气膜槽。一般而言，环形气膜槽的槽深d与槽宽w比在2.5～3.5，即
且气膜槽的外侧壁面厚度较薄，本身加工难度较大；而且航空发动机机匣以及火焰筒等结构件材料往往采用镍基高温合金或钛合金等材料，单品价值高，机匣结构复杂、结构壁薄，在加工过程中极易受到夹持力、切削力以及残余应力影响而变形，导致机匣产品报废而产生重大经济损失。
针对上述薄壁件气膜槽加工所面临的问题，本发明提出了一种薄壁件气膜槽数控加工方法，采用满足要求的加工刀具配合气膜槽大切深数控工艺方法，从而保障气膜槽加工质量，提高气膜槽加工的效率，实现薄壁件气膜槽的数控加工效率提升。
本发明进行薄壁件气膜槽加工的过程分为粗车加工和精车加工两个工序。
薄壁件气膜槽粗车工序采用大切深、左右赶刀的进刀思路，利用设计的具有纵向卷屑槽的槽刀，提高气膜槽加工过程的容屑空间。
通过加工实际发现，在粗车加工工序中，根据实际加工需要，一般采用四刀加工过程，但也可以采用三刀和两刀加工过程；其中四刀加工过程为：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第四刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工。
而三刀加工过程为：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的β倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-β)倍作为切削深度进行开槽加工。
两刀加工过程为：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工。
在进行粗车加工时，采用具有纵向卷屑槽的刀具进行加工至关重要，这里设计的具有纵向卷屑槽的槽刀宽度为气膜槽设计宽度的
该槽刀在前刀面具有垂直于切削刃的纵向卷屑槽，槽弧直径为刀具切削刃宽度的2.5～3倍；卷屑槽的深度为刀具切削刃宽度的0.08～0.1倍，卷屑槽的深度沿卷屑槽长度方向逐渐变浅、直至为0；卷屑槽的长度为卷屑槽槽弧半径的2～3倍。通过该具有纵向卷屑槽的槽刀，在保证刀具强度的前提下，将切屑宽度缩小了0.1-0.2mm，提高了气膜槽加工过程的容屑空间、改善了粗加工排屑情况、降低了加工过程中切削力，有效避免了加工过程的卡屑、断刀现象。
薄壁件气膜槽精车加工设计思路为：采用两次精车加工，分别实现气膜槽侧壁的加工和气膜槽底部倒角加工。
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
下面通过实施例来描述本发明，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1：机匣气膜槽数控加工过程：
采用本发明所提出的薄壁件气膜槽数控加工过程，为在立式车床上进行材料为镍基高温合金的机匣气膜槽进行数控加工，该气膜槽宽度为2.2mm、深度为6mm。
具体数控加工步骤如下：
步骤1：粗车
如图2a所示，选择前刀面带有圆弧纵向卷屑槽的槽刀对中型发动机机匣中气膜槽位置的靠近气膜槽定位面一侧进行第一次粗加工，其切削深度为2mm、切削宽度为1.5mm、切削速度为20m/min。
步骤2：粗车
如图2a所示，选择前刀面带有圆弧纵向卷屑槽的槽刀对中型发动机机匣中设计气膜槽位置的远离气膜槽定位面一侧进行第二次粗加工，其切削深度为4mm、切削宽度为1.5mm、切削速度为20m/min。
步骤3：粗车
如图2a所示，选择前刀面带有圆弧纵向卷屑槽的槽刀对中型发动机机匣中气膜槽位置的靠近气膜槽定位面一侧进行第三次粗加工，其切削深度为4mm、切削宽度为1.5mm、切削速度为20m/min。
步骤4：粗车
如图2a所示，选择前刀面带有圆弧纵向卷屑槽的槽刀对中型发动机机匣中设计气膜槽位置的远离气膜槽定位面一侧进进行第四次粗加工，其切削深度为2mm、切削宽度为1.5mm、切削速度为20m/min。
粗车采用的槽刀切削刃宽度为1.5mm，纵向卷屑槽的槽弧直径为4mm，最大深度为0.13mm，长度为5.5mm，沿着卷屑槽的长度方向，卷屑槽的深度逐渐减小，直至为0。
步骤5：精车气膜槽侧面
选用2.2mm等宽槽刀进行精车气膜槽侧面加工，以图1中的对刀面作为基础，进行对刀操作，在此基础上偏移壁厚1mm+刀具宽度2.2mm，到达加工位置，采用切削深度6mm、切削宽度2.2mm、切削速度20m/min，进行气膜槽侧面精车加工。
步骤6：精车气膜槽底部
选用2.2mm等宽倒角槽刀进行气膜槽底部倒角操作，对刀操作与步骤5相同，采用切削速度20m/min，进行气膜槽底部倒角，完成气膜槽加工。
实施例2：火焰筒气膜槽数控加工方法
本实施例针对大型发动机火焰筒的气膜槽加工进行说明。采用本发明所提出的薄壁件气膜槽数控加工方法，在立式车床上进行材料为镍基高温合金的火焰筒气膜槽的数控加工，该气膜槽宽度为2.7mm、深度为7.6mm。选用刀具切削刃宽度为1.8mm，前刀面卷屑槽的尺寸为圆弧直径为4.8mm、最大深度为0.16mm、长度为6.5mm的粗加工槽刀，采用本发明提出的三步左右赶刀的粗加工方法进行气膜槽的粗加工。选用刀宽为2.7mm等宽槽刀进行气膜槽的精加工。
实施例3：小型机匣气膜槽数控加工方法
本实施例针对小型发动机火焰筒的气膜槽加工进行说明。采用本发明所提出的薄壁件气膜槽数控加工方法，在立式车床上上进行材料为钛合金的机匣气膜槽的数控加工，该气膜槽宽度为1.6mm、深度为4.5mm。选用刀具切削刃宽度为1.2mm，前刀面卷屑槽的尺寸为圆弧直径为3.6mm、最大深度为0.12mm、长度为5.4mm的粗加工槽刀，采用本发明提出的两步左右赶刀的粗加工方法进行气膜槽的粗加工。选用刀宽为1.6mm的等宽槽刀进行气膜槽的精加工。
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)
1.一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下四刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-α)倍作为切削深度进行开槽加工；
第四刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的α倍作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
2.一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下三刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深的β倍作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第三刀加工为：在设计的气膜槽位置处，靠近气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深的(1-β)倍作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
3.一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：分为粗车加工和精车加工两道工序；
所述粗车加工工序至少包括以下两刀加工过程：
第一刀加工为：在设计的气膜槽加工位置处，靠近气膜槽定位面的一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
第二刀加工为：在设计的气膜槽位置处，远离气膜槽定位面一侧，采用气膜槽槽深作为切削深度进行开槽加工；
所述精车加工工序包括气膜槽侧壁精车加工和气膜槽底部倒角加工；
所述气膜槽侧壁精车加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用与气膜槽槽宽等宽的槽刀进行气膜槽侧壁精车加工；
所述气膜槽底部倒角加工，以气膜槽定位面为基准进行对刀，并从对刀基准开始向定位面远端偏移气膜槽外侧壁厚加刀具宽度的距离，实现刀具的定位；随后采用倒角槽刀对气膜槽底部倒角加工。
4.根据权利要求1，2，3任一所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：进行粗车加工时，采用具有纵向卷屑槽的刀具进行加工，所述纵向卷屑槽位于刀具前刀面上，且纵向卷屑槽的长度方向垂直于切削刃。
5.根据权利要求4所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：粗车加工刀具的宽度为气膜槽设计宽度的
6.根据权利要求4所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：所述卷屑槽的槽弧直径R为刀具切削刃宽度的2.5～3倍，所述卷屑槽的长度为卷屑槽槽弧直径R的1～1.5倍。
7.根据权利要求4所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：所述卷屑槽的最大深度D为刀具切削刃宽度的0.08～0.1倍，所述卷屑槽的深度沿卷屑槽长度方向从刀具切削刃处的最大深度开始逐渐变浅、直至为0。
8.根据权利要求1，2，3任一所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：待加工的薄壁件气膜槽的槽深与槽宽比为2.5～3.5。
9.根据权利要求1，2，3任一所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：待加工的薄壁件气膜槽结构材料为镍基高温合金或钛高温合金。
10.根据权利要求9所述一种薄壁件气膜槽数控加工方法，其特征在于：当待加工的薄壁件气膜槽结构材料为镍基高温合金时，粗车加工的切削速度设置为20m/min；当待加工的薄壁件气膜槽结构材料为钛高温合金时，粗车加工的切削速度设置为50m/min。
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