CN204621607U - 一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机械加工技术领域，具体来讲是一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具。其包括夹具底板、垂直于夹具底板且与夹具底板固定连接的固定机构，还包括起到连接作用的叶轮毛坯和定位键，所述夹具底板上设置有从侧边向中间开口的第一导向槽，所述定位键装设在第一导向槽内，所述叶轮毛坯上对应开设有宽度相同的第二导向槽，加工时与定位键配合，所述夹具底板上还开设有用于固定夹具板的第一沉头孔和用于固定叶轮毛坯、夹具板的第二沉头孔，所述夹具底板上还设置有找正基准孔。本实用新型工装夹具的使用很好的实现了整体叶轮的批量加工难题，提高了劳动效率，且有效提升了叶轮加工的质量，提高了制造的安全性能。

Description

一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具

技术领域

本实用新型涉及机械加工技术领域，具体来讲是一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具。

背景技术

航空发动机作为飞行器的动力核心，是数目庞大的航空零部件中最为重要的一环,其零件的主要材料是钛合金和高温合金。钛合金零件多用于航空发动机的冷端部分(风扇和压气机等)，而高温合金零件主要应用在热端部分(涡轮机等)。

整体叶轮是航空、航天、航海发动机的关键部件,随着发动机性能要求的提高，整体叶轮的形状也更趋复杂，其特点是:叶片薄、扭曲大、叶片长、叶片间隔小。从叶轮材料上分析,钛合金被广泛地作为叶轮的材料,成为航空航天领域不断兴起的材料，但钛合金在机械加工中属于难加工材料。由于钛合金的导热系数很小(仅为铁的1/5、铝的1/14),切削时产生的切削热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,所以切削温度很高,会造成工件的烧灼,致使刀具材料软化加快刀具的磨损。

对于航空发动机上的整体叶轮经常运用于高速旋转情况下，加工质量对叶轮的性能有着重要的影响。为获得理想的动力学特征，叶轮叶片大都采用了大扭曲、叶片间隔小，同时，叶片厚度薄，切除量大，超过90％，加工中会出现大量的工艺性问题，且钛合金材料切削性能差，切削力大，切削热不易散发，韧性大造成容易粘刀，对刀具的磨 损相当严重。钛合金整体叶轮加工难度如下：

(1)叶轮轮毂较窄，叶片相对较长同时还很薄，刚性低，加工过程中易发生振动和变形，使得整体加工难度增加。

(2)叶轮曲面为自由曲面，叶片扭曲严重，加工时极易产生干涉，加工难度高。

(3)在刀具伸出较长的情况下，刀具刚性差，容易弹刀，控制切削深度的同时保证加工效率较为困难。

(4)钛合金材料本身化学、物理、力学性能使其特别难于加工。变形系数较小，单位面积上的切削力大，容易产生弯曲变形，引起震动，加大刀具磨损并影响加工精度。

以上可以看出整体叶轮的粗加工量大，耗时多，数控加工工艺非常复杂，常规加工整体叶轮的方法是使用五轴联动数控机床，利用专门编制软件编制相应程序对其加工，大体分为叶片粗开槽、叶片粗加工、叶片精加工、轮毂粗加工、轮毂精加工几个步骤完成。

使用此常规方法，由于叶轮切除量超过90％，粗加工占用五轴机床加工时间相当长，约为整个加工时间的60％，所以加工效率低，加工成本高。另外，传统加工没有专用工装夹具，这样每加工一件整体叶轮，都需要重新定位，找正，辅助加工时间花费较多，加工效率较低，不利于批量生产。且这种定位方式限定的自由度较少(通常是3个自由度)，在加工大尺寸整体叶轮或加工难加工材料的叶轮时，由于所受切削力较大，易于发生工件移动，从而造成整个叶轮的报废，费时费力费材料，故存在严重的潜在隐患。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具，可以有效减少钛 合金整体叶轮的加工时间，降低制造费用，提升加工质量；其中专用工装夹具的使用很好的实现了整体叶轮的批量加工难题，提高了劳动效率，且有效提升了叶轮加工的质量，提高了制造的安全性能。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具，包括夹具底板、垂直于夹具底板且与夹具底板固定连接的固定机构，其特征在于：还包括起到连接作用的叶轮毛坯和定位键，所述夹具底板上设置有从侧边向中间开口的第一导向槽，所述定位键装设在第一导向槽内，所述叶轮毛坯上对应开设有宽度相同的第二导向槽，加工时与定位键配合，所述夹具底板上还开设有用于固定夹具底板的第一沉头孔和用于固定叶轮毛坯、夹具底板的第二沉头孔，所述叶轮毛坯的下部对应设置有螺纹孔，所述固定机构包括双头螺杆和螺母，所述双头螺杆穿过叶轮毛坯中部开设的通孔与夹具底板连接，所述夹具底板中间开设有螺纹连接孔，所述通孔与螺纹连接孔同心，所述夹具底板上还设置有找正基准孔。

在上述技术方案的基础上，所述夹具底板的板面为正方形或长方形，所述第一导向槽开设在每个侧边的中间，所述第一沉头孔位于靠近板面的拐角处，所述第二沉头孔位于两第一导向槽之间且靠近螺纹连接孔，所述找正基准孔位于第一沉头孔与第一导向槽之间且靠近夹具底板的一侧边。

在上述技术方案的基础上，所述叶轮毛坯与夹具底板采用内六角螺钉固定。

在上述技术方案的基础上，所述夹具底板与机床工作台面采用内六角螺钉固定。

在上述技术方案的基础上，所述找正基准孔到夹具底板中心的X 方向的距离为夹具底板长度的6/8-7/8，Y方向的距离为夹具底板宽度的6/8-7/8。

本实用新型还提供了钛合金整体叶轮的数控高效加工方法，按以下步骤进行：

S1.利用夹具将叶轮毛坯装夹并定位到普通三轴数控机床上；

S2.在普通三轴数控机床上将叶轮毛坯去除余料，选择D30*R5的刀具，三轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1800-2300转/分钟，切削速度为1800-2300mm/分钟，切削深度为0.3-0.4mm，刀具行距为8-12mm；

S3.将去除余料的叶轮毛坯移到五轴数控机床上，并按照以下步骤进行加工：

第一步，粗加工叶轮毛坯，利用五轴联动数控机床“3+2”轴定角度加工的功能，对叶轮毛坯整体留粗加工，采用刀具逐渐加长的方法进行加工；

第二步，精加工叶轮的叶片，在PowerMILL10.0编程软件中的策略选取器中选用叶片精加工策略进行加工，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为5800-6200转/分钟，切削速度为2300-2700mm/分钟，切削深度为0.3-0.4mm，刀具行距为0.7-1.5mm，在精加工叶片时，叶片底部留出3-5刀，即：手工删除3-5条位于叶片底部的走刀线路轨迹；

第三步，叶片根部清角加工，加工策略是在叶片精加工及轮毂精加工策略的基础上进行修剪刀具路径得来，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为900-1100转/分钟，切削速度为380-420mm/分钟，切削深度为0.05-0.15mm，刀具行距为0.2-0.5mm；

第四步，精加工叶轮的轮毂，在PowerMILL10.0编程软件中的 策略选取器中选用轮毂精加工策略进行加工，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为7000-8000转/分钟，切削速度为2800-3300转/分钟，切削深度为0.05-0.15mm，刀具行距为0.7-1.5mm；

S4.将S3加工完成的叶轮进行三坐标测量：

将S3步骤加工完成后带有叶轮的夹具从五轴数控机床工作台面上卸下，再把叶轮和夹具整体送转三坐标测量室测量，如果测量合格转下道工序S5进行叶轮夹具的拆卸，测量不合格转上道工序S3即五轴联动加工进行维修；

S5.将测量合格的叶轮从夹具上拆卸，完成整个加工步骤。

在上述技术方案的基础上，在三轴数控加工及五轴数控粗加工中，S1之前先选择合理的加工策略，在PowerMILL10.0编程软件中的策略选取器中选用偏置区域清除模型策略进行加工。

在上述技术方案的基础上，所述S3中第一步采用刀具逐渐加长的方法具体为，选择R6球头刀，当刀具伸出50-60mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1400-1600转/分钟，切削速度为700-800mm/分钟，切削深度为1.1-1.3mm，刀具行距3-3.5mm；

当刀具伸出70-75mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1200-1300转/分钟，切削速度为600-700mm/分钟，切削深度为1.0-1.1mm，刀具行距2.5-3mm；

当刀具伸出75-80mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1100-1200转/分钟，切削速度为600-700mm/分钟，切削深度为0.8-0.9mm，刀具行距2.5-3mm；最后得到余量为0.8mm的叶轮毛坯。

在S1利用专用夹具固定叶轮毛坯，首先将双头螺杆下端与夹具底板上的螺纹连接孔配合旋紧，双头螺杆穿过叶轮毛坯上的通孔，保证叶轮毛坯上的第二导向槽与夹具底板上放置在第一导向槽内的定 位键相配合；内六角头螺钉穿过第二沉头孔与叶轮毛坯上的螺纹孔相配合旋转并拧紧；将螺母旋转拧紧固定好叶轮毛坯及夹具底板；通用内六角螺钉穿过第一沉头孔，与机床工作台面键槽内的T型块配合将夹具底板正确固定到机床上，保证夹具底板前面与Y轴平行，通过找正确定找正用基准孔的位置，间接找到并确定叶轮毛坯的坐标系位置。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型采用普通三轴数控机床来去除大量余料，可以有效减少叶轮在五轴联动数控机床加工时间，最大限度的解决了五轴联动的数控机床加工价格昂贵，加工费用较高的问题；本实用新型在五轴联动数控机床开粗加工时，使用“3+2”模式定角度加工，可以有效避免因机床旋转轴的摆动幅度大，产生的机床稳定性越差，震动大，刀具磨损严重，刀具使用寿命降低等一系列难题；本实用新型的专用夹具使用四键定位，定位精确且加工时约束的自由度由原来的3个提升为6个，即实现全定位，使用键定位，装卸工件方便简单，省去更换工件后的重复找正，易于实现批量生产，有效提升整体叶轮的加工效率，夹具底板上找正基准孔的使用可以方便的确定整体叶轮的中心位置，无论新制造的还是返修加工的整体叶轮，另外在三坐标测量时亦可得到快速定位；本工艺方法有效提升钛合金整体叶轮的加工质量，易于实现批量加工，提高劳动效率，减少制造费用，且在加工中具有良好的安全性能；本工艺方法在加工整体叶轮时将三轴与五轴数控加工相结合，实施分阶段加工，刀具逐步加长，选择合理的加工策略和切削参数，有效减少了钛合金整体叶轮的加工时间，降低制造费用，提升加工质量。

附图说明

图1为本实用新型钛合金整体叶轮的结构示意图；

图2为本实用新型钛合金整体叶轮加工工艺流程图；

图3为本实用新型整体叶轮与组装夹具分解图；

图4为本实用新型整体叶轮、夹具、工作台面的装配图；

图5为本实用新型工艺改前后加工工时对比；

图6为本实用新型工艺改前后费用对比。

附图标记：1为叶轮毛坯，11为第二导向槽，12为螺纹孔，13通孔，2为专用夹具，21为夹具底板，211为第一导向槽，212为第一沉头孔，213为第二沉头孔，214螺纹连接孔，215找正基准孔，22为固定机构，221为双头螺杆，222为螺母，23为定位键，3为机床工作平台。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明。

一、加工如图1所示直径为360mm叶片长度为86mm轮毂最窄处为12mm叶片厚度为2mm的整体叶轮。

如图3所示的一种专用夹具，包括夹具底板21、垂直于夹具底板21且与夹具底板21固定连接的固定机构22，还包括起到连接作用的叶轮毛坯1和定位键23，所述夹具底板21上设置有从侧边向中间开口的第一导向槽211，所述定位键23装设在第一导向槽211内，所述叶轮毛坯1上对应开设有宽度相同的第二导向槽11，加工时与定位键23配合，所述夹具底板21上还开设有用于固定夹具底板21的第一沉头孔212和用于固定叶轮毛坯1、夹具底板21的第二沉头孔213，所述叶轮毛坯1的下部对应设置有螺纹孔12，所述固定机构22包括双头螺杆221和螺母222，所述双头螺杆221穿过叶轮毛坯1中部开设的通孔13与夹具底板21连接，所述夹具底板21中间开设 有螺纹连接孔214，所述通孔13与螺纹连接孔214同心，所述夹具底板21上还设置有找正基准孔215，所述找正基准孔215到夹具底板21中心的X方向的距离为230mm，Y方向的距离为210mm。

所述夹具底板21的板面为长方形，所述第一导向槽211开设在每个侧边的中间，所述第一沉头孔212位于靠近板面21的拐角处，所述第二沉头孔213位于两第一导向槽11之间且靠近螺纹连接孔214，所述找正基准孔215位于第一沉头孔212与第一导向槽211之间且靠近夹具底板21的一侧边，所述叶轮毛坯1与夹具底板21采用内六角螺钉固定，所述夹具底板21与机床工作台面3采用内六角螺钉固定。

利用上述专用夹具制作钛合金整体叶轮的数控高效加工方法，按以下步骤进行：

S1.将整体叶轮毛坯1预加工出与夹具底板21相一致的第二导向槽11，再将双头螺杆221下端与夹具底板21的螺纹连接孔214配合旋紧，双头螺杆221穿过叶轮毛坯上的通孔13，保证叶轮毛坯1上的第二导向槽11与夹具底板21上放置在第一导向槽211内的定位键23相配合；内六角头螺钉穿过固定叶轮毛坯及夹具底板21用第二沉头孔213与叶轮毛坯1上的螺纹连接孔214相配合旋转并拧紧；将螺母222旋转拧紧固定好叶轮毛坯1及夹具底板21；通用内六角螺钉穿过固定夹具板及工作台面第一沉头孔212，与机床工作台面3键槽内的T型块配合将夹具底板21正确固定到普通三轴数控机床上，保证夹具底板21前面与Y轴平行，通过找正确定找正用基准孔215的位置，间接找到并确定叶轮毛坯1的坐标系位置；

S2.在普通三轴数控机床上将叶轮毛坯去除余料，选择D30*R5的刀具，三轴数控机床上的参数调整为主轴转速为2000转/分钟，切 削速度为2000mm/分钟，切削深度为0.35mm，刀具行距为10mm；

S3.将去除余料的叶轮毛坯移到五轴数控机床上：

第一步，粗加工叶轮毛坯，利用五轴联动数控机床“3+2”轴定角度加工的功能，对叶轮毛坯整体粗加工，采用刀具逐渐加长的方法进行加工，刀具选择R6球头刀：

当刀具伸出55mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1500转/分钟，切削速度为800mm/分钟，切削深度为1.2mm，刀具行距3mm；

当刀具伸出75mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1300转/分钟，切削速度为700mm/分钟，切削深度为1.0mm，刀具行距3mm；

当刀具伸出80mm时，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1200转/分钟，切削速度为600mm/分钟，切削深度为0.8mm，刀具行距3mm，最后得到余量为0.8mm的叶轮毛坯。

第二步，精加工叶轮的叶片，在PowerMILL10.0编程软件中的策略选取器中选用叶片精加工策略进行加工，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为6000转/分钟，切削速度为2500mm/分钟，切削深度为0.35mm，刀具行距为1mm，在精加工叶片时，叶片底部留出3-5刀，即：手工删除3-5条位于叶片底部的走刀线路轨迹；

第三步，叶片根部清角加工，加工策略是在叶片精加工及轮毂精加工策略的基础上进行修剪刀具路径得来，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1000转/分钟，切削速度为400mm/分钟，切削深度为0.1mm，刀具行距为0.3mm；

第四步，精加工叶轮的轮毂，在PowerMILL10.0编程软件中的 策略选取器中选用轮毂精加工策略进行加工，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为7500转/分钟，切削速度为3000mm/分钟，切削深度为0.1mm，刀具行距为1mm；

S4.将S3加工完成的叶轮进行三坐标测量：

将S3步骤加工完成后带有叶轮的专用夹具从五轴数控机床工作台面上卸下，再把叶轮和专用夹具整体送转三坐标测量室测量，如果测量合格转下道工序S5进行叶轮专用夹具的拆卸，测量不合格转上道工序S3即五轴联动加工进行维修；

S5.将测量合格的整体叶轮从专用夹具上拆卸，完成整个加工步骤。

本实施例中，在三轴数控加工及五轴数控粗加工中，S1之前先在PowerMILL10.0编程软件中的策略选取器中选用偏置区域清除模型策略进行加工。

由于加工过程中所使用的设备、加工条件以及加工工件的质量要求等技术条件的限制，切削参数的选择是有限制范围的，因此考虑了如下来自加工过程的约束条件：切削用量约束、刀具耐用度约束、表面粗糙度约束、切削力约束、切削功率约束、粗加工和精加工参数之间的关系约束，运用反复试验加工来优化加工参数，达到低成本、高效率和高利润率的经济加工。现在所使用的加工钛合金整体叶轮不同阶段的切削参数如下表：

表1.1钛合金整体叶轮数控切削参数表

二、钛合金整体叶轮加工工艺改进后的整体效果分析

钛合金整体叶轮加工工艺改进后与之前的加工方式相比较，所达到的效果优势主要有以下几点体现出来：

(1)提高了钛合金整体叶轮的加工效率

(2)降低了钛合金整体叶轮的加工成本

(3)改善了钛合金整体叶轮的加工质量

2.1加工效率的分析

在加工工艺路线确定之后，经过几十次的反复比较试验性加工，得出一套完整且是切实可行的切削工艺参数。该工艺与以往工艺的比较如表2.1、表2.2所示

表2.1工艺改进前、后对比一览表

从上表就能够清晰地看出工艺改进后，加工效率获得成倍提升，原因是改进了加工工艺流程、加工参数及加工策略。

2.2加工成本的分析

1)工艺改进前 

使用高速切削加工的参数(高转速、大进给、少吃刀量)的方式，造成刀具损耗严重。加工一只如图1所示钛合金整体叶轮所使用刀具费用见表2.2。

表2.2工艺改进前刀具费用表

目前，各类机床加工费用为：

三轴数控机床加工：40元/小时；五轴五联动数控机床加工：300元/小时；从表4.1中可以看出加工一只钛合金整体叶轮在五轴联动数控机床上的加工时间为70小时。

可以算出该叶轮的加工费用＝300×81＝24300元，可得出：加工成本＝加工费用+刀具费用＝24300+4550＝28850元。

(2)工艺改进后 

加工钛合金整体叶轮的加工方式如图2所示，切削参数如表1.1所示。工艺改进之后，加工一只如图1所示钛合金整体叶轮所使用刀具费用见表2.3。

表2.3工艺改进后刀具费用表

根据上面所提供的机床加工费用及表2.1所示实际加工时间情况可算出：该叶轮的加工费用＝40×5.5+300×32.5＝9970元，因此，总加工成本＝加工费用+刀具费用＝9970+2120＝11780元。

从上面一系列的计算数据可以看出，本次工艺改进后，不但缩短了钛合金整体叶轮的加工时间，同时大大降低了加工成本，如表2.1所示。按此方案加工能够增加生产效益。进一步说明了，本次所做的 加工改进是相对成功的。

2.3测量结果数据的分析

对工艺改进后所加工的整体叶轮进行了三坐标测量，其测量的数据报告见表2.4

表2.4三坐标测量数据

从三坐标测量数据表中可以看出，该钛合金整体叶轮的加工精度完全符合加工要求。

本实用新型不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种用于钛合金整体叶轮的数控高效加工方法的专用夹具，包括夹具底板、垂直于夹具底板且与夹具底板固定连接的固定机构，其特征在于：还包括起到连接作用的叶轮毛坯和定位键，所述夹具底板上设置有从侧边向中间开口的第一导向槽，所述定位键装设在第一导向槽内，所述叶轮毛坯上对应开设有宽度相同的第二导向槽，加工时与定位键配合，所述夹具底板上还开设有用于固定夹具板的第一沉头孔和用于固定叶轮毛坯、夹具板的第二沉头孔，所述叶轮毛坯的下部对应设置有螺纹孔，所述固定机构包括双头螺杆和螺母，所述双头螺杆穿过叶轮毛坯中部开设的通孔与夹具底板连接，所述夹具底板中间开设有螺纹连接孔，所述通孔与螺纹连接孔同心，所述夹具底板上还设置有找正基准孔。

2.根据权利要求1所述的专用夹具，其特征在于：所述夹具底板的板面为正方形或长方形，所述第一导向槽开设在每个侧边的中间，所述第一沉头孔位于靠近板面的拐角处，所述第二沉头孔位于两第一导向槽之间且靠近螺纹连接孔，所述找正基准孔位于第一沉头孔与第一导向槽之间且靠近夹具底板的一侧边。

3.根据权利要求1所述的专用夹具，其特征在于：所述叶轮毛坯与夹具底板采用内六角螺钉固定。

4.根据权利要求1所述的专用夹具，其特征在于：所述夹具底板与机床工作台面采用内六角螺钉固定。

5.根据权利要求1所述的专用夹具，其特征在于：所述找正基准孔到夹具底板中心的X方向的距离为夹具底板长度的6/8-7/8，Y方向的距离为夹具底板宽度的6/8-7/8。