CN104690490A - 一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法，包括根据机匣几何结构划分16个加工区域，选择双主轴车铣复合加工机床，确定切削刀具类型与大小、加工工艺参数和走刀方式，利用UG软件及其提供的Post Builder后置处理构造器规划出双主轴同时加工机匣内腔和外壁的刀具路径，并转化成用于华中数控HNC-848控制***可运行的七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令，本发明一次装夹定位即可完成复杂机匣的车铣复合切削、立式与卧式双主轴同时加工，提高了加工效率、有效地控制了加工变形，为国内航空发动机机匣类零件的数控加工提供整体解决方案。

Description

一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法

技术领域

本发明涉及数控加工领域，特别涉及一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法。

背景技术

发动机机匣是整个发动机的基座，其内部为主轴和叶片，外部连接各构件，包括油管、冷却管和控制***，机匣零件形状复杂、材料特殊，整体薄壁、最薄壁厚3.81mm，且材料切除率很高，导致机匣的车、铣加工工序极为复杂，目前一般先用立式数控车床对机匣的内外表面和前后的安装边、环形槽等部位依序进行粗车、半精车、精车加工，再用三轴数控铣床对机匣内外型面进行粗铣和安装孔边及径向孔的钻、扩、铰孔，最后再用五轴数控加工中心对内外型面腔槽、凸台、花边进行精铣加工和清根，这种传统的工艺共需三类不同设备，前后共12次在不同的设备上装夹和定位机匣，由此造成涉及设备多、工艺复杂，多次装夹导致辅助时间长、定位误差大，直接影响加工质量，同时整套工艺流程耗时368小时，效率极低。

发明内容

本发明的目的是针对现有整体机匣加工工艺复杂、加工效率低和加工变形大的问题，提供一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法：该方法遵循工序集中的加工原则，采用七坐标五联动双主轴车铣复合加工机床实现车铣复合切削、立卧双主轴同时加工发动机机匣的内外型面，把原来需要三类机床完成的粗铣、精车和精铣集中在一台机床上完成，为国内航空发动机机匣类零件的加工提供整体解决方案。

本发明提供一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法，其特征在于：该方法包含如下操作步骤：

步骤1：机匣零件的双主轴车铣复合加工工艺分析：机匣型面上分布有起加强作用的环形筋、安装管路的凸台和减轻重量的腔槽，且所述的腔槽在机匣内外型面上分布是一致的，可把加工区域划分为内外壁圆环面、腔槽和凸台共16个不同加工区域，采用机匣小端端面及小端外圆面定位、大端向上的一次性装夹方式，确定双主轴车铣复合加工工艺为双主轴同时粗铣内外壁腔槽、凸台间型面——>双主轴同时精车内外壁圆环面——>精铣内外壁各型面、清根；

步骤2：选择双主轴车铣复合加工机床，见附图1，该机床采用龙门式结构，横梁1上安装的立式主轴2可实现Y、Z坐标运动，右立柱4上安装的卧式主轴3可实现V、W坐标运动，主滑台6及安装其上的摇篮式回转台5可带动机匣7实现X坐标运动、A坐标摆动、C坐标回转，配置华中数控HNC-848双主轴控制***，可对航空发动机机匣内外型面同时进行垂直和横向两方向的车铣复合加工；

步骤3：确定刀具和切削参数：依据机匣的几何形状和尺寸选择刀具类型和大小，在尺寸允许的情况下选大直径刀具，以提高刀具刚度；主轴转速N＝1000*Vc/πD，进给速度Vf＝N*Z*Fz，式中D为刀具直径，Z为刀具齿数，切削速度Vc和每齿进给量Fz从刀具生产厂家提供的刀具切削参数表中选取，并根据对镍基高温合金件试切实验情况适当调整；

步骤4：利用UG软件规划数控加工刀具路径，并遵照机匣粗加工以提高加工效率为主、精加工重点是减少零件的加工变形的原则，在规划UG数控加工路线时将粗加工和精加工分开，具体要点如下：

(a)建立机匣零件的UG/CAM模型：在UG/CAM中建立粗加工CAM模型和精加工CAM模型，模型均应包括机匣几何体PART_MODEL、毛坯几何体PART_WRK，并通过装配的方法将二者组合成UG/CAM模型；

(b)规划双主轴同时粗铣内外型面的加工路线：立式主轴2依次铣削机匣内壁的大端环形腔槽、T型槽、小端柱面腔槽，同时卧式主轴3对应地依次铣削机匣外壁的大端环形腔槽、梅花凸台间型面、小端柱面腔槽；双主轴同时精车内外型面的加工路线：立式主轴2依次车削机匣内壁的大端圆锥面、小端圆柱面，同时卧式主轴3对应地依次车削机匣外壁的大端圆锥面、小端圆柱面；精铣内外型面的加工路线：单主轴精铣内外型面各腔槽、凸台端面和侧面轮廓、各环形腔槽连接部位以及清根；

(c)创建双主轴同时加工内、外壁型面的刀路文件：在UG CAM环境中采用多轴加工方式中的可变轴曲面驱动方法，加工几何体分别选择机匣的内外型面，检查几何体选择机匣外表面上的凸台，设置刀轴矢量方向，按照加工精度设定共用坐标轴C轴的步长，分别生成两个单主轴具有固定步长的腔槽铣削刀具路径8和9，见附图2；应用UG的Turning加工类型，生成两个单主轴圆环面车削刀具路径；

通过设定共同的加工投影区域和走刀方向信息，对所生成的两个单主轴刀具路径进行修剪，利用UG软件及其提供的Post Builder后置处理构造器，以共用坐标轴C轴为关键字，将两个分别以C、Y、Z和C、V、W为坐标轴的单主轴刀具路径文件合成以C、Y、Z、V、W为坐标轴的双主轴七坐标五联动CLS刀具路径文件；

(d)内外壁型面精铣刀具路径的设计：为保证加工精度，精铣采取单主轴加工方式，精铣外壁型面时使用卧式主轴3加工，精铣内壁型面时使用立式主轴2加工；对机匣型面腔槽采用可变轴曲面轮廓加工方式、利用边界和外形轮廓铣两种驱动方法，对机匣的固定角度凸台轮廓面采用固定轴铣加工方式、利用曲线和曲面驱动方法，而变角度凸台加工选择可变轴曲面轮廓加工方式、驱动方法为直纹面驱动方法，生成精加工刀具路径，其中外型梅花凸台间腔槽的刀具路径见附图3；对于各型面间因不同刀具、不同驱动方法而产生的接刀痕迹、残余材料或大的圆角，采用可变轴曲面轮廓加工方式、使用边界进行驱动方法，生成清根加工刀具路径，并按照CLS格式转化为刀具路径文件；

步骤5：生成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令：用机床配置的华中数控HNC-848双主轴控制***，通过向***输入机床结构参数、机床坐标系、各控制轴的原点、机床运动参数、N/C数据定义和圆弧定义、换刀命令信息，将步骤4产生的CLS刀具路径文件转变成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令，供双主轴车铣复合加工机床调用。

所述双主轴车铣复合加工方法能对发动机机匣同一部位的内壁型面和外壁型面同时加工。

所述双主轴数控指令格式为C…Y…Z…V…W…，以控制双主轴车铣复合加工机床实现七坐标五联动加工。

本发明的有益效果在于：

本发明应用七坐标五联动双主轴车铣复合加工机床，可使机匣加工工序更集中，加工工艺过程更简洁，一次装夹定位可以完成粗铣、精车、精铣和清根加工，减少反复装夹和调整的辅助时间，也提高了机匣的加工精度；所述双主轴车铣复合加工方法可对机匣同一部位的内壁、外壁同时加工，既直接缩短了加工时间，又有效减少薄壁机匣的加工变形，精车加工只需70小时，粗铣和精铣需152小时，节省航空发动机机匣加工时间40％，从加工方法和工艺上改变了制约机匣加工效率提高的瓶颈。

附图说明

图1为双主轴车铣复合加工机床及铣削状态示意图；

图2为双主轴同时粗铣机匣大端内外腔槽的刀具路径示意图；

图3为精铣机匣梅花凸台间的刀具路径示意图；

图中：1、横梁，2、立式主轴，3、卧式主轴，4、右立柱，6、主滑台，5、摇篮式回转台，7、机匣，8、内腔槽刀具路径，9、外腔槽刀具路径。

具体实施方式

1784M71P01型发动机燃烧室机匣，镍基高温合金INC0718材料，最大直径803.99mm、高293.88mm，毛坯重量190公斤，锻造件，先在FVL-1250VT型立车进行粗车加工，再用本发明提供的双主轴车铣复合加工方法加工，其操作步骤是：

步骤1：机匣零件的双主轴车铣复合加工工艺分析：机匣型面上分布有起加强作用的环形筋、安装管路的凸台和减轻重量的腔槽，且所述腔槽在机匣内外型面上分布是一致的，可把加工区域划分为内外壁圆环面、腔槽和凸台共16个不同加工区域，采用机匣小端端面及小端外圆面定位、大端向上的一次性装夹方式，确定双主轴车铣复合加工工艺为双主轴同时粗铣内外壁腔槽、凸台间型面——>双主轴同时精车内外壁圆环面——>精铣内外壁各型面、清根；

步骤2：选择双主轴车铣复合加工机床，见附图1，该机床采用龙门式结构，横梁1上安装的立式主轴2可实现Y、Z坐标运动，右立柱4上安装的卧式主轴3可实现V、W坐标运动，主滑台6及安装其上的摇篮式回转台5可带动机匣7实现X坐标运动、A坐标摆动、C坐标回转运动，配置华中数控HNC-848双主轴控制***，可对航空发动机机匣内外型面同时进行垂直和横向两方向的车铣复合加工，扩大了加工适应范围，提高加工效率；

步骤3：确定刀具和切削参数：依据机匣的几何形状和尺寸选择刀具类型和大小，在尺寸允许的情况下选大直径刀具，以提高刀具刚度；主轴转速N＝1000*Vc/πD，进给速度Vf＝N*Z*Fz，式中D为刀具直径，Z为刀具齿数，切削速度Vc和每齿进给量Fz从刀具生产厂家提供的刀具切削参数表中选取，并根据对镍基高温合金件试切实验情况适当调整；

步骤4：利用UG软件规划数控加工刀具路径：零件的加工路线由多道工序组成，每道工序又分成若干工步，每一个加工工步对应于UG/CAM的一个操作，加工工序中各工步顺序的设计、走刀路线的规划是UG数控程序设计的重要内容，直接影响到机匣的加工效率和加工质量；在规划UG数控加工路线时，机匣粗加工以提高加工效率为主，为精加工预留均匀的加工余量，精加工重点是减少零件的加工变形，保证零件的加工精度，宜采用高速铣削方式，具体要点如下：

(a)建立机匣零件的UG/CAM模型：在UG/CAM中建立粗加工CAM模型和精加工CAM模型，模型均应包括机匣几何体PART_MODEL、毛坯几何体PART_WRK，并通过装配的方法将二者组合成UG/CAM模型；

(b)规划双主轴同时粗铣内外型面的加工路线：立式主轴2依次铣削机匣内壁的大端环形腔槽、T型槽、小端柱面腔槽，同时卧式主轴3对应地依次铣削机匣外壁的大端环形腔槽、梅花凸台间型面、小端柱面腔槽；双主轴同时精车内外型面的加工路线：立式主轴2依次车削机匣内壁的大端圆锥面、小端圆柱面，同时卧式主轴3对应地依次车削机匣外壁的大端圆锥面、小端圆柱面；精铣内外型面的加工路线：单主轴精铣内外型面各腔槽、凸台端面和侧面轮廓、各环形腔槽连接部位以及清根；

(c)创建双主轴同时加工内、外壁型面的刀路文件：在UG CAM环境用多轴加工方式中的可变轴曲面驱动方法，加工几何体分别选择机匣的内外型面，检查几何体选择机匣外表面上凸台，设置刀轴矢量方向，使卧式主轴3与机匣外壁型面垂直、立式主轴2则与内环面素线平行，按照加工精度设定共用坐标轴C轴的步长0.2度，分别生成两个单主轴具有固定步长的腔槽铣削刀具路径8和9，见附图2；应用UG的Turning加工类型，生成两个单主轴圆环面车削刀具路径；

通过设定共同的加工投影区域和走刀方向信息，对所生成的两个单主轴刀具路径进行修剪，利用UG软件及其提供的Post Builder后置处理构造器，以共用坐标轴C轴为关键字，将两个分别以C、Y、Z和C、V、W为坐标轴的单主轴刀具路径文件合成以C、Y、Z、V、W为坐标轴的双主轴七坐标五联动CLS刀具路径文件；

(d)内外壁型面精铣刀具路径的设计：为保证加工精度，精铣采取单主轴加工方式，精铣外壁型面时使用卧式主轴3加工，精铣内壁型面时使用立式主轴2加工；对机匣型面腔槽采用可变轴曲面轮廓加工方式、利用边界和外形轮廓铣两种驱动方法，对机匣的固定角度凸台轮廓面采用固定轴铣加工方式、利用曲线和曲面驱动方法，而变角度凸台加工选择可变轴曲面轮廓加工方式、驱动方法为直纹面驱动方法，生成精加工刀具路径，其中外型梅花凸台间腔槽的刀具路径见附图3；对于各型面间因不同刀具、不同驱动方法而产生的接刀痕迹、残余材料或大的圆角，采用可变轴曲面轮廓加工方式、使用边界进行驱动方法，生成清根加工刀具路径，并按照CLS格式转化为刀具路径文件；

步骤5：生成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令：用机床配置的华中数控HNC-848双主轴控制***，通过向***输入机床结构参数、机床坐标系、各控制轴的原点、机床运动参数、N/C数据定义和圆弧定义、换刀命令信息，将步骤4产生的CLS刀具路径文件转变成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令，供双主轴车铣复合加工机床调用。

所述双主轴车铣复合加工方法时能对发动机机匣同一部位的内壁型面和外壁型面同时加工。

所述双主轴数控指令格式为C…Y…Z…V…W…，以控制双主轴车铣复合加工机床实现七坐标五联动加工。

本发明所涉及的“航空发动机匣加工用双主轴车铣复合加工机床”是申请人针对航空发动机机匣加工而提供的另一件设备发明，本申请人已先向国家知识产权局申报了专利(专利申请号：201420713615.4)，该设备是双主轴龙门式结构，可通过垂直和横向主轴对两个部位或两个型面同时加工。

Claims (3)

1.一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法，其特征在于：采用双主轴车铣复合加工机床对航空发动机机匣加工的方法分下列步骤进行：

步骤1：机匣零件的双主轴车铣复合加工工艺分析：机匣型面上分布有起加强作用的环形筋、安装管路的凸台和减轻重量的腔槽，且所述腔槽在机匣内外型面上分布是一致的，可把加工区域划分为内外圆壁环面、腔槽和凸台共16个不同加工区域，采用机匣小端端面及小端外圆面定位、大端向上的一次性装夹方式，确定双主轴车铣复合加工工艺为双主轴同时粗铣内外壁腔槽、凸台间型面——＞双主轴同时精车内外壁圆环面——＞精铣内外壁各型面、清根；

步骤2：选择双主轴车铣复合加工机床，该机床采用龙门式结构，横梁(1)上安装的立式主轴(2)可实现Y、Z坐标运动，右立柱(4)上安装的卧式主轴(3)可实现V、W坐标运动，主滑台(6)及安装其上的摇篮式回转台(5)可带动机匣(7)实现X坐标运动、A坐标摆动、C坐标回转运动，配置华中数控HNC-848双主轴控制***，可对航空发动机机匣内外型面同时进行垂直和横向两方向的车铣复合加工；

步骤3：确定刀具和切削参数：依据机匣的几何形状和尺寸选择刀具类型和大小，在尺寸允许的情况下选大直径刀具，以提高刀具刚度，主轴转速N＝1000*Vc/πD，进给速度Vf＝N*Z*Fz，式中D为刀具直径，Z为刀具齿数，切削速度Vc和每齿进给量Fz从刀具生产厂家提供的刀具切削参数表中选取，并根据对镍基高温合金件试切实验情况适当调整；

步骤4：利用UG软件规划数控加工刀具路径，具体要点如下：

(a)建立机匣零件的UG/CAM模型：在UG/CAM中建立粗加工CAM模型和精加工CAM模型，模型均应包括机匣几何体PART_MODEL、毛坯几何体PART_WRK，并通过装配的方法将二者组合成UG/CAM模型；

(b)规划双主轴同时粗铣内外型面的加工路线：立式主轴(2)依次铣削机匣内壁的大端环形腔槽、T型槽、小端柱面腔槽，同时卧式主轴(3)对应地依次铣削机匣外壁的大端环形腔槽、梅花凸台间型面、小端柱面腔槽；双主轴同时精车内外型面的加工路线：立式主轴(2)依次车削机匣内壁的大端圆锥面、小端圆柱面，同时卧式主轴(3)对应地依次车削机匣外壁的大端圆锥面、小端圆柱面；精铣内外型面的加工路线：单主轴精铣内外型面各腔槽、凸台端面和侧面轮廓、各环形腔槽连接部位以及清根；

(c)创建双主轴同时加工内、外壁型面的刀路文件：在UG CAM环境中采用多轴加工方式中的可变轴曲面驱动方法，加工几何体分别选择机匣的内外型面，检查几何体选择机匣外表面上的凸台，设置刀轴矢量方向，并按照加工精度设定共用坐标轴C轴的步长，分别生成两个单主轴具有固定步长的腔槽铣削刀具路径(8)和(9)；应用UG的Turning加工类型，可生成两个单主轴圆环面车削刀具路径；

通过设定共同的加工投影区域和走刀方向信息，对所生成的两个单主轴刀具路径进行修剪，利用UG软件及其提供的Post Builder后置处理构造器，以共用坐标轴C轴为关键字，将两个分别以C、Y、Z和C、V、W为坐标轴的单主轴刀具路径文件合成以C、Y、Z、V、W为坐标轴的双主轴七坐标五联动CLS刀具路径文件；

(d)内外壁型面精铣刀具路径的设计：为保证加工精度，精铣采取单主轴加工方式，精铣外壁型面时使用卧式主轴(3)加工，精铣内壁型面时使用立式主轴(2)加工；对机匣型面腔槽采用可变轴曲面轮廓加工方式、利用边界和外形轮廓铣两种驱动方法，对机匣的固定角度凸台轮廓面采用固定轴铣加工方式、利用曲线和曲面驱动方法，而变角度凸台加工选择可变轴曲面轮廓加工方式、驱动方法为直纹面驱动方法，生成精加工刀具路径；对于各型面间因不同刀具、不同驱动方法而产生的接刀痕迹、残余材料或大的圆角，采用可变轴曲面轮廓加工方式、使用边界进行驱动方法生成清根加工刀具路径，并按照CLS格式转化为刀具路径文件；

步骤5：生成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令：通过机床配置的华中数控HNC-848双主轴控制***，向***输入机床结构参数、机床坐标系、各控制轴的原点、机床运动参数、N/C数据定义和圆弧定义、换刀命令信息，将步骤4产生的CLS刀具路径文件转化成七坐标五联动双主轴同时加工的数控指令，供双主轴车铣复合加工机床调用。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法，其特征在于：所述双主轴车铣复合加工方法能对发动机机匣同一部位的内壁型面和外壁型面同时加工。

3.按照权利要求1所述的一种航空发动机机匣双主轴车铣复合加工方法，其特征在于：所述双主轴数控指令格式为C…Y…Z…V…W…，以控制双主轴车铣复合加工机床实现七坐标五联动加工。