CN114131289B - 高温合金机匣的环槽加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温合金机匣的环槽加工方法，环槽为扇形结构，包括以下步骤：粗加工，在高温合金机匣上依据设计需求确定加工区域，采用钻削对加工区域进行垂直钻孔，以去除大部分加工余量；第一次半精加工，采用立铣刀对钻削后的区域进行铣削加工，铣削至环槽的槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量；第二次半精加工，将球头铣刀伸入到环槽内进行铣削加工，铣削至环槽的槽底；精加工，采用球头铣刀对环槽进行精加工，获得环槽。本发明的高温合金机匣的环槽加工方法，依据不同的加工方式，采用不同的刀具，对环槽不同部位有针对性的加工，以实现环槽加工的新方法，提高了环槽的加工效率，并且获得的环槽满足尺寸和精度的要求。

Description

高温合金机匣的环槽加工方法

技术领域

本发明涉及高温合金机匣领域，特别地，涉及一种高温合金机匣的环槽加工方法。

背景技术

涡轮轴承座材料为镍基铸造高温合金K4169，该材料具有高温强度高、耐热性好、耐腐蚀性强等优点。但是，由于其热容性差、硬质点多等特性，导致切削性能极差。高温合金机匣的外形结构复杂，周边分布着三处深槽，其中围绕高温合金机匣外圆有两处环槽，两处环槽的槽宽均为6，槽深均为16，其中一个槽包络圆周170度环角，另一个槽包络圆周24度环角。第三个槽为直槽，平行于高温合金机匣的轴向，其槽宽为4，槽深为21。三处槽窄而深，且都是两头封闭，即使是环状，也不能采用车削加工，只能在多轴数控机床上对回转体进行四轴联动铣削加工。其加工效率很低，首批1个高温合金机匣在五轴数控机床大连柯德KMC800U上加工时间超过36小时，消耗数控刀具7把，刀具费用的超标。

发明内容

本发明提供了一种高温合金机匣的环槽加工方法，以解决现有的高温合金机匣的加工刀具磨损大，加工时间长的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种高温合金机匣的环槽加工方法，环槽为扇形结构，包括以下步骤：

粗加工，在高温合金机匣上依据设计需求确定加工区域，采用钻削对加工区域进行垂直钻孔，以去除大部分加工余量；

第一次半精加工，采用立铣刀对钻削后的区域进行铣削加工，铣削至环槽的槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量；

第二次半精加工，将球头铣刀伸入到环槽内进行铣削加工，铣削至环槽的槽底；

精加工，采用球头铣刀对环槽进行精加工，获得环槽。

进一步地，钻削加工的钻孔为多个，多个钻孔沿环槽周向排布，且相邻两个钻孔的孔口分离，相邻两个钻孔的孔内相通。

进一步地，相邻两个钻孔的中心线夹角为5.5°～6°。

进一步地，钻削采用Φ5.5钻头刀。

进一步地，第一次半精加工包括以下步骤：将高温合金机匣通过夹具安装在数控机床上，建立G54，安装立铣刀，立铣刀下行与高温合金机匣接触，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，同时铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第一层环槽，立铣刀沿Z轴退刀至安全距离，再向环槽进刀，转台带动高温合金机匣周向转动，同时立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第二层环槽，……，直至环槽的槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量。

进一步地，每一层环槽去除的层厚为2mm。

进一步地，立铣刀采用Φ5立铣刀。

进一步地，第二次半精加工包括以下步骤：安装球头铣刀，球头铣刀下行进入环槽内，处于在Z轴方向距离环槽底部1mm的位置，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第一层槽底，球头铣刀沿Z轴退刀安全距离，再向环槽底部进刀，与槽底接触，转台带动高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，通过铣削加工完成环槽的槽底加工。

进一步地，去除第一层槽底的厚度为1mm。

进一步地，球头铣刀采用Φ4的球头铣刀。

本发明具有以下有益效果：

本发明的高温合金机匣的环槽加工方法，包括粗加工、第一次半精加工、第二次半精加工和精加工。通过钻削对加工区域进行钻孔粗加工，以去除大部分的余量，减少后续铣削加工余量，以减小发生振刀现象。而且，在钻削过程中，钻头刀不受到径向力，只受到轴向力，减小了加工振动，消除了刀具因振动产生的崩刃和打刀现象，提高了刀具寿命。另外，钻孔为铣削加工提供排屑通道，改善排屑效果，减少刀具打刀现象，提高刀具寿命，并形成冷却液流通通道，改善铣削冷却效果。上述依据不同的加工方式，采用不同的刀具，对环槽不同部位有针对性的加工，以实现环槽加工的新方法，提高了环槽的加工效率，并且获得的环槽满足尺寸和精度的要求。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的高温合金机匣的环槽示意图；

图2是本发明优选实施例1的粗加工示意图；

图3是本发明优选实施例1的粗加工局部放大图；

图4是本发明优选实施例1的粗加工后的效果图；

图5是本发明优选实施例1的第一半精加工的起始位置；

图6是本发明优选实施例1的第一半精加工的终点位置；

图7是本发明优选实施例1的第一半精加工的立铣刀运动路线；

图8是本发明优选实施例1的第一半精加工后的效果图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明的高温合金机匣的环槽示意图；图2是本发明优选实施例1的粗加工示意图；图3是本发明优选实施例1的粗加工局部放大图；图4是本发明优选实施例1的粗加工后的效果图；图5是本发明优选实施例1的第一半精加工的起始位置；图6是本发明优选实施例1的第一半精加工的终点位置；图7是本发明优选实施例1的第一半精加工的立铣刀运动路线；图8是本发明优选实施例1的第一半精加工后的效果图。

如图1、图2和图3所示，本实施例的高温合金机匣的环槽加工方法，环槽为扇形结构，包括以下步骤：

粗加工，在高温合金机匣上依据设计需求确定加工区域，采用钻削对加工区域进行垂直钻孔，以去除大部分加工余量；

第一次半精加工，采用立铣刀对钻削后的区域进行铣削加工，铣削至环槽的槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量；

第二次半精加工，将球头铣刀伸入到环槽内进行铣削加工，铣削至环槽的槽底；

精加工，采用球头铣刀对环槽进行精加工，获得环槽。

本发明的高温合金机匣的环槽加工方法，包括粗加工、第一次半精加工、第二次半精加工和精加工。通过钻削对加工区域进行钻孔粗加工，以去除大部分的余量，减少后续铣削加工余量，以减小发生振刀现象。而且，在钻削过程中，钻头刀不受到径向力，只受到轴向力，减小了加工振动，消除了刀具因振动产生的崩刃和打刀现象，提高了刀具寿命。另外，钻孔为铣削加工提供排屑通道，改善排屑效果，减少刀具打刀现象，提高刀具寿命，并形成冷却液流通通道，改善铣削冷却效果。上述依据不同的加工方式，采用不同的刀具，对环槽不同部位有针对性的加工，以实现环槽加工的新方法，提高了环槽的加工效率，并且获得的环槽满足尺寸和精度的要求。

上述高温合金机匣采用高温合金K4169铸造而成。而且，加工的环槽的槽宽为6mm，深度为16mm，170°环角，属于难加工的深窄环槽。然而，对于难加工材料的粗加工，现有往往适用合金玉米铣刀，玉米铣刀较普通合金铣刀有更大的容屑槽和切削力，较小的前角和较大的倒角使玉米铣刀既可以受径向力，也可以受轴向力，适合大余量的粗加工。市场常见的玉米铣刀最小尺寸为Φ8，但是，本发明待加工的环槽的槽宽为6mm的深窄环槽，因此不适用合金玉米铣刀，只能选用合金铣刀。合金铣刀虽然具有硬度高的特点，但是对于难加工材料不适合用于粗加工，因为小直径刀具整体刚性不佳，加工过程容易产生振动加速夹具磨损，进而造成刀具崩刃或折断。另外，由于加工部位是环槽，必须要通过旋转高温合金机匣来实现进给，加工过程是个四轴联动的过程，刀具始终处于高温合金机匣的中心X0的位置，依靠A轴旋转来实现切削进给，高温合金机匣旋转同时，刀具的底刃进行切削，由于刀具底刃的中心是没有切削刃的，即使有切削刃，该点的线速度也为0，刀具在该点相当于发生的是挤削，此处还是刀具切削能力最薄弱的位置，同时A轴旋转进给的过程中，刀具同时受到轴向与径向力，且轴向力大于径向力，合金铣刀在轴向力与径向力的合力下，很容易产生振动而崩齿。因此，本发明的粗加工，创造性的通过钻削对加工区域进行钻孔，以去除大部分的余量，不会发生铣刀的崩齿问题。而且，钻头刀不受到径向力，只受到轴向力，减小了加工振动，消除了刀具因振动产生的崩刃和打刀现象。

如图2、图3和图4所示，本实施例中，钻削加工的钻孔为多个，多个钻孔沿环槽周向排布，且相邻两个钻孔的孔口分离，相邻两个钻孔的孔内相通。在170°的环槽上沿环槽周向钻削一排钻孔。由于，环槽是扇形结构，不同直径上对应的弧长不同，因此，为了通过钻削最大限度的去除余量，采用每间隔5.5°～6°钻削1个钻孔，这样可以保证相邻两个钻孔的孔口分开，但相邻两个钻孔的孔内相通。一方面，环槽内部两孔相通保证余量的最大去除率；另一方面，槽口处相邻两个钻孔的孔口隔开，保证了钻头不会向相邻孔飘移。虽然钻头在孔内会向相邻孔一方偏移，但是由于孔口是单独分开的，孔口对钻头起到了钻套的作用，保证钻头不会在孔内向相邻孔飘移。

本实施例中，相邻两个钻孔的中心线夹角为5.5°～6°。优选地，相邻两个钻孔的中心线夹角为5.87°。

优选地，钻削采用Φ5.5钻头刀。上述环槽的槽宽为6mm，钻削采用Φ5.5钻头刀，使得粗加工完成后，环槽的槽宽单边预留0.25mm的加工余量。

如图5、图6和图7所示，本实施例中，第一次半精加工包括以下步骤：将高温合金机匣通过夹具安装在数控机床上，建立G54，安装立铣刀，立铣刀下行与高温合金机匣接触，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，同时立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第一层环槽，立铣刀沿Z轴退刀至安全距离，再向环槽进刀，转台带动高温合金机匣周向转动，同时立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第二层环槽，……，直至环槽的槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量。

如图8所示，在难加工材料的加工过程中，数控刀具很容易因磨损或刚性不足而发生刀具让刀的现象。因此，需要进行刀具半径补偿才能达到加工尺寸精度的要求。但是数控机床的刀具补偿必须在直线段才能补进，一般通过左补G41和右补G42实现刀具的磨耗左右补偿和让刀补偿。数控机床的A/B/C转台旋转过程中是不能进行刀具补偿的。因为刀具没有在G17平面进行直线运动，也即刀具的X/Y坐标没有改变，即使数控程序中有左补G41或右补G42指令也是无效补偿。因此，通过将立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，也即机床转台带动高温合金机匣转台顺时针旋转了170°，此过程为联动过程，也即环槽加工过程是机床X方向移动和C转台的转动共同形成，虽然C转台旋转的过程不能加入刀补，但是在立铣刀从X-2.5上沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离至X2.5，可以进行刀具的补偿，从而解决了磨耗补偿的问题，也解决了环槽两侧加工不到的现象。

本实施例中，每一层环槽去除的层厚为2mm。上述环槽底面有一圈R2的圆角，采用Φ5立铣刀对环槽的上部直线段进行半精加工，环槽的深度为16mm，环槽上部完成14mm的加工，依据每一层环槽去除的层厚为2mm，环槽上部分为7次铣削。

本实施例中，立铣刀采用Φ5立铣刀。

本实施例中，第二次半精加工包括以下步骤：安装球头铣刀，球头铣刀下行进入环槽内，处于在Z轴上距离环槽底部1mm的位置，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第一层槽底，球头铣刀沿Z轴退刀至安全距离，再向环槽底部进刀，与环槽底部接触，转台带动高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，通过铣削加工完成环槽的槽底加工。由于环槽底面有一圈R2的圆角，因此，在加工环槽的下部，采用球头铣刀以加工出底面带有R2的圆角，完成环槽的槽底加工。

本实施例中，去除第一层槽底的厚度为1mm。

本实施例中，球头铣刀采用Φ4的球头铣刀。

实施例

实施例1

将专用夹具安装在五轴数控机床上，找正夹具定位中心设为G54 XY零点，找正夹具角向定为X轴正方向，将高温合金机匣安装在夹具定位圆上，固定夹紧，在G54中心找正零件外圆跳动需在0.01mm以内，找正高温合金机匣上表面设为G54 Z零点；

粗加工，在高温合金机匣上依据设计需求确定环槽的加工区域，加工的环槽的槽宽为6mm，深度为16mm，170°环角，在数控机床上安装Φ5.5钻头刀，采用Φ5.5钻头刀对加工区域进行垂直钻孔，在170°的环槽加工区域上沿环槽周向钻削一排钻孔，每间隔5.87°钻削1个钻孔，公钻削29个孔，使得相邻两个钻孔的孔口分离，相邻两个钻孔的孔内相通，以去除部分加工余量，Φ5.5钻头刀的转速为S1500，进给量为F70，环槽的槽宽单边预留0.25mm的加工余量；

第一次半精加工，安装Φ5立铣刀，并使Φ5立铣刀处于高温合金机匣的G54的X-2.5上，Φ5立铣刀下行与高温合金机匣接触，Φ5立铣刀铣削，进给量为F40，转速为S1200，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动170°，同时立铣刀沿X轴方向移动一个Φ5立铣刀的直径的距离5，从X-2.5至X2.5，通过铣削加工以去除厚度为2mm的第一层环槽，Φ5立铣刀沿Z轴退刀至Z100处，并使Φ5立铣刀处于高温合金机匣的G54的X-2.5上，Φ5立铣刀下行与环槽接触进行铣削，进给量为F40，转速为S1200，转台带动高温合金机匣周向转动，且Φ5立铣刀沿X轴方向移动一个Φ5立铣刀直径的距离至X2.5上，通过铣削加工以去除厚度为2mm的第二层环槽，……，直至完成第七层环槽的去除，使得槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量；

第二次半精加工，安装Φ4球头铣刀，并使Φ4球头铣刀处于高温合金机匣的G54的X-2上，Φ4球头铣刀下行进入环槽内，处于在Z轴上距离环槽底部1mm的位置，Φ4球头铣刀铣削，进给量为F20，转速为S1700，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，同时Φ4球头铣刀沿X轴方向移动一个Φ4球头铣刀的直径的距离4，从X-2至X2，通过铣削加工以去除厚度为1mm第一层槽底，Φ4球头铣刀沿Z轴退刀至Z100上，再向环槽底部进刀，Φ4球头铣刀与环槽底部接触进行铣削，进给量为F20，转速为S1700，转台带动高温合金机匣周向转动，同时Φ4球头铣刀沿X轴方向移动一个Φ4球头铣刀直径的距离至X2上，去除厚度为1mm第二层槽底，且两次Φ4球头铣刀铣削处理获得带有一圈R2的圆角的环槽槽底；

精加工，采用新的Φ4球头铣刀对环槽的槽壁进行精加工，进给量为F20，转速为S2000，获得环槽。

对比例1

与实施例1的区别为：

粗加工，安装Φ5立铣刀，并使Φ5立铣刀处于高温合金机匣的GD54的X0上，Φ5立铣刀下行与高温合金机匣接触，Φ5立铣刀进刀，进给量为F15，转速为S1200，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，通过铣削加工以去除厚度为1mm的第一层环槽，再向环槽进刀，进给量为F15，转速为S1200，转台带动高温合金机匣周向转动，通过铣削加工以去除厚度为1mm的第二层环槽，……，直至完成第十四层环槽的去除，使得槽底预留2mm和槽壁单边预留0.3mm的加工余量；

半精加工，安装Φ4球头铣刀，并使Φ4球头铣刀处于高温合金机匣的GD54的X0上，Φ4球头铣刀下行进入环槽内并与环槽底部接触，Φ4立铣刀进刀，进给量为F20，转速为S1700，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动，通过铣削加工以去除厚度为1mm第一层槽底，Φ4球头铣刀沿Z轴退刀至安全距离，再向环槽底部进刀，进给量为F20，转速为S1700，转台带动高温合金机匣周向转动，去除厚度为1mm第二层槽底，且两次Φ4球头铣刀铣削处理获得带有一圈R2的圆角的环槽槽底；

精加工，采用新的Φ4球头铣刀对环槽的槽壁进行精加工，进给量为F16，转速为S2000，获得环槽。

上述对比例1的环槽加工分析如表1所示。其中，采用Φ5立铣刀进行环槽上部直线段粗加工，每层铣1mm，须分14层铣削，每层铣削加工时间长(200x3.14÷360x170)÷15＝19.77分钟，14层粗加工时间19.77x14＝277min。采用Φ4球头铣刀进行环槽底部圆弧段半精加工，每层铣削加工时间长(200x3.14÷360x170x2)÷12＝49.42min，2层加工时间49.42x2＝98.85min。

表1对比例1的环槽加工分析

上述对比例1的环槽加工分析如表2所示。

表2实施例1的环槽加工分析

如表1和表2可知，实施例1的高温合金机匣的环槽加工方法，既提高了加工效率，又降低刀具的消耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高温合金机匣的环槽加工方法，所述环槽为扇形结构，其特征在于，包括以下步骤：

粗加工，在高温合金机匣上依据设计需求确定加工区域，采用钻削对加工区域进行垂直钻孔，所述钻削加工的钻孔为多个，多个所述钻孔沿所述环槽周向排布，且相邻两个所述钻孔的孔口分离，相邻两个所述钻孔的孔内相通，相邻两个所述钻孔的中心线夹角为5.5°～6°，以去除大部分加工余量；

第一次半精加工，将高温合金机匣通过夹具安装在数控机床上，建立G54，安装立铣刀，并使立铣刀处于高温合金机匣的G54的X轴半个立铣刀直径位置上，立铣刀下行与高温合金机匣接触，立铣刀铣削，进给量为F40，转速为S1200，数控机床上的转台带动高温合金机匣周向转动170°，同时立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除第一层环槽，立铣刀沿Z轴退刀至Z100处，并使立铣刀处于高温合金机匣的G54的X轴半个立铣刀直径位置上，立铣刀下行与环槽接触进行铣削，进给量为F40，转速为S1200，转台带动高温合金机匣周向转动，且立铣刀沿X轴方向移动一个立铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除厚度为2mm的第二层环槽，直至完成第七层环槽的去除，使得槽底预留2mm和槽壁单边预留0.2mm的加工余量；

第二次半精加工，安装球头铣刀，并使球头铣刀处于高温合金机匣的G54的X-半个球头铣刀直径位置上，球头铣刀下行进入环槽内，处于在Z轴方向上距离环槽底部1mm的位置，球头铣刀铣削，进给量为F20，转速为S1700，数控机床上的转台带动所述高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，通过铣削加工以去除厚度为1mm第一层槽底，球头铣刀沿Z轴退刀至Z100上，再向环槽底部进刀，球头铣刀与环槽底部接触进行铣削，进给量为F20，转速为S1700，转台带动高温合金机匣周向转动，同时球头铣刀沿X轴方向移动一个球头铣刀直径的距离，去除厚度为1mm第二层槽底，且两次球头铣刀铣削处理获得带有圆角的环槽槽底；

精加工，采用球头铣刀对环槽进行精加工，获得环槽。

2.根据权利要求1所述的高温合金机匣的环槽加工方法，其特征在于，

所述钻削采用Φ5.5钻头刀。

3.根据权利要求1所述的高温合金机匣的环槽加工方法，其特征在于，

所述立铣刀采用Φ5立铣刀。

4.根据权利要求1所述的高温合金机匣的环槽加工方法，其特征在于，

所述球头铣刀采用Φ4的球头铣刀。

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