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的制作方法

日期:2019-04-16 00:54:37

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的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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)。
[0003] 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。
[0004] 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:
[0005] (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。
[0006] (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。 [0007] (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。
[0008] (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。
[0009] 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。
[0010] 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】
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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:
[0018] SI.利用夹具将叶轮毛坯装夹并定位到普通三轴数控机床上;
[0019] 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 削深度为〇. 3-0. 4mm,刀具行距为8-12mm ;
[0020] 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:
[0021] 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;
[0022] 第二步,精加工叶轮的叶片,在PowerMILLl0.0 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;
[0023] 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 ;
[0024] 第四步,精加工叶轮的轮毂,在PowerMILLlO.O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 ;
[0025] S4.将S3加工完成的叶轮进行三坐标测量:
[0026] 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;
[0027] S5.将测量合格的叶轮从夹具上拆卸,完成整个加工步骤。
[0028] 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,Sl之前先选择 合理的加工策略,在PowerMILLl0.0 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。
[0029] 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

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