鈦合金整體葉輪的數(shù)控高效加工方法及其配套工裝夾具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，具體來講是一種鈦合金整體葉輪的數(shù)控高效加工 方法及其配套工裝夾具。
【背景技術(shù)】
[0002] 航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力核心，是數(shù)目龐大的航空零部件中最為重要的一 環(huán)，其零件的主要材料是鈦合金和高溫合金。鈦合金零件多用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端部分 (風(fēng)扇和壓氣機(jī)等），而高溫合金零件主要應(yīng)用在熱端部分（渦輪機(jī)等）。
[0003] 整體葉輪是航空、航天、航海發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，整 體葉輪的形狀也更趨復(fù)雜，其特點(diǎn)是：葉片薄、扭曲大、葉片長(zhǎng)、葉片間隔小。從葉輪材料上 分析，鈦合金被廣泛地作為葉輪的材料，成為航空航天領(lǐng)域不斷興起的材料，但鈦合金在 機(jī)械加工中屬于難加工材料。由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很?。▋H為鐵的1/5、鋁的1/14)，切 削時(shí)產(chǎn)生的切削熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，所以切削溫度很 高，會(huì)造成工件的燒灼，致使刀具材料軟化加快刀具的磨損。
[0004] 對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的整體葉輪經(jīng)常運(yùn)用于高速旋轉(zhuǎn)情況下，加工質(zhì)量對(duì)葉輪的性 能有著重要的影響。為獲得理想的動(dòng)力學(xué)特征，葉輪葉片大都采用了大扭曲、葉片間隔小， 同時(shí)，葉片厚度薄，切除量大，超過90 %，加工中會(huì)出現(xiàn)大量的工藝性問題，且鈦合金材料切 削性能差，切削力大，切削熱不易散發(fā)，韌性大造成容易粘刀，對(duì)刀具的磨損相當(dāng)嚴(yán)重。鈦合 金整體葉輪加工難度如下：
[0005] (1)葉輪輪轂較窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)同時(shí)還很薄，剛性低，加工過程中易發(fā)生振動(dòng)和 變形，使得整體加工難度增加。
[0006] (2)葉輪曲面為自由曲面，葉片扭曲嚴(yán)重，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度高。 [0007] (3)在刀具伸出較長(zhǎng)的情況下，刀具剛性差，容易彈刀，控制切削深度的同時(shí)保證 加工效率較為困難。
[0008] (4)鈦合金材料本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能使其特別難于加工。變形系數(shù)較小，單位 面積上的切削力大，容易產(chǎn)生彎曲變形，引起震動(dòng)，加大刀具磨損并影響加工精度。
[0009] 以上可以看出整體葉輪的粗加工量大，耗時(shí)多，數(shù)控加工工藝非常復(fù)雜，常規(guī)加工 整體葉輪的方法是使用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，利用專門編制軟件編制相應(yīng)程序?qū)ζ浼庸?，?體分為葉片粗開槽、葉片粗加工、葉片精加工、輪轂粗加工、輪轂精加工幾個(gè)步驟完成。
[0010] 使用此常規(guī)方法，由于葉輪切除量超過90%，粗加工占用五軸機(jī)床加工時(shí)間相當(dāng) 長(zhǎng)，約為整個(gè)加工時(shí)間的60%，所以加工效率低，加工成本高。另外，傳統(tǒng)加工沒有專用工裝 夾具，這樣每加工一件整體葉輪，都需要重新定位，找正，輔助加工時(shí)間花費(fèi)較多，加工效率 較低，不利于批量生產(chǎn)。且這種定位方式限定的自由度較少（通常是3個(gè)自由度），在加工 大尺寸整體葉輪或加工難加工材料的葉輪時(shí)，由于所受切削力較大，易于發(fā)生工件移動(dòng)，從 而造成整個(gè)葉輪的報(bào)廢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)材料，故存在嚴(yán)重的潛在隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金整體葉輪的數(shù)控 高效加工方法及其配套工裝夾具，可以有效減少鈦合金整體葉輪的加工時(shí)間，降低制造費(fèi) 用，提升加工質(zhì)量；其中專用工裝夾具的使用很好的實(shí)現(xiàn)了整體葉輪的批量加工難題，提高 了勞動(dòng)效率，且有效提升了葉輪加工的質(zhì)量，提高了制造的安全性能。
[0012] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：鈦合金整體葉輪的數(shù)控高效加工方 法，按以下步驟進(jìn)行：
[0013] SI.利用夾具將葉輪毛坯裝夾并定位到普通三軸數(shù)控機(jī)床上；
[0014] S2.在普通三軸數(shù)控機(jī)床上將葉輪毛坯去除余料，選擇D30*R5的刀具，三軸數(shù)控 機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為1800-2300轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度為1800-2300mm/分鐘，切 削深度為〇. 3-0. 4mm，刀具行距為8-12mm ;
[0015] S3.將去除余料的葉輪毛坯移到五軸數(shù)控機(jī)床上，并按照以下步驟進(jìn)行加工：
[0016] 第一步，粗加工葉輪毛坯，利用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床"3+2"軸定角度加工的功能，對(duì) 葉輪毛坯整體開粗加工，采用刀具逐漸加長(zhǎng)的方法進(jìn)行加工；
[0017] 第二步，精加工葉輪的葉片，在PowerMILLl0.0 編程軟件中的策略選取器中選 用葉片精加工策略進(jìn)行加工，選擇R6球頭刀，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為 5800-6200轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度為2300-2700mm/分鐘，切削深度為0. 3-0. 4mm，刀具行距為 0. 7-1. 5mm，在精加工葉片時(shí)，葉片底部留出3-5刀，即：手工刪除3-5條位于葉片底部的走 刀線路軌跡；
[0018] 第三步，葉片根部清角加工，加工策略是在葉片精加工及輪轂精加工策略的基 礎(chǔ)上進(jìn)行修剪刀具路徑得來，選擇R6球頭刀，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為 900-1100轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度為380-420mm/分鐘，切削深度為0. 05-0. 15mm，刀具行距為 0. 2-0. 5mm ；
[0019] 第四步，精加工葉輪的輪轂，在PowerMILLl0.0 編程軟件中的策略選取器中選 用輪轂精加工策略進(jìn)行加工，選擇R6球頭刀，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為 7000-8000轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度為2800-3300轉(zhuǎn)/分鐘，切削深度為0. 05-0. 15mm，刀具行距 為 0· 7-1. 5mm ；
[0020] S4.將S3加工完成的葉輪進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量：
[0021] 將S3步驟加工完成后帶有葉輪的夾具從五軸數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)面上卸下，再把葉 輪和夾具整體送轉(zhuǎn)三坐標(biāo)測(cè)量室測(cè)量，如果測(cè)量合格轉(zhuǎn)下道工序S5進(jìn)行葉輪夾具的拆卸， 測(cè)量不合格轉(zhuǎn)上道工序S3即五軸聯(lián)動(dòng)加工進(jìn)行維修；
[0022] S5.將測(cè)量合格的葉輪從夾具上拆卸，完成整個(gè)加工步驟。
[0023] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，在三軸數(shù)控加工及五軸數(shù)控粗加工中，Sl之前先選擇 合理的加工策略，在PowerMILLl0.0 編程軟件中的策略選取器中選用偏置區(qū)域清除模型策 略進(jìn)行加工。
[0024] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述S3中第一步采用刀具逐漸加長(zhǎng)的方法具體為，選 擇R6球頭刀，當(dāng)?shù)毒呱斐?0-60mm時(shí)，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為1400-1600 轉(zhuǎn)/分鐘，切削速度為700-800mm/分鐘，切削深度為1. 1-1. 3mm，刀具行距3-3. 5mm ;
[0025] 當(dāng)?shù)毒呱斐?0-75mm時(shí)，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為1200-1300轉(zhuǎn) /分鐘，切削速度為600-700mm/分鐘，切削深度為I. 0-1. 1mm，刀具行距2. 5-3mm ;
[0026] 當(dāng)?shù)毒呱斐?5-80mm時(shí)，五軸數(shù)控機(jī)床上的參數(shù)調(diào)整為主軸轉(zhuǎn)速為1100-1200轉(zhuǎn) /分鐘，切削速度為600-700mm/分鐘，切削深度為0. 8-0. 9mm，刀具行距2. 5-3mm ;最后得到 余量為〇. 8mm的葉輪毛還。
[0027] -種實(shí)施鈦合金整體葉輪的數(shù)控高效加工方法的專用夾具，包括夾具底板、垂直 于夾具底板且與夾具底板固定連接的固定機(jī)構(gòu)，其特征在于：還包括起到連接作用的葉輪 毛坯和定位鍵，所述夾具底板上設(shè)置有從側(cè)邊向中間開口的第一導(dǎo)向槽，所述定位鍵裝設(shè) 在第一導(dǎo)向槽內(nèi)，所述葉輪毛坯上對(duì)應(yīng)開設(shè)有寬度相同的第二導(dǎo)向槽，加工時(shí)與定位鍵配 合，所述夾具底板上還開設(shè)有用于固定夾具底板的第一沉頭孔和用于固定葉輪毛坯、夾具 底板的第二沉頭孔，所述葉輪毛坯的下部對(duì)應(yīng)設(shè)置有螺紋孔，所述固定機(jī)構(gòu)包括雙頭螺桿 和螺母，所述雙頭螺桿穿過葉輪毛坯中部開設(shè)的通孔與夾具底板連接，所述夾具底板中間 開設(shè)有螺紋連接孔，所述通孔與螺紋連接孔同心，所述夾具底板上還設(shè)置有找正基準(zhǔn)孔。
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