减小整体闭式叶轮根部清角铣削振动的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航空、航天等高科技领域的整体闭式叶轮系、复杂箱体类等复杂结构系零件的具体制造工艺方法。
【背景技术】
[0002]随着航空、航天工业的不断发展，为了满足相关航空、航天器设备、部件高转速、高推重比、高功效、高性能的要求，在新型结构零部件设计中大量采用高性能、高功效的各型整体闭式叶轮系、复杂整体叶轮及复杂深型腔曲面系结构零部件。目前国外许多大推力比、高性能航空高端热交换系统工程的核心部件:风扇、压气机叶轮、涡轮均采用整体闭式、整体半闭式叶轮结构，相关产品整体重量大幅降低，推力比大大提高。整体半闭式、整体闭式叶轮加工的复杂性主要在于其:(一)叶片是复杂的曲面造型。曲面根据其形成原理课分为直纹曲面和非直纹曲面。(二)整体闭式、整体半闭式叶轮结构，如图1所示。无论整体闭式、整体半闭式叶轮的叶片是直纹曲面叶轮还是非直纹曲面叶轮，要将其轮毂、叶片、流道、叶轮帽盖在一个毛坯上一次加工完成，再加上叶片间流道狭窄、曲率大、叶片变壁厚并扭曲，尤其叶轮叶根部经过特殊设计，转角大多采用定R曲面转角、变R曲面转角或变曲率曲面转角结构，可以满足大推力比、高性能压气机叶轮系产品强度要求，其转角曲面要求型面光整、型面流线性好、尺寸误差小、面轮廓度误差小、精度高，加工叶轮根部时由于流道深而空间狭窄，两侧壁的转角曲面法向剖切面轮毂夹角有的< 90°，所以给整体闭式、整体半闭式叶轮数控加工的程序编制带来了很大困难，刀具极易与相邻曲面间根部转角形成较大的切削包容面，同时根部转角曲面易产生严重的切削震刀、过切、欠切甚至挖深以及刀具极易损坏等现象。
[0003]这些整体闭式叶轮系零件的出口直径Da彡Φ50πιπι、进口直径Dis彡Φ260πιπι、出口叶片高度^彡100mm、进口叶片高度HaS 12mm、叶片厚度最薄处Amin彡1.1mm、相邻叶片间最小距离LminS 6mm,叶片圆周分布其数量多12片，叶轮总高度H,& ^ 220mm,叶轮叶片与叶轮流道以Rl.5mm?R5mm转角大多采用定R曲面转角、变R曲面转角或变曲率全面转角结构。因此采用传统铣削工艺方法加工这种复杂根部曲面往往出现以下情况:
1、由于零件结构的复杂性，加工零件根部时刀轴矢量控制难度大，刀具极易与相邻叶片、流道发生干涉、碰伤零件。
[0004]2、切削纹理凌乱、流线性不好、阻力较大，影响后续工序(如动平衡性能、超转性能)及产品性能。
[0005]3、切削刀具的长径比大，刀具切削过程变形严重，切削叶轮根部时极易过切、欠切甚至严重挖深，从而造成根部曲面轮廓度误差较大，影响整体零件的动平衡性能和零部件工作的可靠性。
[0006]4、由于零件的流道空间狭小，切削刀具的长径比大，切削过程易产生严重的切削震动，导致切削刀具极易损坏(刀具崩刃、刀具折断)、易对零件已加工面精度造成影响，严重时会使零件产生废品，同时切削震动还影响切削效率以及设备运行的稳定性。
[0007]5、由于切削刀具的长径比大，切削过程易产生让刀(即刀具变形导致的切削不准确)，刀刃不易切入材料基体，导致切削硬化严重，刀刃容易钝化，影响切削性能，产生大量的切削热，受其影响，叶片曲面变形的趋势会增大。
[0008]整体叶轮系零件的清角数控铣削，以传统的铣削工艺技术方法不能满足其产品的要求。
【发明内容】
[0009]针对以上工艺中存在的问题，本发明的目的是要提供一种减小整体闭式叶轮根部清角铣削振动的工艺方法，该工艺方法能提高复杂深型腔曲面系零件的转角数控铣削型面质量、曲面轮廓精度及形面质量的稳定性以及切削效率。
[0010]本发明的技术方案:一种减小整体闭式叶轮根部清角铣削振动的工艺方法，在五轴联动加工中心设备上，采用0.2 ym?0.8 μ m超细或极细微粒的硬质合金刀具，对各类金属整体闭式叶轮系、复杂曲面整体叶轮及深型腔曲面系结构零部件进行铣削加工，并通过刀具结构、刀具切削轨迹、刀具进刀方法、进给方向、切削深度和刀具轴矢量参数的选择，粗、精加工加工余量的设置、参数的选用来实现。
[0011]所述刀具结构参数的选择:刀具齿数Z=3刃?5刃(单数)；刀具采用一级或三级锥度变径，变径转接处进行倒圆5mm < R < 60mm处理；刀具切削部位直径的选择:D/2=I^(Rxmin85%清角部位最小半径；刀尖角处倒圆0.5mm ( R1^ 5mm ;刀刃螺旋角β彡45°?60。。
[0012]所述刀具切削轨迹选择:刀具切削轨迹优化切入工件时，刀具切削轨迹以圆弧切线方向切入，切入圆弧R切入=1mm?20mm;步距方向切入以加工要素外切削刀具半径的0.6mm?1.5mm处切入，以根部曲面两外侧向心部铣削，每侧铣削宽度比例是转角型面比例的 65%。
[0013]所述粗、精加工加工余量的设置、参数的选用:半精加工余留量0.1mm?0.25mm ；精加工余留量0.03mm?0.15_。
[0014]所述刀具轴矢量参数的选择:加工刀具轴矢量沿刀具进给方向为前倾角(γ Λ§?)与曲面法向的夹角55° ( γ前倾彡88°，侧倾角(γ侧倾)0.3。( γ侧倾彡35°。
[0015]所述刀具进刀方法、进给方向、切削深度参数的选择:切削速度:v=20 m/min?85m/min，此外，加工时的进刀进给量:FZ< 0.02mm?0.35mm，切削深度:0.03mm Ap0.3mm,步距 e=0.05 mm ?0.30mm。
[0016]本发明的有益效果:
采用本工艺技术对整体闭式叶轮系、复杂曲面整体叶轮及复杂深型腔曲面系结构零部件铣削加工，实现了复杂结构系零件的制造工艺提升，保证了产品质量、性能及设计要求，提尚广品性能的稳定性。
【附图说明】
[0017]图1是整体闭式、整体半闭式叶轮结构的立体示意图；
图2是整体闭式叶轮的结构主视图；
图3是图2中沿C-C的剖视图； 图4是铣刀的结构示意图。
[0018]图中:δ.叶片厚度，D.刀柄直径，α.变径铣刀变径处的锥度6°，β.刀刃螺旋角，L.刀具长度，R.刀具球头半径。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0020]本发明的减小整体闭式叶轮根部清角铣削振动的工艺方法，是在五轴联动加工中心设备上，采用0.2 μ???0.8 μm超细或极细微粒的硬质合金铣刀刀具，对各类金属整体闭式叶轮系、复杂曲面整体叶轮及深型腔曲面系结构零部件铣削加工，通过对刀具结构、刀具切削轨迹、刀具进刀方法、进给方向、切削深度和刀具轴矢量参数的选择，粗、精加工加工余量的设置、参数的选用来实现的。
[0021]1、设备的选择
选用具有良好动态性及稳定性的五轴联动加工中心机床。
[0022]2、刀具的选择
O刀具材料选择0.2 μ???0.8 μm超细或极细微粒的硬质合金铣刀，以保证刀具的锋利性及切削性，提高刀具强度。
[0023]2)铣刀采用一级或三级锥度变径，变径转接处进行适当的技术处理，如转接处以R过渡:倒圆5mm彡R彡60mm。以提高刀具强度，减小切削震动。
[0024]3)刀具齿数Z=3刃?5刃(单数)。
[0025]4)刀刃螺旋角β彡45°?60°，其目的是减小径向切削力，减小切削震动，提高切削的稳定性。
[0026]5)刀尖角处倒圆0.5mm ( R1^ 5_，钝化刀尖，提高刀尖切削部位的强度及刀具寿命O
[0027]6)刀具切削部位直径的选择:D/2=I^ ( Rxmin85%清角部位最小半径。
[0028]3、合理优化切削轨迹
I)切削刀轨顺铣，以减小切削力、减小金属切削滑移、减小切削热、减小金属切削硬化、减小切削变形及切削刀具变形。
[0029]2)切削刀具轨迹单向切削，方向沿侧壁根部曲面上提，使切削刀具所受切削力最大程度转化为刀具轴向拉力，刀具的切削运动时拖刀切削运动。
[0030]3)切入工件时，刀轨以圆弧切线方向切入，提高切削刀具切入受力平稳性，切入圆弧R切人=1mm?20mm。
[0031]4)步距方向切入以加工要素外切削刀具半径的0.6mm?1.5mm处切入，以