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斜轴承孔加工工艺有哪些

所属分类:公司新闻    发布时间: 2020-10-20    作者:admin
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某复杂钛合金机匣是一种新型航空发动机上的重要承力部件。机匣内腔复杂大支板两端的精密斜轴承孔,主要功能是安装轴承,支撑锥齿轮轴组件旋转传递扭矩,是该零件精度.高、加工难度.大的部位,它的加工精度高低直接关系到整台航空发动机的质量。

该机匣为大型整体铸造钛合金机匣,具有尺寸大,壁薄易变形,结构复杂等特点。零件材料为铸造钛合金 ZTC4,具有较优良的高温强度和硬度,是典型的难加工材料,主要表现为:加工时刀、屑接触面积小、应力大,温度高,刀具粘结磨损、扩散磨损严重[1]。两处精密斜轴承孔尺寸精度、形位要求及表面质量要求极高,直径公差 0.015,圆柱度 0.005,同轴度 0.01,垂直度 0.01,表面粗糙度 Ra0.4 ~ 0.8。为了保证轴承孔加工质量,必须满足以下加工条件:零件装夹刚度好,机床定位精度高,刀具切削刚性好,.好能够采用磨削或精密高速车削加工。

两处轴承孔处于复杂狭窄异型支板腔内,轴线与基准平面成 18°夹角(图 2),受零件结构限制,无法进行磨削和车削,轴承孔加工精度不易保证。本文针对该机匣精密斜轴承孔复杂的结构形式,分析制定了角度头五轴加工、大长径比刀具一次装夹加工的方案开展试验研究,系统性的阐述了一种复杂精密斜轴承孔的加工方法。

1 、确定加工方案

通常航空发动机机匣上的轴承孔平行或垂直于机匣安装面,结构较为简单,不存在刀具柄部干涉问题,可采用精密卧式或立式加工中心加工,工件系统具有良好的切削刚性。而本文所述的机匣精密斜轴承孔为一种新型的轴承孔结构形式,轴线与基准平面成 18°夹角并处于复杂狭窄异型支板腔内,不适宜采用一般的轴承孔加工方法,需进一步分析研究加工方案。

两处斜轴承孔分别与某锥齿轮轴两端的 29# 轴承外环、30# 轴承外环配合,其中 29# 轴承孔可采用一般五轴加工中心加工,刀具悬伸长度较短,具有较好的加工刚性,加工难度较低。30# 轴承孔轴线与机匣端面.小间距为 21.5 mm,若采用一般五轴机床加工,刀杆直径应小于 Φ40 mm 以避开端面干涉,同时悬伸长度接近 310 mm,刀杆长径比大于 7mm,加工振动大,同类长径比镗刀主要用于加工铝镁零件。综合考虑精密轴承孔加工的经济性和可行性,结合生产实际,拟定了角度头五轴加工和大长径比刀具五轴一次装夹加工两种方案分别进行试验研究。

2、角度头五轴加工

角度头是数控加工中连接数控机床主轴和刀具的一种特殊刀柄,可以实现复杂结构件的一次性装夹多工序加工[2,3]。数控机床安装角度头后刀具旋转中心线与主轴中心线成角度加工工件,可以实现机床的立卧转换和任意角度的变换,增大机床的加工范围和适应性[4,5]。30# 轴承孔处于机匣狭窄内腔,首先考虑采用配置角度头的五轴加工中心加工,它的优势在于可以有效避让机匣狭窄内腔的结构干涉,不用定制价格高昂的加长刀具,降低了加工成本,且加工时刀具悬长较短,理论上应具有良好的加工刚性。

但是经过试验分析,发现采用角度头加工存在以下问题:

(1)由于机匣内腔狭窄,且有多处凸台干涉,只能选取较小规格的角度头加工,但小型角度头刚性较差,容易振刀,不适宜加工精密孔。

(2)角度头加工精度不是很高,除了考虑零件装夹找正误差、机床工作台或主轴重复定位误差等因素,还需要考虑角度头的定位误差,多重误差累积,导致加工精度下降。

(3)该角度头一般安装在立式五轴加工中心上,采用角度头加工完 30# 轴承孔后,一般的五轴加工中心不能实现在一次装夹的情况下完成 29# 轴承孔的加工,必须掉头重新装夹或更换加工设备,重复装夹找正误差大,不利于保证两轴承孔的同轴度要求。

1.2 大长径比刀具五轴一次装夹加工

1.2.1 加工前准备

为了实现 29# 轴承孔、30# 轴承孔一次装夹加工,必须选用各坐标轴(X、Y、Z、A 轴)行程足够大的精密卧式五轴加工中心。专用夹具应垫高确保加工29# 轴承孔时机床刀座不触碰工作台。并且为了.大程度提高零件装夹系统刚性,减小切削振颤,对机匣环腔进行了灌蜡处理。另外,由于加工轴承孔时刀具避开干涉后悬伸长度较大,铣削加工径向切削力大,加工振刀严重,采用镗削加工会更有利于保证轴承孔的位置精度。经过招标比质比价,选用了一款长径比较大的进口标准镗刀进行一次装夹镗削加工试验。

1.2.2 加工步骤

(1)粗镗去余量:首先采用双刃镗削刀具粗加工轴承孔。双刃镗刀刚性较好,双刃切削金属去除率较高,在大长径比刀具的大余量切削加工中,双刃镗刀切削稳定性和效率明显优于单刃镗刀,粗加工后孔壁与内端面单边留余量约 0.1 mm 用于精加工。

(2)精加工轴承孔内端面:轴承孔内端面为精密配合面,精度要求很高,内端面与孔垂直度要求0.01,表面粗糙度 Ra0.8。精加工时若采用镗刀一次加工轴承孔孔壁与内端面,由于镗刀片角度一般略小于 90°,不能满足端面垂直度要求,同时该端面径向宽度约 4 mm,加工时刀具切削刃接触面大,易振动,即使制造 90°非标镗刀片也无法保证加工精度。由此采用加长三面刃铣刀铣削轴承孔内端面,采用该方案加工,内端面与孔垂直度 0.01 基本可以满足要求,但 30# 轴承孔内端面上存在轻微振纹,表面质量略有不足。

(3)精镗轴承孔:采用加长单刃精镗刀精加工轴承孔。单刃镗刀仅一个切削刃绕中心旋转切削,切削刃与零件所有触点处于至中心等距的旋转圆周上,加工一致性好,有利于提高轴承孔尺寸精度和形位精度,而双刃镗刀两刃高度存在细微差异,在进行小切深的精密加工时切削稳定性不如单刃镗刀。通过调试优化加工参数,基本可以保证轴承孔直径尺寸及其同轴度、轮廓度要求,但 30# 轴承孔孔壁表面存在轻微振纹,表面质量略有不足。另外,两处轴承孔由于结构限制,加工时所采用的镗刀、三面刃型铣刀在进刀和退刀时,均须抬刀绕行或主轴定向进刀以避开干涉。

1.3 方案对比

通过对以上两种加工方案进行分析对比,发现采用配置角度头的设备加工,虽然刀具成本较低,但是角度头加工精度不足,刚性差,加工振动大,轴承孔的同轴度、轮廓度等各项技术要求均无法满足,受限于角度头的结构特点,该方案能改进优化的空间很小。而大长径比刀具五轴一次装夹加工的方案基本可以满足轴承孔各项技术要求,可行性很高。但是此方案仍有不足,必须进行一系列工艺试验,解决加工振颤的不良因素,进一步提高轴承孔加工质量。