论文部分内容阅读
[摘 要]美普惠公司某高压涡轮机匣，零件两端和内外型多处轴向槽直径属于不同轴基准，需要偏心加工，且零件结构复杂，内型有4处周向槽，为普惠公司最高级别受控KPC尺寸，外型均布有4处岛屿，在两端和内型中部轴向槽侧分布有多处孔和花边，由于结构原因加工有干涉，且部分位置需要刀具悬长较长，加工难度极大。本课题针对机匣零件转小批生产后，加工难度最大和加工效率较低的钻、铣加工进行优化，着重论述包括零件钻、铣加工工艺方法优化，刀具优化，加工程序方案优化三个方面，以及实际优化后加工数据对比和优化结论应用。
[关键词]普惠 高压涡轮机匣 钻铣加工 优化 效率
中图分类号：TP321+.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0324-01
1.零件简介
零件材料为AMS5663硬质高温合金，最大外径Φ905mm，高253.87mm，最小壁厚1.905mm，零件共有两个中心轴线，零件小端分布有129孔、120处花边；大端分布有两组共141孔和20处花边；内型面一处加强筋分布有两组共41孔和40处花边，另一处加强筋分布有20孔和20处径向花边及40处轴向花边。
上述所提到的两组内型面加强筋位置分别距离零件上表面127mm和90mm，加工刀具悬长较长，并且與大端、小端内安装边存在局部干涉，这样给刀具选择带来限制，同样也给加工方案确定提出难题。
2. 零件加工现状
2.1 主轴偏置弯头的应用
零件内型面H-H面上均布孔，由于零件上安装边与刀具局部干涉，无法直接加工，需要使用主轴偏置弯头进行加工，弯头为特殊定制，弯头与机床主轴连接的定位销子与弯头加工部位小主轴指向间角度非90度和180度，这样弯头每次安装后，需要在零件基准孔位置找正弯头小主轴中心，将找正的小主轴中心坐标值更改为基准孔坐标值，满足加工需求。每次由于弯头定位块安装有位置误差，偏置弯头的定位销与定位块的定位槽配合有误差，导致每次都需要重新找正坐标中心，加工使用弯头较繁琐，且精度不稳定，与安装和找正中心坐标操作水平和精确程度有一定关系，存在质量安全隐患。
2.2 零件内型面花边铣加工效率
加工No.65工序钻铣大端及内型孔和花边时，由于零件上安装边与零件内型H-H面花边之间几乎干涉，所以在刀具选择方面比较有局限性，由于加工设备DMU12P选择的刀柄是DV50BER16 150M，柄部直径Φ50，恰好可以绕过上安装边，这是在可以加工范围内选择的最大尺寸刀柄，但由于刀柄使用的是ER32规格的卡罐，这样也对加工使用刀具增加了限制，同时加工位置H-H面距离零件上表面为127mm。现有加工方案是DV50BER16 150M刀柄连接Φ20加长杆，Φ20加长杆使用ER16卡罐连接Φ10铣刀，铣加工H-H面40处花边，花边厚度8.4mm。由于加工余量较大，刀具悬长过长，导致加工中刀具让刀和振动严重，振动也导致刀具磨损加速，整组40处花边加工效率极低。
3.加工优化方案及效果
3.1 铣加工外型优化
针对零件外型铣加工部位余量特点，仍然使用Φ40R6尺寸刀具，换用更耐磨材质IC830的H400 RNHU 1205-HP 椭圆形刀片，此种刀片由于自身形状较特殊，可以分解一部分切削力，减少刀具受力的同时就减轻了刀具加工的磨损；也不会由于圆形刀片在转位后，新切削刃的左右两侧已使用过且磨损不均对刀片受力均匀性和自身强度、使用寿命的影响。经过对零件的试切，加工机匣外型切深可达到1.0-1.5mm，加工进给F150 ； 同时，也对数控程序走刀方式进行优化，将原纵向走刀改为横向沿圆周走刀，减少了程序空走刀时间和增大了刀具的有效切削面积。
加工刀具和数控程序优化后，加工参数提升了0.5倍，同时减少了程序空行程，每两个岛屿间型面粗加工时间由原8小时缩短为3.5小时，整体外型面粗加工节约加工时间18小时。
3.2 偏置弯头安装优化
经过对偏置弯头使用中定位特点的考虑，我们对定位块的结构和定位块与机床主轴连接方式进行了改进。
首先，将定位块中部定位槽改为圆形定位孔，这样改进的优点是定位圆孔直接与弯头角向定位销配合，几乎没有间隙，微小的间隙仍使用定位螺钉顶紧，优于原直槽结构定位，原定位槽与定位销配合有一定空间，需要螺钉顶紧，但是由于顶紧螺钉无法正好在弯头定位销法向进行顶紧，这样角向销在其它方向就有自由度，影响定位精度。
其次，将定位块与机床主轴连接结构进行改进，原结构采用长型孔连接，这样在利用弯头找正带找正弯头的时候可以进行小范围调整，因为现有弯头没有找正带，不需要后续人为调整，只需要一种可以每次都将弯头固定在一个位置的定位装置，所以将定位块两侧的连接孔改为圆形孔，两孔间距离和孔径值通过查找机床主轴设计图得到，这样通过以上两点对定位块的结构改进，可以做到将定位块固定在机床主轴的固定位置，安装偏置弯头时利用定位销与圆形定位孔配合，可以完全固定弯头的小主轴指向位置，这样只需要找正一次弯头小主轴中心位置，并将中心坐标进行记录，定位块在不使用弯头时也固定在机床主轴固定位置上，在以后每次使用时只需安装偏置弯头和输入中心坐标即可，省去了每次都要补偿不同坐标值的麻烦，也避免了由于操作误差对加工精度和质量的影响。
此种装夹方式，经过反复装夹弯头找正后验证，重复定位偏差最大0.02mm，不会影响零件的加工精度和质量。
3.3 大悬长刀具铣加工优化
针对H-H面花边铣加工，由于自身结构因素对刀具的限制，原有加工方式是使用Φ20加长杆装夹Φ10铣刀，悬长127mm，加工让刀和振动严重，为了保证加工尺寸和表面质量，经常是同一刀补值反复运行程序加工，而且有时反复走刀后加工尺寸仍然没有变化，加工效率低下，程序单次运行需要4.5小时，实际加工情况不同，要反复光刀6-7次，甚至更多。
根据零件的加工空间和加工部位尺寸，我们选用Φ50防震刀柄HM390-FTD-D050-5-22-15连接Φ50刀头DIN69871-50-SEM22X48X200C进行加工，在127mm的悬伸长度内刀柄均为Φ50，加工强度好于Φ20连接φ10铣刀效果，而且铣刀有效切削直径也增加了五倍，加工的金属去除率也增加了五倍，同时解决了加工振动问题，零件加工表面质量得到提高，可谓一举两得。
4.结论与成果
通过对铣加工的优化，椭圆形刀片应用大幅度提高金属去除率，提高加工效率；新型偏置弯头定位块结构的改进，提高加工质量同时降低加工风险；防震刀柄的应用，解决了反复光刀无法满足加工要求和加工振动的难题，同时也提升了加工效率。
综上述对，铣加工优化后整体加工时间缩短到202小时，加工效率提升31.76%，为零件转产按时交付提供了有力的技术保障。
[关键词]普惠 高压涡轮机匣 钻铣加工 优化 效率
中图分类号：TP321+.21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0324-01
1.零件简介
零件材料为AMS5663硬质高温合金，最大外径Φ905mm，高253.87mm，最小壁厚1.905mm，零件共有两个中心轴线，零件小端分布有129孔、120处花边；大端分布有两组共141孔和20处花边；内型面一处加强筋分布有两组共41孔和40处花边，另一处加强筋分布有20孔和20处径向花边及40处轴向花边。
上述所提到的两组内型面加强筋位置分别距离零件上表面127mm和90mm，加工刀具悬长较长，并且與大端、小端内安装边存在局部干涉，这样给刀具选择带来限制，同样也给加工方案确定提出难题。
2. 零件加工现状
2.1 主轴偏置弯头的应用
零件内型面H-H面上均布孔，由于零件上安装边与刀具局部干涉，无法直接加工，需要使用主轴偏置弯头进行加工，弯头为特殊定制，弯头与机床主轴连接的定位销子与弯头加工部位小主轴指向间角度非90度和180度，这样弯头每次安装后，需要在零件基准孔位置找正弯头小主轴中心，将找正的小主轴中心坐标值更改为基准孔坐标值，满足加工需求。每次由于弯头定位块安装有位置误差，偏置弯头的定位销与定位块的定位槽配合有误差，导致每次都需要重新找正坐标中心，加工使用弯头较繁琐，且精度不稳定，与安装和找正中心坐标操作水平和精确程度有一定关系，存在质量安全隐患。
2.2 零件内型面花边铣加工效率
加工No.65工序钻铣大端及内型孔和花边时，由于零件上安装边与零件内型H-H面花边之间几乎干涉，所以在刀具选择方面比较有局限性，由于加工设备DMU12P选择的刀柄是DV50BER16 150M，柄部直径Φ50，恰好可以绕过上安装边，这是在可以加工范围内选择的最大尺寸刀柄，但由于刀柄使用的是ER32规格的卡罐，这样也对加工使用刀具增加了限制，同时加工位置H-H面距离零件上表面为127mm。现有加工方案是DV50BER16 150M刀柄连接Φ20加长杆，Φ20加长杆使用ER16卡罐连接Φ10铣刀，铣加工H-H面40处花边，花边厚度8.4mm。由于加工余量较大，刀具悬长过长，导致加工中刀具让刀和振动严重，振动也导致刀具磨损加速，整组40处花边加工效率极低。
3.加工优化方案及效果
3.1 铣加工外型优化
针对零件外型铣加工部位余量特点，仍然使用Φ40R6尺寸刀具，换用更耐磨材质IC830的H400 RNHU 1205-HP 椭圆形刀片，此种刀片由于自身形状较特殊，可以分解一部分切削力，减少刀具受力的同时就减轻了刀具加工的磨损；也不会由于圆形刀片在转位后，新切削刃的左右两侧已使用过且磨损不均对刀片受力均匀性和自身强度、使用寿命的影响。经过对零件的试切，加工机匣外型切深可达到1.0-1.5mm，加工进给F150 ； 同时，也对数控程序走刀方式进行优化，将原纵向走刀改为横向沿圆周走刀，减少了程序空走刀时间和增大了刀具的有效切削面积。
加工刀具和数控程序优化后，加工参数提升了0.5倍，同时减少了程序空行程，每两个岛屿间型面粗加工时间由原8小时缩短为3.5小时，整体外型面粗加工节约加工时间18小时。
3.2 偏置弯头安装优化
经过对偏置弯头使用中定位特点的考虑，我们对定位块的结构和定位块与机床主轴连接方式进行了改进。
首先，将定位块中部定位槽改为圆形定位孔，这样改进的优点是定位圆孔直接与弯头角向定位销配合，几乎没有间隙，微小的间隙仍使用定位螺钉顶紧，优于原直槽结构定位，原定位槽与定位销配合有一定空间，需要螺钉顶紧，但是由于顶紧螺钉无法正好在弯头定位销法向进行顶紧，这样角向销在其它方向就有自由度，影响定位精度。
其次，将定位块与机床主轴连接结构进行改进，原结构采用长型孔连接，这样在利用弯头找正带找正弯头的时候可以进行小范围调整，因为现有弯头没有找正带，不需要后续人为调整，只需要一种可以每次都将弯头固定在一个位置的定位装置，所以将定位块两侧的连接孔改为圆形孔，两孔间距离和孔径值通过查找机床主轴设计图得到，这样通过以上两点对定位块的结构改进，可以做到将定位块固定在机床主轴的固定位置，安装偏置弯头时利用定位销与圆形定位孔配合，可以完全固定弯头的小主轴指向位置，这样只需要找正一次弯头小主轴中心位置，并将中心坐标进行记录，定位块在不使用弯头时也固定在机床主轴固定位置上，在以后每次使用时只需安装偏置弯头和输入中心坐标即可，省去了每次都要补偿不同坐标值的麻烦，也避免了由于操作误差对加工精度和质量的影响。
此种装夹方式，经过反复装夹弯头找正后验证，重复定位偏差最大0.02mm，不会影响零件的加工精度和质量。
3.3 大悬长刀具铣加工优化
针对H-H面花边铣加工，由于自身结构因素对刀具的限制，原有加工方式是使用Φ20加长杆装夹Φ10铣刀，悬长127mm，加工让刀和振动严重，为了保证加工尺寸和表面质量，经常是同一刀补值反复运行程序加工，而且有时反复走刀后加工尺寸仍然没有变化，加工效率低下，程序单次运行需要4.5小时，实际加工情况不同，要反复光刀6-7次，甚至更多。
根据零件的加工空间和加工部位尺寸，我们选用Φ50防震刀柄HM390-FTD-D050-5-22-15连接Φ50刀头DIN69871-50-SEM22X48X200C进行加工，在127mm的悬伸长度内刀柄均为Φ50，加工强度好于Φ20连接φ10铣刀效果，而且铣刀有效切削直径也增加了五倍，加工的金属去除率也增加了五倍，同时解决了加工振动问题，零件加工表面质量得到提高，可谓一举两得。
4.结论与成果
通过对铣加工的优化，椭圆形刀片应用大幅度提高金属去除率，提高加工效率；新型偏置弯头定位块结构的改进，提高加工质量同时降低加工风险；防震刀柄的应用，解决了反复光刀无法满足加工要求和加工振动的难题，同时也提升了加工效率。
综上述对，铣加工优化后整体加工时间缩短到202小时，加工效率提升31.76%，为零件转产按时交付提供了有力的技术保障。