CN104439452B - 一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，包括以下步骤：1)粗铣锥形回转体的内曲面；2)对锥形回转体进行热处理，圆度变形控制在2mm以内；3)半精铣锥形回转体的内表面，内表面留余量1±0.3mm；4)对锥形回转体进行人工时效，消除锥形回转体粗铣和半精铣中产生的应力；5)精铣锥形回转体的内表面，使壁厚达到设计尺寸。本发明增加半精铣工序、人工时效工序以及合理分配加工余量，解决了锥形回转体的零件变形、壁厚不均匀和圆度差的问题；通过对切削参数和刀轨路径设计提高了产品的加工效率，零件的加工效率提高2～3倍，零件合格率从70％提高到了97％以上。

Description

一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法

技术领域

本发明属于铣削加工领域，特别涉及一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法。

背景技术

目前主要采用骨架蒙皮铆接、铸造、化学铣削、熔焊、整体锻造或者搅拌摩擦焊等技术制造大型薄壁锥形回转体类零件。

大型锥形回转体制造工艺水平和制造装备能力提出了更新升级与低成本制造要求，大型整体锥形回转体的制造除了要满足结构轻质，还必须具备良好的综合力学性能，目前，采用网格筋内形曲面的大型锥形回转体已成为产品设计首选的一种结构类型。通常采用锻造毛坯+机械加工的方式进行制造，对于大尺寸开放型的大型网格筋曲面和内型空间很大的内形网格筋曲面，主要是采用数控铣加工方式去除材料余量，而加工空间与主轴干涉的小型网格筋曲面，可以用化学铣的方式加工，但化学铣对环境污染较大，通常情况下不采用，数控铣加工内网格曲面成为首选的加工方法。

因此，在航天制造业，对于大型锥形回转体的内网格曲面的加工主要采用整体锻造毛坯，通过铣削加工进行产品的制造。

锥形回转体的内网格曲面加工特征具有以下特点：

(1)带有内网格曲面的锥形回转体零件本身直径大、壁薄、外圆面上开口多、高度高、刚性弱，易产生变形；

(2)锥形回转体内形由大面积的内网格曲面组成，材料去除量很大，传统加工方法采用球头刀加工曲面，加工效率低下，而采用圆鼻刀加工存在表面粗糙度达不到设计的要求；

(3)大型内网格曲面加工单元为网格状，拐角数量多，刀具换向频繁，在网格周边四处拐角处主轴受到较大冲击，主轴振动幅度大，易造成啃刀；

(4)内网格曲面分隔筋与曲面高度差大小不一。高度落差大，加工时刀具悬出量较大，侧壁清根时采用的刀具直径偏小，刀具刚性差，易发生刀具折断，零件啃刀受损；

(5)材料去除主要集中在铣削加工中，铣削量较大，加工中存在热应力和切削应力；

内网格曲面一般存在于壁厚小于4mm，直径大于Φ900mm、高度大于400mm的大型锥形回转体中。

现有的锥形回转体的内网格曲面的加工方法如下：

(1)热处理工序安排在粗车内、外形之后，铣削之前；

(2)加工流程分为粗铣、精铣工序，采用加工中心铣内锥曲面的方式进行铣削；

(3)内网格曲面加工以圆鼻刀进行粗铣，以球头刀进行曲面精铣；

(4)侧壁清根采用球头刀，最终采用钳工打磨的方式进行清根。

热处理之前未对大的材料去除区域进行粗铣，导致粗铣内网格曲面后变形较大，部分零件由于变形超出加工余量，还需增加内撑校正的工序内容；内网格曲面粗、精铣之间没有人工时效工序安排，粗铣后的应力未充分释放，精铣时变形量控制困难，直接影响到此类零件壁厚尺寸精度；铣削加工量分配不合理，导致修正变形时出现修正余量不够，零件壁厚不均匀、圆度差，无法保证使用要求；精铣时采用球头铣刀进行加工，加工效率低，加工周期长；侧壁清根时由于刀具伸长量较大，极易断刀，且换刀后重新对刀，误差大，也较浪费时间；内网格曲面拐角处速率控制不理想，产生啃刀现象。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，用于将整体锻造的毛坯加工成型为多开口内网格曲面的薄壁锥形回转体零件，零件变形小，尺寸精度高，能有效提高加工效率，解决现有加工方法存在的变形大、壁厚不均匀、内网格曲面拐角啃刀、侧壁清根采用钳工打磨导致的加工周期长、加工质量难以保证的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，包括以下步骤：

1)粗铣锥形回转体的内曲面：将内曲面划分为网格状结构，网格状结构主要由多个待加工块组成，每个待加工块均包括陡峭加工区和平行加工区，陡峭加工区包围平行加工区；先对陡峭加工区进行粗铣，刀具选用圆鼻铣刀，使陡峭加工区形成类长方形的沟槽，沟槽内所围的区域为平行加工区，相邻的沟槽之间形成锥形回转体的内筋条；陡峭加工区采用深度方向分层顺时针加工，每次切深2.5mm～3.5mm；然后对类长方形沟槽所围区域内的平行加工区进行粗铣，平行加工区采用与内表面曲率变化方向一致的加工方向进行分层加工，刀具选用直齿铣刀，每次切深2.5mm～4mm，切宽为直齿铣刀的直径的50％；陡峭加工区和平行加工区均留余量3±0.3mm；

2)对锥形回转体进行热处理，圆度变形控制在2mm以内；

3)半精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，陡峭加工区和平行加工区均内表面留余量1±0.3mm；

4)对锥形回转体进行人工时效处理，消除锥形回转体粗铣和半精铣中产生的应力；

5)精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，使壁厚达到设计尺寸。

优选地，步骤3)中，陡峭加工区采用深度方向顺时针加工，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。

优选地，步骤5)中，陡峭加工区采用深度方向顺时针加工，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。

优选地，步骤1)中，粗铣时主轴转速为8000～10000r/min，进给速度为4500～5500mm/min，每次切深为2～3mm，切宽为3～5mm。

优选地，步骤3)中，半精铣时主轴转速为12000～15000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。

优选地，步骤5)中，精铣时主轴转速为12000～16000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明先将锥形回转体的内表面划分为陡峭加工区和平行加工区，先对锥形回转体进行较大的材料去除，粗铣内网格曲面后变形较小，变形不会超出加工余量；

2)增加半精铣工序、人工时效工序以及合理分配加工余量，解决了锥形回转体的零件变形、壁厚不均匀和圆度差的问题；

3)通过对切削参数和刀轨路径设计提高了产品的加工效率，零件的加工效率提高2～3倍，零件合格率从70％提高到了97％以上；

4)本发明解决现有加工方法存在的加工效率低、壁厚不均匀、网格曲面表面颤纹大、加工中刀具易断裂啃伤零件等问题，提高了零件质量，缩短了制造周期。

附图说明

图1是本发明中锥形回转体的主视图；

图2是本发明中粗铣锥形回转体时划分的陡峭加工区和平行加工区；

图3是本发明中锥形回转体加工完成后的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，包括以下步骤：

1)粗铣锥形回转体的内曲面：毛坯件内表面本来是光滑的，并没有网格，因此需要先将内曲面划分为网格状结构，网格状结构主要由多个待加工块组成，每个待加工块均包括陡峭加工区1和平行加工区2。先对陡峭加工区1进行粗铣，刀具选用圆鼻铣刀，使陡峭加工区形成类长方形的沟槽，即陡峭加工区1相当于是沟槽加工区。每个类长方形的沟槽所包围的材料为平行加工区2，相邻的沟槽之间形成锥形回转体的内筋条3，陡峭加工区1采用深度方向分层顺时针加工，每次切深2.5mm～3.5mm，然后对沟槽所围区域的平行加工区2进行粗铣；平行加工区2采用与内表面曲率变化方向一致的加工方向进行分层加工，刀具选用直齿铣刀，每次切深2.5mm～4mm，切宽为直齿铣刀的直径的50％；陡峭加工区1和平行加工区2均留余量3±0.3mm；粗铣时主轴转速为8000～10000r/min，进给速度为4500～5500mm/min，每次切深为2～3mm，切宽为3～5mm。粗铣后，锥形回转体的内表面就粗步地形成一条条的内筋条3，平行加工区2在粗铣后就粗步形成了锥形回转体内壁上的一个个凹槽，此时内筋条3与凹槽粗步形成内网格曲面的结构，内网格曲面包括内筋条3的内表面、凹槽处的内表面(平行加工区2)及沟槽处的内表面(陡峭加工区)。

2)对锥形回转体进行热处理，圆度变形控制在2mm以内；

3)半精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，陡峭加工区和平行加工区均内表面留余量1±0.3mm；半精铣时，陡峭加工区1采用深度方向顺时针加工(操作人员站在加工中心隔离窗外观察时刀具的运动方向)，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区2采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。此时半精铣时主轴转速为12000～15000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。

4)对锥形回转体进行人工时效处理，消除锥形回转体粗铣和半精铣中产生的应力；

5)精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，使壁厚达到设计尺寸；陡峭加工区1采用深度方向顺时针加工(本发明中的顺时针方向均指工人操作时在加工中心的安全门外看刀具的运动方向)，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区2采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。此时精铣时主轴转速为12000～16000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。

综上所述，本方法的要点主要有以下几点：

(1)内网格曲面铣加工工艺流程设计；

1)粗铣锥形回转体的内表面，内表面留余量3±0.3mm；

2)热处理，要求圆度变形控制在2mm以内；

3)半精铣内表面，内表面留余量1±0.3mm；

4)人工时效：通过人工时效消除粗铣和半精铣加工中的应力；

5)精铣内表面，使壁厚达到设计尺寸。

(2)加工余量分配；

1)粗铣材料去除量不小于80％。

(3)铣削加工中的刀具选用要求：

(3.1)粗铣时，陡峭加工区刀具选用圆鼻铣刀，平行加工区刀具选用直齿铣刀；

(3.2)半精、精铣时，陡峭加工区刀具选用球头铣刀，平行加工区刀具选用圆鼻铣刀。

(4)内网格曲面铣削选择具有高速切削功能的五轴加工中心，切削参数选择范围见表1；

表1 切削用量选择范围

主轴转速r/min	进给速度mm/min	每次切深mm	切宽mm
				12000～16000	5000～6000	2.5～3.5	4～7
12000～15000	5000～6000	2.5～3.5	4～7
				8000～10000	4500～5500	2～3	3～5

(5)铣削加工路径设计；

(5.1)粗铣路径设计：

(5.1.1)加工区域划分：将锥形回转体的内表面分割成两种特征，四围定义为陡峭加工区1，中间曲面定义为平行加工区2。加工出陡峭加工区1，主要是为了形成内筋条3，划出内网格，以便于后续的半精铣和精铣，在后续的半精铣、精铣时，可以重点加工平行加工区2和内筋条3。

(5.1.2)加工顺序：先对陡峭加工区1进行材料去除处理，然后对平行加工区2进行处理；

(5.1.3)路径设计方法：

a)陡峭加工区1采用深度方向分层顺时针加工，作为优选，每次切深2.5mm～3.5mm；

b)平行加工区2采用与曲面曲率变化方向一致的加工方向进行分层加工，刀具选用直齿铣刀，作为优选，每次切深2.5～3.5mm，切宽为直齿铣刀的直径的50％。

(5.2)半精铣、精铣路径设计：

a)陡峭加工区1采用深度方向顺时针加工，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；

b)平行加工区2采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。

(5.3)刀具路径设计原则：

a)曲面中较长的边界线为走刀方向；

b)应以单条走刀路线最长为原则；对于曲率半径变化较大的曲面，应以最小曲率方向为走刀方向；

c)对于凹曲面，应该沿着其相对不凹的方向走刀；对于凸曲面，应该沿着其最凸的方向走刀。

所述加工步骤中，采用粗、半精、精铣工序，根据零件变形量对切削余量进行合理分配控制，并在最后工序中留1±0.3mm修正量以使壁厚达到设计尺寸。

本发明通过增加半精铣工序、人工时效工序以及合理分配加工余量，解决了零件变形，壁厚不均匀和圆度差的问题；通过对切削参数和刀轨路径设计提高了产品的加工效率，零件的加工效率提高2～3倍，零件合格率从70％提高到了97％以上。

以下结合一具体尺寸的锥形回转体来说明其加工方法，该锥形回转体的两端外圆直径分别为Φ983、Φ1192，零件高度设计为500mm，由整体环轧锻件加工成型，加工成型的锻件内表面没有筋条，内表面比较光滑。

对锥形回转体的整个加工过程包括：

(1)粗铣去大余量：

1.1)加工内曲格曲面，留余量3mm，选用刀具为：Φ20R0、Φ20R5；

1.2)加工各开口，周边余量3mm，选用刀具为：Φ10R0；

(2)热处理：要求圆度变形控制在2mm以内；

(3)锻件检测：超声波检测锻件质量；

(4)车削加工：车端面，端面及内外形余量1mm；

(5)半精铣加工：将零件前、后端外圆同轴度调整控制在Φ0.5mm以内；

(5.1)加工内形曲格曲面，内表面留余量1mm，刀具选用刀具为：Φ20R5；

(5.2)加工各开口至尺寸，刀具选用刀具为：Φ10R0；

(6)人工时效步骤：通过人工时效消除加工中的应力；

(7)车削：

(7.1)协调找正前后端框同轴度在0.2以内，根据零件的轴向尺寸和内、协调平两端面，轴向尺寸502mm，两端面平面度0.1mm，平行度0.2mm；

(7.2)以端面为基准，撑内孔，压内孔台阶，找正内孔跳动以内，端面跳动0.1以内，加工内孔、外形，加工单边剩余切削量1mm，壁厚尺寸5mm；

(8)精铣加工：将零件前、后端外圆同轴度调整控制在Φ0.2mm以内；

(8.1)加工零件内网格曲面，壁厚尺寸加工至设计尺寸。刀具选用刀具为：Φ20R5、Φ10R5；

(8.2)加工外圆面上开口，加工至设计尺寸，刀具选用Φ10R0；

(9)车削加工：

(9.1)以大端面为基准，压内孔台阶，找正内孔跳动以内，端面跳动0.05以内，压紧，协调尺寸，平大、小端面，轴向尺寸为500mm，端面平面度0.1mm，平行度0.2mm；

(9.2)以端面为基准，撑内孔，压内孔台阶，找正内孔跳动以内，端面跳动0.05以内，加工零件内、外形，壁厚尺寸3±0.2mm；

(9.3)加工端面密封槽到设计尺寸；

(10)对接孔加工步骤：

(10.1)以端面为基准，撑内孔，压内孔台阶，找上、下两端外圆同轴度在Φ0.05以内(四处对称点)，加工大小两端面所有对接孔。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)粗铣锥形回转体的内曲面：将内曲面划分为网格状结构，网格状结构主要由多个待加工块组成，每个待加工块均包括陡峭加工区和平行加工区，陡峭加工区包围平行加工区；先对陡峭加工区进行粗铣，刀具选用圆鼻铣刀，使陡峭加工区形成类长方形的沟槽，沟槽内所围的区域为平行加工区，相邻的沟槽之间形成锥形回转体的内筋条；陡峭加工区采用深度方向分层顺时针加工，每次切深2.5mm～3.5mm；然后对类长方形沟槽所围区域内的平行加工区进行粗铣，平行加工区采用与内表面曲率变化方向一致的加工方向进行分层加工，刀具选用直齿铣刀，每次切深2.5mm～4mm，切宽为直齿铣刀的直径的50％；陡峭加工区和平行加工区均留余量3±0.3mm；

2)对锥形回转体进行热处理，圆度变形控制在2mm以内；

3)半精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，陡峭加工区和平行加工区均留余量1±0.3mm；

4)对锥形回转体进行人工时效处理，消除锥形回转体粗铣和半精铣中产生的应力；

5)精铣锥形回转体的陡峭加工区和平行加工区，使壁厚达到设计尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：步骤3)中，陡峭加工区采用深度方向顺时针加工，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。

3.根据权利要求1所述的一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：步骤5)中，陡峭加工区采用深度方向顺时针加工，刀具选用球头铣刀，每次切深0.5mm～1mm；平行加工区采用宽行加工方法，刀具选用圆鼻铣刀，每次切深1mm～3mm，切宽为圆鼻铣刀的直径的50％～70％。

4.根据权利要求1所述的一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：步骤1)中，粗铣时主轴转速为8000～10000r/min，进给速度为4500～5500mm/min，每次切深为2～3mm，切宽为3～5mm。

5.根据权利要求1所述的一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：步骤3)中，半精铣时主轴转速为12000～15000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。

6.根据权利要求1所述的一种锥形回转体的内网格曲面高效铣削方法，其特征在于：步骤5)中，精铣时主轴转速为12000～16000r/min，进给速度为5000～6000mm/min，每次切深为2.5～3.5mm，切宽为4～7mm。