[发明专利]钛合金整体叶轮的数控加工方法及其配套工装夹具

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体来讲是一种钛合金整体叶轮的数控加工方法及其配套工装夹具。

背景技术

航空发动机作为飞行器的动力核心，是数目庞大的航空零部件中最为重要的一环,其零件的主要材料是钛合金和高温合金。钛合金零件多用于航空发动机的冷端部分(风扇和压气机等)，而高温合金零件主要应用在热端部分(涡轮机等)。

整体叶轮是航空、航天、航海发动机的关键部件,随着发动机性能要求的提高，整体叶轮的形状也更趋复杂，其特点是:叶片薄、扭曲大、叶片长、叶片间隔小。从叶轮材料上分析,钛合金被广泛地作为叶轮的材料,成为航空航天领域不断兴起的材料，但钛合金在机械加工中属于难加工材料。由于钛合金的导热系数很小(仅为铁的1/5、铝的1/14),切削时产生的切削热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,所以切削温度很高,会造成工件的烧灼,致使刀具材料软化加快刀具的磨损。

对于航空发动机上的整体叶轮经常运用于高速旋转情况下，加工质量对叶轮的性能有着重要的影响。为获得理想的动力学特征，叶轮叶片大都采用了大扭曲、叶片间隔小，同时，叶片厚度薄，切除量大，超过90％，加工中会出现大量的工艺性问题，且钛合金材料切削性能差，切削力大，切削热不易散发，韧性大造成容易粘刀，对刀具的磨损相当严重。钛合金整体叶轮加工难度如下：

(1)叶轮轮毂较窄，叶片相对较长同时还很薄，刚性低，加工过程中易发生振动和变形，使得整体加工难度增加。

(2)叶轮曲面为自由曲面，叶片扭曲严重，加工时极易产生干涉，加工难度高。

(3)在刀具伸出较长的情况下，刀具刚性差，容易弹刀，控制切削深度的同时保证加工效率较为困难。

(4)钛合金材料本身化学、物理、力学性能使其特别难于加工。变形系数较小，单位面积上的切削力大，容易产生弯曲变形，引起震动，加大刀具磨损并影响加工精度。

以上可以看出整体叶轮的粗加工量大，耗时多，数控加工工艺非常复杂，常规加工整体叶轮的方法是使用五轴联动数控机床，利用专门编制软件编制相应程序对其加工，大体分为叶片粗开槽、叶片粗加工、叶片精加工、轮毂粗加工、轮毂精加工几个步骤完成。

使用此常规方法，由于叶轮切除量超过90％，粗加工占用五轴机床加工时间相当长，约为整个加工时间的60％，所以加工效率低，加工成本高。另外，传统加工没有专用工装夹具，这样每加工一件整体叶轮，都需要重新定位，找正，辅助加工时间花费较多，加工效率较低，不利于批量生产。且这种定位方式限定的自由度较少(通常是3个自由度)，在加工大尺寸整体叶轮或加工难加工材料的叶轮时，由于所受切削力较大，易于发生工件移动，从而造成整个叶轮的报废，费时费力费材料，故存在严重的潜在隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种钛合金整体叶轮的数控加工方法及其配套工装夹具，可以有效减少钛合金整体叶轮的加工时间，降低制造费用，提升加工质量；其中专用工装夹具的使用很好的实现了整体叶轮的批量加工难题，提高了劳动效率，且有效提升了叶轮加工的质量，提高了制造的安全性能。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：钛合金整体叶轮的数控加工方法，按以下步骤进行：

S1.利用夹具将叶轮毛坯装夹并定位到普通三轴数控机床上；

S2.在普通三轴数控机床上将叶轮毛坯去除余料，选择D30*R5的刀具，三轴数控机床上的参数调整为主轴转速为1800-2300转/分钟，切削速度为1800-2300mm/分钟，切削深度为0.3-0.4mm，刀具行距为8-12mm；

S3.将去除余料的叶轮毛坯移到五轴数控机床上，并按照以下步骤进行加工：

第一步，粗加工叶轮毛坯，利用五轴联动数控机床“3+2”轴定角度加工的功能，对叶轮毛坯整体留粗加工，采用刀具逐渐加长的方法进行加工；

第二步，精加工叶轮的叶片，在PowerMILL10.0编程软件中的策略选取器中选用叶片精加工策略进行加工，选择R6球头刀，五轴数控机床上的参数调整为主轴转速为5800-6200转/分钟，切削速度为2300-2700mm/分钟，切削深度为0.3-0.4mm，刀具行距为0.7-1.5mm，在精加工叶片时，叶片底部留出3-5刀，即：手工删除3-5条位于叶片底部的走刀线路轨迹；