盘件狭窄深腔的加工技术研究

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摘 要：课题主要围绕在生产实际中某零件研制任务展开。该零件是发动机上的关键零件，材料为高温合金，在高温状态下有良好的材料性能，属于难加工金属材料， 增加了机械加工难度。该零件是典型狭窄内腔结构盘件，是小直径薄壁辐板盘件，其外部薄壁斜面与辐板型面形成狭窄深腔结构，给机械加工带来很大难度，尤其在刀具结构选择方面须使用特殊结构深腔刀具加工。针对该零件机械加工，重点考虑在刀具选择和编制加工控制程序完成该零件的研制加工。

关键词：狭窄内腔；切削刀具；虚拟仿真

中图分类号：TH13 文献标识码：A

1 概述

随着我国航空业的发展，发动机的研制已成为我们生产中的重点，该零件是发动机上的关键件，零件材料为高温合金。该零件外圆尺寸小，结构复杂，其辐板与斜面构成的深腔结构给加工带来困难。通过对该零件机械加工研究，从刀具结构、切削用量、模拟加工和数控程序控制等方面进行分析、研究。掌握这种小直径深腔结构盘类件的加工技术，提升航空发动机盘类件的制造水平。

2 零件简介

2.1 零件结构特点

该零件是位于鼓筒组件中最后一级盘件，零件结构较特殊，在研制过程中深腔的数控加工控制和薄壁内腔转接R的加工是研制中难点。

2.2 零件的加工难点分析

（1）从零件的材料分析，属于镍基高温合金，在切削过程中，钼、铌、钛等金属元素使刀具产生磨损、破损等现象；材料中的镍、铬等金属元素使切屑不易被断开，切屑容易划伤零件，影响零件加工表面的质量；材料的导热性能较差，加工过程产生的切削热量不易散去，加工过程中硬化现象较严重，导致切削时刀具的粘接现象较为严重，刀具的磨损现象严重，耐用程度很低。

（2）从零件的设计结构及尺寸精度分析，该零件属小直径深内腔结构薄壁零件，其外径直径仅为φ346.2mm，零件辐板与安装边斜壁形成一个狭窄腔体，腔深为34mm，最窄处为4.5mm，腔体开口尺寸为18mm，安装边直径为φ246.76mm，辐板与轮毂交点处直径为φ167.8mm，开口处距离交点处位置39mm，且零件辐板和深腔内斜壁都是理论直径轴向控制点约束的，尺寸公差约束较严格。因此对刀具结构、刀杆强度、加工轨迹等方面均提出了较大挑战。深腔内加工余量大，腔体深，敞开性差，不利用排屑和加工中散热，对腔内深处加工表面质量有一定影响。

3 零件的数控加工

3.1 刀具结构的选择

对于狭窄腔体结构而言，须使用非标刀杆加工。因研制条件有限，本案在现有条件下借用加工类似结构盘件的专用刀具进行修磨后使用。但对于加工狭窄腔体而言，借用R3.075半径的刀具稍有不适，刀具与狭窄腔体的接触面积过大，产生的切削力也大，不利于狭窄深腔的加工。

在加工中改磨刀具（车床刀具）是普遍做法，主要是防止刀具与被加工零件发生干涉，在不影响刀具强度的前提下去掉与零件或与夹具干涉的部位，主要以试切法为主，随着加工过程中刀具的运行，找出与零件干涉的部位，根据操作者的主观认识改磨，再重新对刀试加工后观察是否与零件干涉，如此反复多次，才能将刀具改磨合适，满足加工需求。

该方式效率低且无准确性，并且要求试切的零件敞开性好，可以用肉眼观察到刀具的干涉部位。对狭窄深内腔结构而言是不可行的，刀具伸入腔内后就无法被观察到是否干涉，因此，无法实现试切法改磨刀具。加工此种零件只能在加工零件前将刀具改磨合适。

定量判断刀具干涉的方法有很多，在UG或VERICUT下建模也可判断，但不免繁琐，本案使用一种新的判断方法，在CAD制图软件中创建零件三维实体，通过面域拉伸创建三维仿真刀具结构，并利用三维布尔运算，找到差集，利用三维动态观察找出刀具干涉部位，并实际测量干涉尺寸大小，简单快捷又准确。

3.2 刀具切削用量的选择

在加工狭窄内腔时，由于内腔封闭，腔内余量大，不能采用分层轮廓切削，该零件使用“插式分层法切削”，根据刀具切削时Kr角度来判断刀具切削的深度，当Kr角度大于65度时，会出现巨大响声，刀具近乎切削极限，此时容易出现打刀、挖刀现象，若在腔深处，刀具伸出距离较长，刀具振动严重，容易出现振纹，因此将刀具加工时Kr角度控制在参考参数65度以下，达到该数值时，刀具马上撤出，再重新进刀切削，为防止振刀或打刀的现象，加工参数选定恒线速度为S50 m/ min，进给量f=0.08mm/r，最大外圆外转数约为n=49r/min。

3.3 数控程序的编制

该盘件深内腔使用刀具R3.075球刀片，根据刀体结构和刀片直径，在深腔处无法使用刀补进行轮廓加工。深腔处狭窄，若使用刀补轮廓程序会出现G41/G42干涉的刀具报警。解决此问题方案之一是使用刀心程序，人为编排刀具轨迹，以控制刀片切削时的Kr角度为编制原则，当刀片的Kr角度大于65度以上就会产生很大响声，这意味着刀片与切削面积接触太大，对刀片产生的损伤就越大，很容易打刀，如刀杆强度不够甚至容易产生挖刀现象，致使零件超差。根据该原则编制刀心轨迹数控程序，将余量化整为零，树杈式切削去除余量。在刀具切削角度Kr控制下，将腔内余量“树杈式”直切进入后，用该空间切削掉一层余量，然后再直切进入余量，将下一层余量切削掉，该步骤重复加工数次后将零件深腔加工完成，其中在腔体最深处R接刀，接刀效果比较好。“全过程控制加工”编程方式由技术人员按照技术参数编制数控加工程序，在整个切削加工过程由数控程序控制完成，无需操作者依据经验干预加工，减少出错环节，降低研制风险。

结语

通过对小直径狭窄深腔结构的新方法研制加工，保证零件的设计要求，同时也为今后类似结构的盘件研制加工奠定了基础。

参考文献

[1]盘轴制造技术[M].北京：科技出版社，2004.

[2]孔德音.机械加工工艺基础[M].北京：机械工业出版社，1998.