處理機匣徑向斜槽高效銑削加工技術(shù)研究

吳宏春 劉德生 栗生銳

（1.空裝駐沈陽地區(qū)第二軍代表室，遼寧 沈陽 110043；2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

處理機匣為航空發(fā)動機整體環(huán)形結(jié)構(gòu)的機匣零件，材料為不銹鋼，硬度HRC=40～46，零件外廓尺寸1188mm×1030mm×134mm，最小壁厚13 mm，機匣有雙層徑向斜槽，數(shù)量207個（單層），槽寬7 mm，徑向斜槽的深度大于35 mm。處理機匣材料是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，從固溶溫度冷至室溫時，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，再經(jīng)過時效處理，使強度進一步提高。由于其含碳量較低，耐腐蝕能力及焊接性能力都比馬氏體不銹鋼要好，與奧氏體不銹鋼的特性比較相近，其成形性及焊接性能較好，強度及硬度比較高，同時具有比較優(yōu)良的抗腐蝕能力及熱處理工藝過程便捷的優(yōu)點。在銑削加工時，該材料屬于斷續(xù)型切削，加工過程中所有的刀齒切削深度數(shù)值是1個隨機變化的量，這就容易出現(xiàn)沖擊及振動的情況，因此切削條件不佳。

1 零件加工難點分析

不銹鋼材質(zhì)的粘附能力以及熔著能力較強，切削加工產(chǎn)生的鐵屑極易粘附在刀刃部位，影響加工精度。在逆銑過程中，刀齒首先在硬化的表面滑行，增加了加工硬化現(xiàn)象出現(xiàn)的概率；銑削過程中的振動及沖擊，增加了磨損及崩刃的風(fēng)險。在處理機匣上層斜槽時，需要從內(nèi)部使用彎頭進行加工，下層斜槽及型面需要從外側(cè)五軸設(shè)備進行加工，刀具懸伸更長，加工剛性更差，加工中切削振動大，切削參數(shù)低，同時斜槽的數(shù)量多，傳統(tǒng)工藝方案分層加工，刀具種類較多，刀路過于細膩煩瑣，導(dǎo)致加工時間較長。該文旨在通過應(yīng)用螺旋銑、插銑、快進給銑削等加工方法，找到一種適合于處理機匣徑向斜槽高效銑削的加工方法，解決處理機匣徑向斜槽加工效率低的難題。

2 螺旋線銑槽的加工制造

螺旋形銑削加工屬于一類“以銑代鉆”的孔結(jié)構(gòu)生產(chǎn)加工方式，是近期興起的一類孔結(jié)構(gòu)加工制造解決方案，與常規(guī)的孔加工時所使用的刀具相比得到了優(yōu)化，進給方式簡單，生產(chǎn)制造理論依據(jù)明確[1]。在螺旋形銑削方式使用過程中，刀具運動進給的軸線與孔結(jié)構(gòu)的中心線不在同一條直線上，有一定的偏移量。在加工過程中，刀具的主軸在自轉(zhuǎn)的同時沿軸向發(fā)生進給運動，同時刀具也存在圍繞待加工孔結(jié)構(gòu)的軸線方向上的公轉(zhuǎn)，這說明刀具的運動軌跡并不是一條直線，而是螺旋狀態(tài)的加工軌跡，螺旋銑加工如圖1所示。

圖1 螺旋銑加工

螺旋形銑削加工加工特性包括以下5點：1）螺旋形銑削加工是一類偏心形式的加工方法，使用單一直徑的刀具加工一系列不同直徑的孔，減少加工時的換刀次數(shù)，提高加工效率。2）螺旋形銑削加工制造方案是一種斷續(xù)模式的加工方案，其特點為散熱效果比較好，能夠有效避免金屬材料發(fā)生熱能原因的聚集型損傷，也可以防止高溫引起的刀具表面涂層脫離及磨損失效，降低了刀具的磨損，提升了刀具使用年限。3）偏心形式加工制造方式有效地確保了切削過程中鐵屑具有充足的排出空位，防止切屑對于孔壁的傷害，對于改善孔壁結(jié)構(gòu)的表面加工品質(zhì)有顯著的提升。4）螺旋銑軸向切削力比傳統(tǒng)的鉆削方法低。5）常規(guī)的鉆孔加工制造方法僅可以加工制造圓形孔結(jié)構(gòu)，然而使用螺旋形銑削技術(shù)能夠生產(chǎn)出各類復(fù)雜形狀的孔結(jié)構(gòu)，制孔加工進程中適當(dāng)調(diào)整刀具對于孔中心線的偏移量，就可以加工出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的孔，比如圓柱型孔、錐形孔等，還能夠進行擴孔、孔修整、異形槽、圓柱凸臺和異形凸臺等后續(xù)工藝。

處理機匣銑槽的技術(shù)方案1：采用帶彎頭立式四軸加工中心從內(nèi)側(cè)螺旋銑技術(shù)方案，加工刀具：Ф6 mmR1合金銑刀，切削參數(shù)：轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min、進給F為300 mm/min、切深A(yù)p為0.5 mm。

加工路線：上層斜槽粗銑內(nèi)側(cè)螺旋銑，單邊留0.2 mm余量；上層斜槽分層精銑槽輪廓；下層斜槽粗銑內(nèi)側(cè)螺旋銑，單邊留0.2 mm余量。

3 插銑槽的加工方法

插銑加工法又稱為Z軸銑削法，在插銑過程中插銑刀順著Z軸作軌跡為直線的進給運動，依靠插銑刀配備的切削刃完成鉆、銑結(jié)合的動作來實現(xiàn)插銑切削的加工制造工作過程，是一類可以實現(xiàn)的最高效的高切削率金屬加工方法[2]，插銑加工適用于難以加工材質(zhì)的切槽、曲面以及刀具懸伸距離大的加工情況。插銑加工同時屬于切削率較大的一類金屬加工模式，所以在插銑過程中插銑刀的性能起到了關(guān)鍵性的作用[3]，影響了加工材料的成品品質(zhì)、加工效率、刀具磨損程度以及加工的成本等環(huán)節(jié)，插銑加工如圖2所示。在插銑過程中，插銑刀具均沿Z軸的方向進給運動，當(dāng)插銑操作實現(xiàn)特定的軸向深度數(shù)值時，插銑刀將會沿軸向做抬刀動作，隨后沿水平向以1步距設(shè)定為進刀量，繼續(xù)進行第二次插銑，循環(huán)往復(fù)，直到達到插銑加工的要求后結(jié)束加工動作。

圖2 插銑加工

加工特征包括如下4種。1）插銑制造過程中，代加工的零件徑向方向上受力比較小，零件變形量小，適用于薄壁型零件材質(zhì)情況。2）插銑刀具懸伸長度較大，刀桿通常不會發(fā)生振顫或者扭曲形變，這種特性非常適合應(yīng)用于銑削凹槽形狀的零件或者表面。3）插銑加工過程能夠完成針對高溫或者航空級別的合金等加工過程中難度較大材料的切槽過程。4）插銑過程中主要軸向受力，徑向力相對較小，剛度不足的主軸仍可應(yīng)用于插銑加工，保證插銑加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

判定采用插銑加工法是否適合用于某種工件材質(zhì)的加工過程，首先需要考量的是相關(guān)機床的特性以及制造目標(biāo)的要求。1）加工過程中的金屬切除率參數(shù)的要求較高，就應(yīng)該使用插銑方法進行插銑加工。該加工制造方式的優(yōu)點是最大限度地節(jié)約加工制造的時間。2）加工制造過程中規(guī)定刀具的軸向長度處于比較大（如在銑削加工制造深槽或者大型凹腔工件）的情況下，必須盡可能地應(yīng)用插銑形式的加工制造模式進行銑削方面加工制造，由于插銑形式的制造模式通常會最大限度地降低插銑形式加工制造進程中徑向方向上的受力，因此可以認定插銑形式的加工制造模式具備更加理想的生產(chǎn)過程的穩(wěn)定程度。3）如果使用普通的銑削模式對零件上的某些區(qū)域加工制造時，比較難以實現(xiàn)的情況下，這時可以考慮采用插銑法加工。

處理機匣銑槽的技術(shù)方案2：采用臥式四軸加工中心設(shè)備從外側(cè)插銑技術(shù)方案，Ф6 mm合金銑刀/ Ф6.5 mm合金鉆頭/ Ф6 mm插銑刀/ Ф6 mmR1合金銑刀，切削參數(shù)：插銑轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min、進給F為50 mm/min、切寬Ae為1.0 mm；精銑轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min、進給F為300 mm/min、切深A(yù)p為0.5 mm。

加工路線：上層斜槽外側(cè)中心點銑平面和鉆底孔；上層斜槽從底孔中間向槽兩側(cè)依次插銑；上層斜槽精加工槽輪廓；下層斜槽外側(cè)中心點銑平面和鉆底孔；下層斜槽從底孔中間向槽兩側(cè)依次插銑。

4 快進給銑槽的加工方法

快進給形式的銑削加工方法指的是通過增加每齒的進給量的數(shù)值從而實現(xiàn)較快的加工速度一類切削模式，該加工模式通過減少切屑厚度來達到加快加工速度的目的，而減小刀具的主偏角是減薄加工金屬屑的一般方式[4]。不同主偏角刀片切削截面如圖3所示，切削厚度數(shù)值h如公式（1）所示。

式中：h為切削屑的厚度數(shù)值，fz為每齒的進給量數(shù)值，k為刀具的主偏角，切削屑的厚度數(shù)值通常隨著刀具的主偏角減小而變薄。刀具的主偏角通常隨著切削深度的降低而變小，采用減小切深的方法達到了減薄切屑的目的，為了實現(xiàn)補償由于降低切削深度而產(chǎn)生的對材料去除率帶來的負面影響，必須提升每齒的進給量[5]。

加工特點有3個。1）應(yīng)用變薄切削屑模式的大進給量銑削加工模式可減小徑向方面的切削力、有效延長刀具的使用壽命。2）快速進給銑削加工方式的主偏角較小，徑向力小，軸向力相對較大，降低了機床振動的幅度，切削時更平穩(wěn)。3）快進給銑削方式的每齒進給量可達常規(guī)方式的4～5倍。此方式能夠降低切削熱量，從而增加刀具使用壽命。

處理機匣銑槽的技術(shù)方案3：采用帶彎頭立式五軸加工中心設(shè)備螺旋銑高效銑技術(shù)方案，加工刀具：Φ6 mmR1快進給銑刀/Φ 6mmR3合金銑刀，切削參數(shù)：精銑轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min、進給F為300 mm/min、切深A(yù)p為0.5 mm。

加工路線：上層斜槽粗銑內(nèi)側(cè)螺旋銑，單邊留0.2 mm余量；上層斜槽螺旋銑精銑槽輪廓；下層斜槽粗銑內(nèi)側(cè)螺旋銑，單邊留0.2 mm余量；下層斜面分層加工；下層斜槽螺旋銑精銑槽輪廓。

處理機匣銑槽的技術(shù)方案4：采用帶彎頭立式五軸加工中心設(shè)備快進給高效銑技術(shù)方案，加工刀具：Φ6 mmR1快進給銑刀/ Φ6 mmR1合金銑刀/Φ6 mmR3合金銑刀，切削參數(shù)：快進給轉(zhuǎn)速S為1 600 r/min、進給F為300 mm/min、切深A(yù)p為0.3 mm ；精銑轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min、進給F為300 mm/min、切深為Ap為0.5 mm。

圖3 不同主偏角刀片切削截面示意圖

加工路線：快進給銑刀上層斜槽分層銑削；上層斜槽精加工槽輪廓；快進給銑刀下層斜槽分層銑削；下層斜面分層加工；下層斜槽螺旋銑精銑槽輪廓。

5 處理機匣銑槽的技術(shù)方案驗證

技術(shù)方案（1）迭代試驗過程：彎頭內(nèi)側(cè)螺旋線粗銑槽，刀具在槽出口處折斷；降低進給后，刀具同樣折斷；修改程序深度，槽不開通，刀具加工4個槽后折斷，單個槽加工時間90 min。

原因分析：1）出口處受力不均衡。2）進給速度過快。3）加工效率低。

改進方向：更換插銑刀具和路徑。

技術(shù)方案（2）迭代試驗過程：外層插銑方案，上層和下層銑平面和鉆底孔加工時間1 656 min；上下層插銑單槽加工時間26 min，總加工時間10 764 min，消耗φ6 mm插銑刀100個和φ5 mm插銑刀30個；上下層精銑單槽加工時間8 min，總加工時間3 312 min，消耗Φ6 mmR1銑刀60個；插銑刀消耗量大。

原因分析：切削參數(shù)不合理。

階段總結(jié)：插銑方案可以實現(xiàn)銑槽的快速加工，切削參數(shù)需要根據(jù)加工軌跡和零件結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整。

技術(shù)方案（3）迭代試驗過程：上層斜槽外側(cè)螺旋線粗銑槽，采用Φ6 mmR1快進給銑刀，進給F為300 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1200 r/min，切深為0.3 mm，連續(xù)加工17槽后刀具折斷，單個槽加工時間5 min，上層斜槽外側(cè)加工總時間1 035 min；上層斜槽外側(cè)螺旋線精銑槽，采用Φ6 mmR1合金銑刀，進給F為100 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1 600 r/min，連續(xù)加工6槽，單槽加工5 min，總時間為1 035 min；下層斜槽外側(cè)螺旋線粗銑槽，采用Φ6 mmR1快進給銑刀，進給F為300 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min，切深為0.3mm，加工2槽后折斷。

原因分析：槽太深，出口處受力不均衡，造成刀具折斷。

改進方向：將螺旋銑方案改插銑方案。

技術(shù)方案（4）迭代試驗過程：下層斜槽外側(cè)插銑方式粗銑槽，預(yù)鉆Φ6.5 mm孔，采用Φ6 mmR1快進給銑刀，進給F為60 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1 200 r/min，切寬1 mm，連續(xù)加工4槽，單槽加工時間11 min，總時間2 870 min；下層斜槽斜面銑槽，采用Φ6 mmR3球銑刀，進給F為150 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1 600 r/min，切深為0.3 mm，連續(xù)加工10槽，單槽加工時間15 min，總時間3 105 min；下層斜槽螺旋線精銑槽，采用Φ6mmR1合金銑刀，進給F為150 mm/min，轉(zhuǎn)速S為1 600 r/min，切深0.3 mm，連續(xù)加工10槽，單槽加工時間3 min，總時間621 min。

通過上述技術(shù)方案的實施對比，加工時間由原來的432 h縮短到262.2 h，加工時間降低了39%，大大提高了加工效率。

6 結(jié)語

通過對處理機匣徑向斜槽高效銑削加工技術(shù)的研究，螺旋銑、插銑、快進給銑削3種銑削方法都適用于處理機匣徑向斜槽特征，但是各有側(cè)重點，螺旋銑側(cè)重于精加工、插銑和快進給銑削側(cè)重于粗加工；對于深寬比較大的窄槽，螺旋銑由于刀具剛性不足，影響了刀具壽命和加工效率；快進給銑刀插銑方式對于弱剛性長懸伸刀具窄槽加工有較高的刀具壽命和加工效率；綜合應(yīng)用螺旋銑、插銑、快進給銑削等3種加工方法，實現(xiàn)了處理機匣徑向斜槽高效銑削加工，為后續(xù)類似結(jié)構(gòu)零件提高加工效率打下了堅實的基礎(chǔ)。