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        高精度復(fù)雜型線刀具制造工藝與裝備研究

        2023-12-20 13:26:20肖鐵忠袁秀坤鐘成明
        機床與液壓 2023年22期

        肖鐵忠,袁秀坤,鐘成明

        (1.四川省高溫合金切削工藝技術(shù)工程實驗室,四川德陽 618000;2.德陽杰創(chuàng)科技有限公司,四川德陽 618000)

        0 前言

        隨著我國航空航天事業(yè)的發(fā)展,行業(yè)涉及的關(guān)鍵功能部件(如葉盤、葉片等)也在朝著整體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、加工精度更高、材料更難加工、表面完整性及表面質(zhì)量要求更高等方向發(fā)展[1-3]。葉片類復(fù)雜曲面零件是汽輪機、燃氣輪機、航空發(fā)動機等動力及能源裝置的關(guān)鍵零件[4],其尺寸精度、幾何精度、表面完整性及表面質(zhì)量等直接影響整機的工作效率。葉片類零件的加工關(guān)鍵技術(shù)代表著國家制造業(yè)的核心競爭力[5]。刀具是切削加工的基礎(chǔ)工藝裝備之一[6],其性能和質(zhì)量直接影響工件的加工切削效率及加工質(zhì)量。因成型刀具刃形按工件廓形設(shè)計,使用成型刀具能較容易地實現(xiàn)對復(fù)雜表面的加工,并能得到較高的加工精度和表面質(zhì)量,而且生產(chǎn)率極高[7-8]。因葉片葉根型線復(fù)雜,為提升加工效率及加工質(zhì)量,一般采用高精度復(fù)雜型線專用成型刀具對其進行加工[9]。目前,受加工設(shè)備及加工軟件的限制,國內(nèi)基本無法加工這類高精度復(fù)雜型線刀具[10-11],這類成型刀具的加工設(shè)備及軟件基本由山高、瓦爾特及伊斯卡等國外廠商所壟斷[12],這種現(xiàn)狀已成為我國能源動力裝備行業(yè)及國防建設(shè)等健康發(fā)展的“卡脖子”問題[13-15]。本文作者以葉片葉根加工高精度復(fù)雜型線成型刀具為研究對象,對其制造工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)進行研究,形成具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度復(fù)雜型線刀具磨床關(guān)鍵技術(shù),解決這類刀具受制于人的“卡脖子”問題。

        1 成型銑刀設(shè)計

        1.1 成型銑刀型線設(shè)計

        目前汽輪機、燃汽輪機等葉片的葉根形式主要有:樅樹形、菌形、叉形、燕尾形、T形等。本文作者以某菌形葉根加工為例,闡述成型刀具的設(shè)計與制造工藝過程,葉根型線如圖1所示,型線由直線及圓弧組成,可將型線劃分為28段,最大直徑為80.125 mm,如圖2所示。

        圖1 葉根型線

        成型銑刀型線是根據(jù)被加工工件型線確定的,即圖2所示型線即為成型銑刀型線。葉根型線加工有兩種工藝方案可選:(1)兩邊一次成型加工,加工示意如圖3所示;(2)單邊兩次成型加工,加工示意如圖4所示。如采用兩邊一次加工成型方案,因切削量大,存在排屑困難、進給速度低、一邊順銑一邊逆銑導(dǎo)致粗糙度不一致的缺點;而采用單邊兩次成型加工則不存在前述問題,故文中采用此方案。為保證加工時只切削一邊,刀具設(shè)計時需在葉根型線法向上留余量。為保證刀具強度及使用壽命,余量不宜過大,文中刀具在加工不干涉的情況下徑向上留9 mm余量,斜齒法向上留1.25 mm余量。確定的刀具型線如圖5所示。

        圖3 兩邊一次成型

        圖4 單邊兩次成型

        圖5 刀具型線

        1.2 刀具參數(shù)確定

        設(shè)計的刀具幾何參數(shù)直接影響刀具的切削性能,與通用標準銑刀不同,專用成型銑刀的主切削刃為側(cè)刃,加工精度由側(cè)刃直接保證。為提供較大排屑空間,降低切削力,提高加工精度及使用壽命,采用螺旋形刃型。刀具幾何參數(shù)主要包含螺旋角度、前角、后角、齒數(shù)等。刀具螺旋角一般取10°~30°,前角一般取8°~20°,刀齒根據(jù)型線的大小及容屑、排屑要求取4齒。此成型銑刀后刀面由后角3、后角2、后角1組成,對于后角1來說,徑向后角角度取6°~15°,刃帶寬度取1~2 mm;后角2徑向后角角度一般與后角1呈2倍關(guān)系,刃寬2~3 mm;后角3徑向角度略低于后角2徑向角度2倍,刃寬2 mm。最終確定的刀具加工參數(shù)要求總結(jié)如表1所示。

        表1 刀具參數(shù)

        2 高精度五軸數(shù)控刀具磨床設(shè)計

        2.1 刀具加工工藝

        刀具毛坯采用硬質(zhì)合金燒結(jié)制成。加工時,分為刀柄及刀刃磨削,刀柄直徑加工余量為0.3~0.5 mm,加工精度h6;刀刃的加工工藝過程為:檢測確定磨削余量→磨削前刀面→磨削單個齒→磨削所有齒→檢測→涂層。

        2.2 機床功能及整體方案設(shè)計

        2.2.1 機床功能要求

        成型銑刀如圖5所示,其空間結(jié)構(gòu)及型線復(fù)雜,加工尺寸精度及輪廓度精度要求高,型線輪廓度最高要求±0.005 mm;型線曲率半徑小,刃口處曲率半徑R小于0.005 mm;刃口前后刀表面粗糙度為Ra0.4 μm;刃口對基準的徑向及軸向跳動不大于0.01 mm。要達到上述要求,對工具機床的加工精度及控制系統(tǒng)均提出了很高的要求。

        2.2.2 整體方案布局設(shè)計

        在工件加工過程中,砂輪與工件型面的接觸形式為點接觸,只需要控制砂輪軸向矢量即可,故五軸聯(lián)動機床即可滿足磨削功能要求,該機床需具備3個直線軸和2個旋轉(zhuǎn)軸。五軸聯(lián)動布局方案有很多種,通過對比國內(nèi)外各種布局方案,設(shè)計如圖6所示的磨床方案??芍?個軸分別為與工件軸線方向平行的直線運動軸(X軸)、與工件徑向平行的水平直線運動軸(Z軸)、與工件徑向平行的垂直直線運動軸(Y軸)、工件沿X軸旋轉(zhuǎn)的A軸、刀具回轉(zhuǎn)軸B軸。磨削加工時,3個直線軸用來控制被加工刀具與砂輪在空間的相對位置,兩個回轉(zhuǎn)軸主要用來控制被加工刀具與砂輪在空間的相對姿態(tài)。

        圖6 整體布局方案

        被加工工件的長度在50~500 mm之間,根據(jù)前述技術(shù)要求,擬定機床規(guī)格性能參數(shù)如表2所示。

        表2 機床規(guī)格性能參數(shù)

        2.3 刀具磨床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        如圖7所示:機床由3個相互垂直的直線數(shù)控滑臺、回轉(zhuǎn)軸A軸與B軸、磨削裝置、立柱、床身等組成。床身5與立柱3固定連接成一個整體,使其呈垂直相交的“L”形,作為整個磨削裝置的基礎(chǔ)支撐部件;在床身5的上端設(shè)置X軸及Z軸,X軸與Z軸呈“十字”交叉,實現(xiàn)左右(X軸)及前后(Z軸)直線運動;在Z軸上端設(shè)置回轉(zhuǎn)軸A軸,A軸采用力矩電機,用于裝夾被加工刀具;在立柱3前端面設(shè)置Y軸,實現(xiàn)上下直線運動,Y軸、X軸、Z軸相互垂直;在Y軸上端設(shè)置磨削裝置,磨削裝置主要由B軸回轉(zhuǎn)主軸箱及砂輪電主軸組成。

        圖7 五軸聯(lián)動數(shù)控刀具磨床結(jié)構(gòu)

        2.4 刀具磨床磨削裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        設(shè)計的磨削裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示,主要由B軸主軸箱、B軸、連接支撐板、磨削電主軸及砂輪等組成。裝置將B軸回轉(zhuǎn)中心軸線與砂輪前端面重合,使得刀具磨削點始終在B軸回轉(zhuǎn)軸線上,刀具加工時所受最大接觸正壓力沿B軸中心軸線,即砂輪因正壓力產(chǎn)生變形位移在B軸中心線上,只需通過控制系統(tǒng)對其進行變形位移補償,即可最大幅度提升非標刀具的加工尺寸精度,實現(xiàn)非標準刀具的高精度磨削加工;磨削刀具采用電主軸直接驅(qū)動,大幅提升磨削刀具轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對非標準刀具的高速磨削加工;以磨削加工接觸點為控制對象,B軸的回轉(zhuǎn)始終在刀具磨削接觸點,B軸的回轉(zhuǎn)角度誤差不因刀具長度變化而變化,僅取決于B軸圓光柵的角位移精度,最大幅度提升整個裝置的加工輪廓精度。

        圖8 磨削裝置結(jié)構(gòu)

        2.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)點分析

        磨削點在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上與磨削點不在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上的回轉(zhuǎn)精度示意分別如圖9與圖10所示??芍寒斈ハ鼽c在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上時,B軸回轉(zhuǎn)的角度誤差未使磨削點位置發(fā)生偏差,但是當磨削點不在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上時,磨削點因B軸的角度誤差α使磨削點產(chǎn)生位置偏差L。設(shè)B軸回轉(zhuǎn)中心到磨削點的距離為A,則當B軸回轉(zhuǎn)加工時,因其回轉(zhuǎn)誤差產(chǎn)生的位置偏差L=2Asin(α/2)。

        圖9 磨削點在B軸回轉(zhuǎn)軸線上回轉(zhuǎn)精度示意

        圖10 磨削點不在B軸回轉(zhuǎn)軸線上回轉(zhuǎn)精度示意

        3 成型銑刀加工驗證

        3.1 專用磨床制造與裝配

        按照設(shè)計圖樣加工機床所有零件,并進行裝配,裝配后機床如圖11所示。

        圖11 五軸刀具磨床實物

        設(shè)備裝配調(diào)試完成后,利用雷尼紹XL-80激光干涉儀對各軸的定位精度及重復(fù)定位精度進行測量。通過測量,直線軸的定位精度均在4 μm內(nèi),重復(fù)定位精度在3 μm內(nèi)。以X軸為例,激光干涉儀測量過程如圖12所示。X軸的行程為400 mm,以20 mm為間距對其定位精度及重復(fù)定位精度進行測量,測量結(jié)果如圖13所示。根據(jù)測量結(jié)果可知:X軸定位精度為3.6 μm,重復(fù)定位精度為2.7 μm。

        圖12 測量安裝

        圖13 測量結(jié)果

        3.2 加工驗證

        在完成機床設(shè)計、制造、安裝調(diào)試后,對機床進行實際加工驗證。加工過程:檢測確定毛坯磨削余量→磨削前刀面→磨削單個齒→磨削所有齒→檢測→涂層。加工前刀面時,調(diào)整切削角度,待砂輪角度調(diào)整至能磨完整個前刀面后開始調(diào)整橫向位移,前刀面較毛坯的磨削量約為0.3 mm,如圖14所示。加工單個齒時,需在仿真軟件上檢查是否存在碰撞或者干涉現(xiàn)象,調(diào)整參數(shù)使其形狀正常,后角1、2、3的刃寬正常,且之間的落差足夠,后角2到圓周的落差一般要大于0.2 mm,后角2落差距離如圖15所示,L=0.431 mm。加工完單個齒后,利用Zoller檢測儀對其進行檢測。待單個齒加工精度得到保證后,不改變參數(shù)加工剩余幾齒,加工過程如圖16所示。完成所有加工后,利用Zoller檢測儀對刀具加工精度進行檢測,結(jié)果如圖17所示。根據(jù)檢測結(jié)果可知,刀具輪廓公差為:工作面±0.005 mm,其余面±0.015 mm。刀具檢測合格后,利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物,涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性,切削時可比未涂層刀具壽命提高3~5倍以上,切削速度提高20%~70%,加工精度提高0.5~1級,刀具消耗費用降低20%~50%。涂層后刀具結(jié)果如圖18所示。

        圖14 前刀面磨削

        圖15 后角2落差距離

        圖17 刀具加工精度檢測報告

        圖18 涂層刀具

        4 結(jié)論

        面向高精度復(fù)雜型線刀具的加工裝備,以菌形葉片葉根型線加工專用刀具為研究對象,通過分析型線的特點及加工工藝的優(yōu)劣,確認以單邊兩次成型加工作為刀具加工工藝方案。在此基礎(chǔ)上確定刀具的輪廓度精度、前后刀面表面粗糙度等各項參數(shù)及精度要求。通過分析專用刀具的加工要求,確定了專用磨床的整體布局及結(jié)構(gòu)方案,并對機床的關(guān)鍵部件磨削裝置的結(jié)構(gòu)做了具體設(shè)計與闡述,分析磨削點在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上的結(jié)構(gòu)優(yōu)點可知,B軸回轉(zhuǎn)的角度誤差未使磨削點位置發(fā)生偏差。為驗證設(shè)計的合理性,通過制造與裝配機床,利用雷尼紹XK10激光校準儀檢測可知,幾何精度均達到設(shè)計要求。最后,采用設(shè)計的刀具加工工藝方案及專用磨床對某菌形型線刀具進行加工,Zoller檢測儀檢測結(jié)果表明:刀具輪廓公差為工作面±0.005 mm,其余面±0.015 mm。

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