机匣安装边的切割式铣花边的加工方法及机匣

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种切割式铣花边的加工方法。此外，本发明还涉及一种由上述切割式铣花边的加工方法制得的机匣。

背景技术

航空发动机零部件中大多机匣零件的安装边都会设计花边，起到零件减重和减小螺栓孔应力作用，典型的带有花边的机匣如涡轮机匣、排气机匣、中介机匣及压气机匣。

涡轮机匣是整个发动机涡轮部位最主要的承力件，对强度有很高要求，其制造精度将直接影响到发动机的性能。如图1和图2所示，某型航空发动机的涡轮机匣1由机匣前段11、机匣中段12和机匣后段13三个锻造单件通过两条Ⅱ级氩弧焊焊接而成，机匣后段13的侧面布设有多个由电子束焊连接的凸台17和一个由Ⅱ级氩弧焊连接的安装座14，涡轮机匣1的直径最大为609mm，涡轮机匣1的轴向总长为556mm，壁厚最薄处为1.4mm；该涡轮机匣的材料为GH4169，是典型的焊接薄壁件。

目前，该涡轮机匣1的机匣后段13的安装边15上的花边16通过铣削加工，铣削方法为：将机匣前段11与加工机床的装夹部件连接，根据花边16的大小选取直径φ为12～16mm的大铣刀进行分层铣削，分层铣削为沿涡轮机匣1的径向方向将花边16分为五层，先使用φ12mm的玉米铣刀分五层进行开粗，然后再用φ12mm合金铣刀进行精加工，这种加工方法存在以下问题：

1)由于涡轮机匣1的轴向总长大、壁厚薄、加工部位的直径大，且加工部位的安装边15与装夹部件相隔远，导致涡轮机匣1的加工刚性差，而加工部位的安装边15不便采用增加零件刚性的辅助支靠，大铣刀进行铣削时，容易产生振刀，导致涡轮机匣1的切削外观差；此外，铣削噪声能达到80～90分贝，生产现场嘈杂，会造成长期在现场的人员听力受损；目前是通过降低切削参数，来减小振刀，导致加工效率低；

2)使用φ12mm的大铣刀进行切削，由于刀具大，刀具与涡轮机匣1接触面积大，使得其切削力较大，切削阻力相应的增加，造成涡轮机匣1容易振刀、让刀、变形，机匣后段13的安装端面(图2中的C平面)的变形量为0.08～0.12mm，机匣后段13的内孔壁面(图2中的D圆弧面)的变形为0.12～0.2mm，加工完后存在较多的机加内应力残留，且释放缓慢；

3)由于每层铣削均通过玉米铣刀的侧刃将花边16铣削成碎屑，铣削时间长，刀具磨损快，刀具寿命比较短，加工一个涡轮机匣1需要两把φ12mm的玉米铣刀，每把φ12mm的玉米铣刀单件约1100元左右，刀具成本高。

以上问题导致机匣零件的安装边上的花边加工效率低、机匣变形大及刀具成本高。

发明内容

本发明提供了一种切割式铣花边的加工方法，以解决传统的航空发动机的机匣铣花边方法存在加工效率低、机匣变形大及刀具成本高的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种切割式铣花边的加工方法，用于加工机匣后段的安装边上的花边，包括以下步骤：

S1、机匣固定，通过加工机床的装夹部件将机匣前段固定；

S2、加工部位加固，在机匣后段靠近安装边一端的外圆周上缠绕多圈橡皮条；

S3、切割式铣削，加工机床使用直径φ为3～4mm的合金铣刀沿机匣的轴向方向分层进行切割式铣削。

进一步地，步骤S2、加工部位加固中，橡皮条的两端均缠绕于机匣后段的安装座上。

进一步地，橡皮条缠绕机匣后段的外圆周5～8圈，橡皮条缠绕安装座至少2圈，橡皮条的弹性系数为65～75N/cm。

进一步地，步骤S3、切割式铣削中，分为N层进行切割式铣削，具体包括以下步骤：

S31，第1层～第N-1层切割式铣削均使用合金铣刀的底刃切削；

S32，第N层切割式铣削使用合金铣刀的侧刃切削。

进一步地，合金铣刀的刀刃数为四个，包括第一刀刃、第二刀刃、第三刀刃及第四刀刃，第一刀刃及第三刀刃沿第一方向布设，第二刀刃及第四刀刃沿第二方向布设，第一方向与第二方向形成的两个夹角的角度差为6°～10°。

进一步地，第一刀刃的底刃与第三刀刃的底刃连接，第二刀刃的底刃与第四刀刃的底刃间隔布设，且关于合金铣刀的圆形呈中心对称。

进一步地，合金铣刀的螺旋角为30°～45°。

进一步地，合金铣刀的刀刃的沿轴向方向的长度大于或等于5mm，合金铣刀的刀刃的尖角半径为0.3～0.5mm。

进一步地，合金铣刀的上布设有耐磨层。

一种机匣，由上述的切割式铣花边的加工方法制得。

本发明具有以下有益效果：

本发明的切割式铣花边的加工方法，将直径为3～4mm的合金铣刀安装在加工机床的主轴机构上，再将机匣前段固定于加工机床的装夹部件上，通过橡皮条缠绕在机匣后段靠近安装边一端的外圆周上，能有效的起到增加机匣后段刚性，能减小加工中合金铣刀与机匣后段震动的作用；将传统的铣削方式“先用φ12mm玉米铣刀进行沿涡轮机匣的径向方向的分层铣削，再用φ12mm合金铣刀精加工”，改为用φ3～4mm合金铣刀沿涡轮机匣的轴向方向分层进行切割式铣削(如图4所示)，一方面，能降低合金铣刀与安装边的接触面积，减小机匣后段沿其径向方向的切削力，从而减少刀具振刀、让刀和变形情况发生，降低切削的噪声；另一方面，能切割下花边的余量块(如图5所示)，减少铣削的面积，既能延长合金铣刀的使用寿命，节约加工的刀具成本，又能提高加工效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的涡轮机匣的结构示意图；

图2是图1所示的涡轮机匣的A-A向的剖视图；

图3是本发明优选实施例的合金铣刀的底刃的结构示意图；

图4是本发明优选实施例的切割式铣花边的加工方法的切割式铣削路径的示意图；

图5是本发明优选实施例的切割式铣削加工后切割下的余量块的示意图；

图6是本发明优选实施例的切割式铣花边的加工方法的流程图。

图例说明：

1、涡轮机匣；11、机匣前段；12、机匣中段；13、机匣后段；14、安装座；15、安装边；16、花边；17、凸台；2、橡皮条；3、合金铣刀；31、第一刀刃；32、第二刀刃；33、第三刀刃；34、第四刀刃。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

请一并参阅图1至图6，本实施例的切割式铣花边的加工方法，用于加工机匣后段13的安装边15上的花边16，包括以下步骤：

S1、机匣固定，通过加工机床的装夹部件将机匣前段11固定；

S2、加工部位加固，在机匣后段13靠近安装边15一端的外圆周上缠绕多圈橡皮条2；

S3、切割式铣削，加工机床使用直径φ为3～4mm的合金铣刀3沿涡轮机匣1的轴向方向分层进行切割式铣削；合金铣刀3的直径小于3mm，合金铣刀3的刚性太差，容易断刀，需停机更换刀具，切削效率提不上来；合金铣刀3的直径大于4mm，刀具与涡轮机匣1接触面积过大，难以避免涡轮机匣1的振刀、让刀、变形，涡轮机匣1需要返修，导致加工效率较低。

本实施的切割式铣花边的加工方法，将直径φ为3～4mm的合金铣刀3安装在加工机床的主轴机构上，再将机匣前段11固定于加工机床的装夹部件上，通过橡皮条2缠绕在机匣后段13靠近安装边15一端的外圆周上，能有效的起到增加机匣后段13刚性，能减小加工中合金铣刀3与机匣后段13震动的作用；将传统的铣削方式“先用φ12mm玉米铣刀进行沿涡轮机匣1的径向方向铣削，再用φ12mm合金铣刀精加工”，改为用φ3～4mm合金铣刀3沿涡轮机匣1的轴向方向分层进行切割式铣削(如图4所示)，一方面，能降低合金铣刀3与安装边15的接触面积，减小机匣后段13沿其径向方向的切削力，从而减少刀具振刀、让刀和变形情况发生，降低切削的噪声；另一方面，能切割下花边16的余量块(如图5所示)，减少铣削的面积，既能延长合金铣刀3的使用寿命，节约加工的刀具成本，又能提高加工效率。可选地，用于驱动合金铣刀3的主轴机构上布设有冷却液喷头，冷却液喷头与合金铣刀3同步移动，冷却液喷头的喷出的冷却液对合金铣刀3的刀刃底部进行冲洗，使得合金铣刀3能够充分冷却，以延长合金铣刀3的使用寿命。

本实施例中，步骤S2、加工部位加固中，橡皮条2的两端均缠绕于机匣后段13的安装座14上；安装座14为通过Ⅱ级氩弧焊整体焊接在机匣后段13的加工部位附近，刚性较差，切割式铣削加工完后易产生焊接应力释放，导致安装座14与机匣后段13的连接处发生外张，因此安装座14需橡皮条2单独缠绕，既能避免安装座14与机匣后段13的连接处发生变形，又能为橡皮条2的两端提供连接位置。

本实施例中，橡皮条2缠绕机匣后段13的外圆周为5～8圈，橡皮条2缠绕时不能留有间隙，避免震力扩散；若橡皮条2缠绕机匣后段13的外圆周的圈数少于5圈，加固的效果不佳，易出现合金铣刀3与涡轮机匣1碰撞产生振刀、让刀的情况；橡皮条2缠绕机匣后段13的外圆周的圈数多余8圈，圈数太多导致橡皮条堆叠厚度过大，会被合金铣刀3铣削掉，导致橡皮条2松动、弹开；橡皮条2缠绕安装座14至少2圈，以保证橡皮条2的两道牢固地缠绕在安装座14上，橡皮条2的弹性系数为65～75N/cm。

本实施例中，步骤S3、切割式铣削中，分为6层进行切割式铣削，具体包括以下步骤：

S31，第1层～第5层切割式铣削均使用合金铣刀3的底刃进行切削；

S32，第6层切割式铣削会切段花边16与余量块，使用合金铣刀3的侧刃进行切削能避免合金铣刀3被夹断。可选地，切割式铣削中，分层的数量可根据安装边15沿涡轮机匣1的轴向方向的厚度调整，安装边15沿涡轮机匣1的轴向方向的厚度越大，分层的数量越多。可选地，步骤S3、切割式铣削中，每完成3层切割式铣削，检查合金铣刀3的刀刃磨损情况，按需进行换刀加工。

本实施例中，合金铣刀3的刀刃数为四个，包括第一刀刃31、第二刀刃32、第三刀刃33及第四刀刃34，第一刀刃31及第三刀刃33沿第一方向布设，第二刀刃32及第四刀刃34沿第二方向布设，第一方向与第二方向形成的两个夹角α和β，角α和角β的角度差为6°～10°；四个刀刃与三个刀刃相比，能减少侧面切削时的让刀量，提升加工精度。可选地，角α为87°，角β为93°，角α和角β的角度差为6°。可选地，角α为85°，角β为95°，角α和角β的角度差为10°。

本实施例中，第一刀刃31的底刃与第三刀刃33的底刃连接，且关于合金铣刀3的圆形呈中心对称，为第一组刀刃；第二刀刃32的底刃与第四刀刃34的底刃间隔布设，且关于合金铣刀3的圆形呈中心对称，为第二组刀刃；刀具在高速切削时，由于主轴的高速旋转，如果合金铣刀3的重心不平衡量，所产生的离心力将对主轴轴承施加周期性载荷，从而引起震动，对主轴轴承寿命、刀具寿命和加工质量造成不利影响；第一组刀刃与第二组刀刃之间的不等齿距的刀刃设计能分散切削力，有效地抑制颤振，达到减振效果，从而保证主轴轴承寿命、刀具寿命和加工质量。

本实施例中，合金铣刀3的螺旋角为30°～45°；合金铣刀3的螺旋角越大，工件与切削刃的接触长度就越长，这样可以降低单位长度切削刃所承受的负载，可以延长刀具寿命，但同时切削阻力会变大，对合金铣刀3的刀柄的夹持刚性要求相应增加；合金铣刀3的螺旋角小于30°时，工件与切削刃的接触长度较短，单位长度切削刃所承受的负载大，容易造成崩刃，合金铣刀3的螺旋角大于45°时，切削阻力会过大，易造成合金铣刀3断刀。

本实施例中，合金铣刀3的侧刃的沿轴向方向的长度大于或等于5mm，以保证侧刃能切断花边的余量块；合金铣刀3的刀刃的尖角半径为0.3～0.5mm；能最大限度地避免刀刃的刀尖崩刃。

本实施例中，合金铣刀3的上布设有耐磨层。可选地，耐磨层为氮化铝钛涂层，以防止刀具快速磨损，提升合金铣刀3的使用寿命。

本实施例中，合金铣刀3的直径φ为4mm，合金铣刀3上布设有氮化铝钛涂层，合金铣刀3的螺旋角为45°，刀刃数为四个，刀刃的尖角半径R0.5mm，合金铣刀3的侧刃的沿轴向方向的长度为5mm，刀柄的直径为6mm。加工沿涡轮机匣1的轴向方向的厚度为3mm、沿涡轮机匣1的径向方向的宽度为5mm的花边时，本实施例的加工方法与传统加工方法的对比如表1所示。

表1改进前后对比

从表1可以看出，本实施例采用切割式铣削花边法有以下有益效果：

1、加工时间由240min/件缩短至66min/件，加工效率提高了263.6％；

2、机匣后段13的内孔壁面变形由0.2mm左右缩小至0.02mm，机匣后段13的端面变形由0.1mm左右缩小至0.02mm；

3、刀具成本由2278元/件节约至204元/件；

4、加工噪声由80～90分贝降低至50～60分贝。

综上所述，本实施例采用切割式铣削花边法能大幅提高加工效率，减小加工变形，节约加工的刀具成本，降低现场的噪声，避免对现场人员的听力造成损害。

一种机匣，由上述的切割式铣花边的加工方法制得。可选地，机匣为涡轮机匣、排气机匣、中介机匣或压气机匣。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。