高精度薄壁高温合金材料管接口的加工方法

技术领域

本发明属于航空航天机械加工技术领域，特别是一种高精度薄壁高温合金材料管接口的加工方法。

背景技术

如图1所示，为一种航空散热器系统用高精度薄壁高温合金材料管接口零组件，该零组件的特点是形状不规整，管嘴尺寸大，管嘴接口距焊缝距离近，零组件在结构上属于薄壁件，焊接后组合件存在应力，应力释放后易产生变形，尺寸精度变化大，且薄壁件机械加工过程易产生加工变形和振刀，导致尺寸、表面质量的保证难度增大，最终的结果是不仅生产合格率极低(合格率不足50％)，同时切削刀具消耗大。

具体来说，该管接口零组件采用的材料是GH3625，属于固溶强化镍基高温合金，铣削加工此材料零组件的难点在于以下几个方面：

1.GH3625塑性好、强度高，高温时仍有较高强度。

2.切削时切削力大，切削硬化严重，设备切削过程消耗切削功大。

3.GH3625导热系数差，因此刀具切削部位(刀具切削刃周围)的切削温度高，在高温作用下切削刀具粘接磨损和扩散磨损加剧，容易使得刀刃产生细微裂纹，而最终引起崩刃。

4.GH3625在刀具切削过程粘结倾向大，极易产生积削瘤，切削温度高，粘刀现象严重，刀具切削刃极易磨损。

5.GH3625在加工过程中振刀显著。

另一方面，从零组件的结构上来看，其加工难点表现在以下方面：

1.零组件结构属于空心薄壁系列、管接口铣削加工部位距可固定装夹位置较远，工件在定位装夹中难以实现刚性支撑。

2.零组件管接口加工要素的尺寸、形状精度要求高，零件壁薄空心，使得切削振动剧烈，加工表面质量太差。

3.零组件结构是焊接后的组合件,管接口(精加工部位)距焊缝距离近，存在热影响变化的作用应力，应力释放后易产生变形，尺寸变化大，热影响带来切削力不平稳,加工振刀显著。

基于上述原因，有必要在加工过程中采用一系列针对性措施。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种高精度薄壁高温合金材料管接口的加工方法，有效降低薄壁件加工过程变形量，达到机加尺寸的有效控制，提高加工合格率，减少刀具的消耗。

本发明是通过如下技术方案予以实现的：

高精度薄壁高温合金材料管接口的加工方法，所述管接口与安装板、接口壳体组成管接口组件，管接口、安装板、接口壳体的材料为GH3625，接口壳体为变截面、空心薄壁结构，接口壳体的两端分别与安装板和管接口连接，且接口壳体截面由安装板一端逐渐缩小直至与管接口焊接，管接口的内型面、外型面和内孔为待加工位置，加工方法包括，

步骤一，装夹管接口组件，采用装夹板与管接口组件焊接，其中，所述装夹板包括基座、肋板、立板和压板，立板垂直连接在基座上，肋板同时与基座、立板相连，肋板的截面从靠近管接口的一端指向远离管接口的另一端方向逐渐增大，且立板的一个侧端面与安装板的下端面之间形成一条间隙后沿着安装板的周向轮廓间隔焊接，压板压紧在安装板的上端面，然后通过基座与机床工作台连接；

步骤二，加工管接口，包括铣削和镗削，其中，

铣削对象是管接口的内型面、外型面，铣削时，采用粗铣、半精铣和精铣的组合方式；

镗削对象是管接口的内孔，镗削时，采用粗镗、半精镗和精镗的组合方式。

进一步，所述步骤一中，立板的侧端面面积大于安装板的下端面面积，且立板的侧端面与安装板的下端面采用点焊方式连接，焊点沿着安装板的周向轮廓线等间隔布置。

进一步，所述步骤一中，立板的侧端面精度取IT5～IT6，粗糙度取0.63～0.08μm，平面度0.55～0.03mm，平面度误差Μ

进一步，所述步骤二之前，还包括向立板侧端面与安装板下端面之间的间隙、接口壳体和管接口空腔中填充具备支撑功能和吸振功能的材料。

进一步，所述步骤二中，粗铣速度V

进一步，所述步骤二中，铣削和镗削的刀具材料采用超细微粒硬质合金材料棒材，棒材中主要元素的质量百分比为：钨87％，钴12％，且棒材中粉末颗粒直径≤0.005mm，硬度HV≥1600。

进一步，所述步骤二中，铣削和镗削的刀具表面有镀层，且镀层为钛铝氮硅，镀层的厚度为0.002mm～0.005mm。

进一步，所述步骤二中，铣削和镗削的刀具几何参数满足：刀具前角取3°～10°，刀具后角为3°～15°,螺旋角为35°～65°，刀尖圆角取R

进一步，所述步骤二中，铣削和镗削的刀具夹持满足刀具伸出长度δ小于7倍刀具最小直径D

进一步，所述步骤二中，铣削和镗削的机床设计制造符合ISO国际标准，重复定位精度X/Y/A/C轴定位精度≤零件被加工要素尺寸精度的1/3～1/5，机床位置精度验收标准采用VDI/3441，机床几何精度按金属切削机床通则JB2670-82和ISO230-1-96执行，机床开机加工前，预运行0.3～0.5小时,主轴转速S300～S2000转/分，进给量F300～F2000mm/分，加工行程X/Y/Z＝X最大/Y最大/Z100～300，机床主轴旋转精度L≤0.006mm，加工基准与编程基准重合，X、Y重合度误差ε≤0.01mm。

本发明的加工方法解决了散热器系统产品中高精度、薄壁、异型高温合金材料管接口零组件质量稳定性差的技术难题，通过优化加工工步、合理设计工装定位要求、优化选用刀具几何参数、优化加工切削参数和预留量等措施，减少薄壁零件加工过程的变形量，达到机加尺寸的有效控制。

本发明的加工方法有以下特点：

(1)针对管接口零组件的材料和结构特点，采用粗铣外型面、内型面→半精铣外型面、内型面→精铣外型面、内型面，然后粗镗、半精镗和精镗内孔的步骤优化了加工工步；

(2)选择管接口组件的安装板作为装夹平面连接，并通过焊接的方式提高管接口组件装夹刚度和强度；

(3)根据管接口在铣削和镗削加工时管接口对安装板的作用力特点(拉力、压力交替)，在作为工装夹具的装夹板立板一侧设计了肋板，使得作为基准平面的安装板和立板始终保持不变形或小变形；

(4)为了减少管接口的变形趋势，将管接口的轴线呈竖直方向摆放是最佳的加工位置(立铣的方式)，但由于管接口组件的结构特点，导致其重心位置偏向管接口处，与机床工作台连接后其重心位置偏高，容易发生因切削作用力矩导致的弯曲变形，本发明通过肋板、立板和基座的设计降低工装夹具与管接口组件连接后整体的重心位置，降低弯曲变形的可能性；

(5)在立板和安装板之间预留一条间隔，一方面是为焊接预留变形和矫正空间，另一方面是在间隙内填写一部分减振用材料，降低振动在二者间的传递；

(6)针对GH3625的材料特性，选择了钛铝硅氮(TiAlSiN)作为切削刀具的镀层材料，并对刀具的成分、颗粒直径、几何参数、刀具组合后的跳动值等做了优化选择；

(7)针对管接口组件空心薄壁、距离焊缝近、存在焊接热应力等特点，对铣削过程中的进给量、进给方向、切入轨迹进行了优化，同时在加工过程中采用宏程序、ISO程序组合应用的方式。

与现有技术相比，采用本发明的方法加工管接口零组件,不仅提高了航空散热器系统高精度薄壁高温合金材料管接口零件的质量稳定性，保证了产品质量、性能及设计要求，还为难加工材料薄壁结构系零组件的高精度切削加工方法及工艺参数的提升改进奠定了基础。

附图说明

图1是高精度薄壁高温合金材料管接口的零件示意图；

图2是高精度薄壁高温合金材料管接口装夹在夹具上的状态示意图；

图中：1-安装板；2-接口壳体；3-管接口；4-压板；5-立板；6-肋板；7--基座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

本发明中零件加工的难点分析：

1.根据附图1，该零件结构属于典型的薄壁件，装夹、加工过程中极易变形。

1)零组件结构形状不规整，管嘴尺寸大，管嘴接口距焊缝距离近。

2)零组件结构薄壁件焊接后的组合件存在应力，应力释放后易产生变形，尺寸、形状精度变化大。

3)零组件结构属于空心薄壁系列、管接口铣削加工部位距可固定装夹位置较远，零件在定位装夹中难以实现刚性支撑。

4)零组件管接口加工要素的尺寸、形状精度要求高，零件是壁薄空心机构，使得切削过程中振动剧烈，加工表面质量难以保证。

2.零组件的材料：

该零组件材料为GH3625，属于固溶强化镍基高温合金，铣削加工此材料零组件难点在于，GH3625材料的特点：

1)GH3625材料塑性好、强度高，高温时仍有较高强度。切削时塑性变形抗力大、刀具切削部位承受切削负荷大、产生切削温度极高。

2)GH3625材料切削时切削力大(切削力比45#钢高50％)，切削硬化严重，(切削表面硬化是母体材料的2～5倍)，表面硬化层厚度约0.08mm～0.14mm之间，设备切削过程消耗切削功大。

3)GH3625材料导热系数差，均为45#钢的1/5～1/2。因此刀具切削部位(刀具切削刃周围)的切削温度高，在高温作用下切削刀具粘接磨损和扩散磨损加剧，容易使得刀刃产生细微裂纹，而最终引起崩刃。

4)固溶强化镍基高温合金材料在刀具切削过程粘结倾向大，极易产生积削瘤，切削温度高，粘刀现象严重，刀具切削刃极易磨损。从而影响切削刀具的锋利和被加工表面质量。

为了实现高质量的加工，本发明从以下方面进行了改进和调整：

1.加工设备的选择及应用：

1)加工中心机床：机床设计制造应符合ISO国际标准，重复定位精度满足X/Y/A/C轴定位精度≤零件被加工要素尺寸精度/3～5，(VDI/DGQ 3441～ISO230～2norms)，机床位置精度验收标准采用VDI/3441。机床几何精度按金属切削机床通则JB2670-82(ISO230-1-96)执行。

2)加工中心机床开机加工前，预运行0.3～0.5小时,主轴转速S300～S2000转/分，进给量F300～F2000mm/分，机床行程X/Y/Z＝X最大/Y最大/Z100～300。

3)机床主轴精度校正：用千分表测量机床主轴旋转精度L≤0.006mm。

2.加工基准与编程基准设置：

加工基准与编程基准重合，X、Y重合度误差ε≤0.01mm。

3.刀具的合理夹持；

1)夹持刀具时，刀具伸出长度(δ)应小于7倍刀具最小直径(D

2)夹持刀具时，要控制好刀具组合体的圆跳动量(η)，刀具组合体圆跳动量η≤0.01mm。

4.改善零组件加工过程中的结构刚性：

装夹板包括基座7、肋板6、立板5和压板4，立板5垂直连接在基座7上，肋板6同时与基座7、立板5相连，肋板6的截面从靠近管接口3的一端指向远离管接口3的另一端方向逐渐增大，且立板5的一个侧端面与安装板1的下端面之间形成一条间隙后沿着安装板1的周向轮廓间隔焊接，压板4压紧在安装板1的上端面，然后通过基座7与机床工作台连接。

1)装夹板的选用：装夹板应选用45#钢材料，厚度δ≥8mm，装夹板尺寸增大S≥350×230，装夹平面的平面度0.55mm～0.03mm。

2)装夹板与零组件以焊接方式连接，焊接点发布距离L＝20～100mm焊接点牢固，零组件与装夹板的间隙C＝5～10mm。

5.装夹板定位面的选用：

装夹板定位面有平面或曲面，本发明中选取平面(立板5)作为定位面，保证定位面的清洁。

1)装夹板定位面精度取IT5～IT6、粗糙度取0.63～0.08um。

2)装夹板定位面的平面度误差(Μ

6.装夹板与零组件的腔体内可适量腔填支撑或其它吸震腔填物，以减小切削震动，填充位置在装夹板与零组件的腔体内尽量靠近切削加工部位。

7.提升刀具切削性能：

根据高温合金材料切削性能、零组件结构特点及工艺技术要求，设计并定制专用刀具。刀具要求加工切削过程保持切削刀刃锋利、抗冲击性能、较好高温环境下的切削平稳性。尤其是粗加工应具有较强的承载抗冲击、耐高温、刀尖要有良好的传散性、刀具镀膜有良好的隔热性能及高刚性，同时精加工要有良好的切削性、耐磨性及切削尺寸稳定性。

1)刀具材料要求：采用超细微粒硬质合金材料棒材，其含量(质量百分比)：钨87％、钴12％，粉末颗粒的直径≤0.005mm，硬度HV≥1600。

2)刀具表面度层要求：镀层材料:钛铝硅氮(TiAlSiN),镀层工艺：物理镀层，镀层厚度：0.002mm～0.006mm。

3)刀具几何参数要求：刀具前角取3°～10°，刀具后角可取3°～15°,螺旋角35°～65°，刀尖圆角取R

4)刀具组合后的圆跳动A≤0.02mm。

8.优化切削工艺及参数：

1)铣削加工工艺的优化：

a.外型、内型：采用铣→半精铣→精铣。

b.孔：采用粗镗→半精镗→精镗，切削时避免在加工硬化层上切削。

2)切削参数选择：

a.由于切削速度直接影响刀具寿命，切削速度过低或过高均会使得刀具磨损较快。所以，切削速度可取，粗铣V

b.为了避免在加工硬化层上切削，所以进给量可取，粗铣F

3)刀具切入材料的方式：圆弧轨迹切线切入工件，切入圆弧轨迹取：R＝8mm～20mm，减小切入震动。

4)为减小切削硬化，减小刀具磨损，延长刀具使用寿命，保证加工零件的尺寸稳定性，提高加工表面质量，故采用顺铣加工。

5)采用复合结构的数控程序组合(宏程序、ISO程序组合)应用加工，通过变量参数的合理应用及调整的便利性，控制了组件前端制造过程中带来的尺寸及热影响变化的铣削稳定性，对产品制造质量稳定性的保障起到作用。

本实施例是加工如图1所示零件，该零件为航空航天领域，薄壁、超薄壁高位置精度要求的高温合金材料管接口零组件，采用本发明的加工方法可减小该系列薄壁零件加工过程变形量，达到尺寸精度、表面质量等各项精度的有效控制。

上述实施例并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案基础上所做出的变形、修饰或等同替换等，均应落入本发明的保护范围内。