高精度復(fù)雜型線刀具制造工藝與裝備研究

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(shí)驗(yàn)室，四川德陽(yáng) 618000；2.德陽(yáng)杰創(chuàng)科技有限公司，四川德陽(yáng) 618000)

0 前言

隨著我國(guó)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(pán)、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(lèi)復(fù)雜曲面零件是汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)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(jī)的工作效率。葉片類(lèi)零件的加工關(guān)鍵技術(shù)代表著國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)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(jì)，使用成型刀具能較容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)其進(jìn)行加工[9]。目前，受加工設(shè)備及加工軟件的限制，國(guó)內(nèi)基本無(wú)法加工這類(lèi)高精度復(fù)雜型線刀具[10-11]，這類(lèi)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(guó)外廠商所壟斷[12]，這種現(xiàn)狀已成為我國(guó)能源動(dòng)力裝備行業(yè)及國(guó)防建設(shè)等健康發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)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(duì)象，對(duì)其制造工藝及裝備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，形成具有完全自主知識(shí)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(lèi)刀具受制于人的“卡脖子”問(wèn)題。

1 成型銑刀設(shè)計(jì)

1.1 成型銑刀型線設(shè)計(jì)

目前汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)等葉片的葉根形式主要有：樅樹(shù)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(jì)與制造工藝過(guò)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(jìn)給速度低、一邊順銑一邊逆銑導(dǎo)致粗糙度不一致的缺點(diǎn)；而采用單邊兩次成型加工則不存在前述問(wèn)題，故文中采用此方案。為保證加工時(shí)只切削一邊，刀具設(shè)計(jì)時(shí)需在葉根型線法向上留余量。為保證刀具強(qiáng)度及使用壽命，余量不宜過(guò)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(jì)的刀具幾何參數(shù)直接影響刀具的切削性能，與通用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于后角1來(lái)說(shuō)，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(jì)

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(shí)，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(guò)程為：檢測(cè)確定磨削余量→磨削前刀面→磨削單個(gè)齒→磨削所有齒→檢測(cè)→涂層。

2.2 機(jī)床功能及整體方案設(shè)計(jì)

2.2.1 機(jī)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(duì)基準(zhǔn)的徑向及軸向跳動(dòng)不大于0.01 mm。要達(dá)到上述要求，對(duì)工具機(jī)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(jì)

在工件加工過(guò)程中，砂輪與工件型面的接觸形式為點(diǎn)接觸，只需要控制砂輪軸向矢量即可，故五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床即可滿足磨削功能要求，該機(jī)床需具備3個(gè)直線軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。五軸聯(lián)動(dòng)布局方案有很多種，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外各種布局方案，設(shè)計(jì)如圖6所示的磨床方案?？芍?個(gè)軸分別為與工件軸線方向平行的直線運(yùn)動(dòng)軸(X軸)、與工件徑向平行的水平直線運(yùn)動(dòng)軸(Z軸)、與工件徑向平行的垂直直線運(yùn)動(dòng)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(shí)，3個(gè)直線軸用來(lái)控制被加工刀具與砂輪在空間的相對(duì)位置，兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸主要用來(lái)控制被加工刀具與砂輪在空間的相對(duì)姿態(tài)。

圖6 整體布局方案

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

表2 機(jī)床規(guī)格性能參數(shù)

2.3 刀具磨床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖7所示：機(jī)床由3個(gè)相互垂直的直線數(shù)控滑臺(tái)、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(gè)整體，使其呈垂直相交的“L”形，作為整個(gè)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(shí)現(xiàn)左右(X軸)及前后(Z軸)直線運(yùn)動(dòng)；在Z軸上端設(shè)置回轉(zhuǎn)軸A軸，A軸采用力矩電機(jī)，用于裝夾被加工刀具；在立柱3前端面設(shè)置Y軸，實(shí)現(xiàn)上下直線運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(jì)

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(diǎn)始終在B軸回轉(zhuǎn)軸線上，刀具加工時(shí)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(guò)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行變形位移補(bǔ)償，即可最大幅度提升非標(biāo)刀具的加工尺寸精度，實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)刀具的高精度磨削加工；磨削刀具采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)，大幅提升磨削刀具轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)刀具的高速磨削加工；以磨削加工接觸點(diǎn)為控制對(duì)象，B軸的回轉(zhuǎn)始終在刀具磨削接觸點(diǎn)，B軸的回轉(zhuǎn)角度誤差不因刀具長(zhǎng)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(gè)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(diǎn)分析

磨削點(diǎn)在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上與磨削點(diǎn)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?dāng)磨削點(diǎn)在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上時(shí)，B軸回轉(zhuǎn)的角度誤差未使磨削點(diǎn)位置發(fā)生偏差，但是當(dāng)磨削點(diǎn)不在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上時(shí)，磨削點(diǎn)因B軸的角度誤差α使磨削點(diǎn)產(chǎn)生位置偏差L。設(shè)B軸回轉(zhuǎn)中心到磨削點(diǎn)的距離為A，則當(dāng)B軸回轉(zhuǎn)加工時(shí)，因其回轉(zhuǎn)誤差產(chǎn)生的位置偏差L=2Asin(α/2)。

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

圖10 磨削點(diǎn)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(yàn)證

3.1 專用磨床制造與裝配

按照設(shè)計(jì)圖樣加工機(jī)床所有零件，并進(jìn)行裝配，裝配后機(jī)床如圖11所示。

圖11 五軸刀具磨床實(shí)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(duì)各軸的定位精度及重復(fù)定位精度進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)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(cè)量過(guò)程如圖12所示。X軸的行程為400 mm，以20 mm為間距對(duì)其定位精度及重復(fù)定位精度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖13所示。根據(jù)測(cè)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(cè)量安裝

圖13 測(cè)量結(jié)果

3.2 加工驗(yàn)證

在完成機(jī)床設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試后，對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工驗(yàn)證。加工過(guò)程：檢測(cè)確定毛坯磨削余量→磨削前刀面→磨削單個(gè)齒→磨削所有齒→檢測(cè)→涂層。加工前刀面時(shí)，調(diào)整切削角度，待砂輪角度調(diào)整至能磨完整個(gè)前刀面后開(kāi)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(gè)齒時(shí)，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(gè)齒后，利用Zoller檢測(cè)儀對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。待單個(gè)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(guò)程如圖16所示。完成所有加工后，利用Zoller檢測(cè)儀對(duì)刀具加工精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖17所示。根據(jù)檢測(cè)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(cè)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(shí)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(jí)，刀具消耗費(fèi)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(cè)報(bào)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(duì)象，通過(guò)分析型線的特點(diǎn)及加工工藝的優(yōu)劣，確認(rèn)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(xiàng)參數(shù)及精度要求。通過(guò)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(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部件磨削裝置的結(jié)構(gòu)做了具體設(shè)計(jì)與闡述，分析磨削點(diǎn)在B軸回轉(zhuǎn)軸線延伸線上的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)可知，B軸回轉(zhuǎn)的角度誤差未使磨削點(diǎn)位置發(fā)生偏差。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)制造與裝配機(jī)床，利用雷尼紹XK10激光校準(zhǔn)儀檢測(cè)可知，幾何精度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。最后，采用設(shè)計(jì)的刀具加工工藝方案及專用磨床對(duì)某菌形型線刀具進(jìn)行加工，Zoller檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果表明：刀具輪廓公差為工作面±0.005 mm，其余面±0.015 mm。