高溫合金零件特殊內(nèi)型腔的加工

王永軍

山西平陽重工機械有限責(zé)任公司 山西侯馬 043000

1 序言

高溫合金材料在非常高的溫度下仍然具有良好的力學(xué)性能和綜合強度，因此被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域。這種材料在機械加工中屬于典型的難加工材料，加工時切削抗力大，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重[1]。如果是狹窄、深且口部小、里面大的封閉類內(nèi)型腔加工，則難度更大，使用常規(guī)的刀具會與工件發(fā)生干涉，根本無法加工。傳統(tǒng)切削方法容易夾刀，切削抗力大，數(shù)控機床自帶的固定循環(huán)指令編程（即切削方法）不利于散熱和分散切削抗力，刀具磨損快且容易打刀。下面通過實例介紹該類零件的加工解決方案[2]。

2 零件結(jié)構(gòu)及加工難點分析

圖1 零件

圖1所示零件材質(zhì)為GH4169高溫合金，最大外形尺寸為φ200mm×110mm。零件內(nèi)部有一半封閉型腔加工區(qū)域如圖2所示，其加工難點為：①型腔口部小、里面大（口部寬17.1mm，里面寬28.2mm），而且徑向深度達(dá)28.2mm，形成了半封閉形狀，常規(guī)刀具無法加工，必須經(jīng)過改制。②材料為高溫合金，屬典型的難加工材料。零件型腔徑向深度很大，必須減小切削抗力、降低切削溫度，解決散熱問題，需要一種良好的切削方法和合理的切削參數(shù)相結(jié)合。

圖2 半封閉型腔加工區(qū)域

3 刀具設(shè)計

根據(jù)零件形狀選用通用類刀具進行改制，刀具分為切槽刀、左車刀、右車刀和轉(zhuǎn)接桿。

切槽刀（見圖3）選用刀體高度為12mm、切寬為5mm，切削刃長度大于型腔徑向深度的外圓槽刀，根據(jù)零件內(nèi)孔尺寸和型腔徑向尺寸截取總長，保證能進入工件預(yù)加工好的內(nèi)孔且與內(nèi)孔壁不干涉，刀頭下方磨成圓弧狀，防止與型腔底圓弧面干涉。

圖3 切槽刀

左車刀選用主偏角為140°、刀尖角為35°、刀體高為12mm的外圓精車刀（具體根據(jù)零件形狀大小選用，以改動較少為原則），根據(jù)型腔的徑向深度尺寸把刀桿長度截短，保證刀具能進入內(nèi)孔，并且足夠加工型腔徑向深度。根據(jù)型腔開口寬度尺寸，把刀桿沿寬度方向銑掉一塊，確保刀具能進入型腔內(nèi)部切削而不與型腔內(nèi)壁干涉，刀頭下方棱邊磨成圓弧狀，防止與型腔底圓弧面干涉。圖4為改進前的左車刀，圖5為改進后的左車刀。

圖4 改進前的左車刀

圖5 改進后的左車刀

右車刀選用與左車刀參數(shù)一樣、方向相反的刀具，同理進行改制。圖6為改進前后的右車刀。

圖6 改進前后的右車刀

自制轉(zhuǎn)接桿如圖7所示。加工一個φ32mm圓柱，一端開口12mm×12mm的方槽，方槽其中一個面通過轉(zhuǎn)接桿的中心，徑向制兩個螺紋孔，把改制好的切槽刀、左車刀和右車刀分別裝在轉(zhuǎn)接桿上，并用螺釘通過兩個螺紋孔壓緊，形成加工內(nèi)型腔刀具；轉(zhuǎn)接桿另一端裝入機床刀架并固定。切槽刀、左車刀和右車刀的安裝如圖8～圖10所示。

圖7 轉(zhuǎn)接桿

圖8 切槽刀的安裝

圖9 左車刀的安裝

圖10 右車刀的安裝

4 加工方法

把加工部位劃分為中間方槽A、左側(cè)凹槽B和右側(cè)凹槽C三個區(qū)域（見圖11）?？紤]到材料難加工、型腔比較深及形狀的特殊性，加工時采用橫向分層遞進法（見圖12）和縱向?qū)忧蟹ǎㄒ妶D13）。

圖11 把加工部位劃分為A、B和C三個區(qū)域

圖12 橫向分層遞進法

先用切槽刀采用橫向分層遞進法加工中間方槽，數(shù)控程序采用FANUC系統(tǒng)宏指令[3]和固定循環(huán)相結(jié)合的特殊編程方式[4]，實現(xiàn)了切完一層再切下一層，每一層都比上一層切削寬度縮進一定的間隙的效果。這樣既避免了夾刀，又避免了切下一層時刀具與上一層的側(cè)壁摩擦，造成刀具磨損或打刀的情況，同時還簡化了編程。數(shù)控程序如下。

圖13 縱向?qū)忧蟹?/p>

中間方槽A加工完后，用左車刀、右車刀分別采用縱向?qū)忧蟹庸こ鲎髠?cè)凹槽B、右側(cè)凹槽C。加工左側(cè)凹槽和右側(cè)凹槽時，數(shù)控編程采用FANUC系統(tǒng)G72固定循環(huán)指令，實現(xiàn)縱向的輪廓分層切削。

5 加工步驟

零件內(nèi)型腔的加工步驟如下。

1）將加工好內(nèi)孔的工件裝在數(shù)控車床自定心卡盤上，找正并緊固；將改制好的切槽刀、左車刀和右車刀分別裝入轉(zhuǎn)接桿的方槽上，并用螺釘壓緊；將裝好切槽刀、左切刀和右切刀的轉(zhuǎn)接桿另一端分別裝在機床刀架上，確保刀具刀尖處在主軸回轉(zhuǎn)中心線上，然后緊固。

2）切削封閉型腔的中間方槽A區(qū)域。換切槽刀采用橫向雙重分層遞進法，第1層先徑向切入2mm深度，每一層又分多次進刀，軸向切削寬度為型腔口部寬度略留有余量；第2層徑向在第1層的基礎(chǔ)上再切入2mm深度，軸向切削寬度兩邊比上一層各縮進0.1mm；然后再切第3層，徑向在上一層的基礎(chǔ)上再切入2mm，軸向切削寬度再比上一層兩邊各縮進0.1mm，依此類推（見圖12），直至徑向深度切到圖樣尺寸略留有余量為止。

3）進行型腔左側(cè)凹槽B區(qū)域加工。換左車刀采用縱向?qū)忧蟹ǎㄒ妶D13a），從右至左沿型腔左側(cè)輪廓形狀走刀，每次軸向切入0.5mm，直至切到圖樣尺寸略留有余量為止。

4）進行型腔右側(cè)凹槽C區(qū)域加工。換右車刀同樣采用縱向?qū)忧蟹ǎㄒ妶D13b），從左至右沿型腔右側(cè)輪廓形狀走刀，每次軸向切入0.5mm，直至切到圖樣尺寸略留有余量為止。

5）整個型腔粗加工完成后，再分別用切槽刀、左車刀和右車刀先后沿型腔輪廓中段底部、左側(cè)面和右側(cè)面精走一刀，保證最終尺寸，加工完成。

6 結(jié)束語

高溫合金材料本身屬典型的難加工材料，再遇到特殊形狀的深內(nèi)型腔加工更是難上加難。本文通過設(shè)計專用刀具，確定切削方法，選用合理的切削參數(shù)，編制數(shù)控程序，滿足了零件的加工要求，提高了加工效率，為類似產(chǎn)品的加工提供了經(jīng)驗借鑒。