专利名称：发动机整体机匣加工方法
技术领域：
本发明涉及一种机械零件的加工方法，尤其是一种高速发动机叶片机匣的加工方法，具体地说是一种发动机整体机匣加工方法。
背景技术：
目前，随着发动机要求和性能的提高，发动机整流机匣的设计越来越趋向于整体结构设计，整体结构联接元件少，零件数量由原来的100-200个减少到10-20个，质量大大减轻，可靠性显著改善，可使发动机的性能指标大为提高。机匣的整体结构设计给其制造带来很多难点，整体机匣相比整体转子的加工工艺更加复杂，整体机匣由于叶片分布在机匣的内部，加工时刀具的可达性很差，且叶尖处空间狭小，加工时极易发生干涉现象；整体机匣的外部是框形结构，整体刚性较差，加工变形大，因此整体机匣的制造难度很大。如申请号为201010100905. 8，发明名称为“分步分区法整体叶轮电解加工工艺及装置”的中国专利公开了一种电解加工方法分别加工叶盆、叶背、叶根的方法。中国专利文献刊载的专利号ZL200810064153. 7，授权公告日2010年1月27日，发明名称“直纹面叶轮刀具轨迹规划加工方法”，该方法主要针对直纹曲面叶轮的加工方法进行了研究。中国专利文献刊载的申请号200810120574. 7，
公开日2010年3月3日，发明名称“一种双叶片闭式叶轮加工工艺”，该工艺运用焊接冲压叶片的方法加工了一种闭式叶轮。以上专利主要运用电解加工和焊接的方法，加工精度难以满足发动机的要求，直纹曲面是自由曲面的一种较简单的形式，其加工方法对自由曲面的零件的加工不具有指导作用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的加工方法难以满足整体机匣加工要求，且加工精度不高效率不高的问题，发明一种叶片一致性好，变形小，效率高的发动机整体机匣加工方法。本发明的技术方案是
一种发动机整体机匣加工方法，其特征是它包括以下步骤
步骤101 机匣毛坯检验工序，检验毛坯材料经锻造后是否存在锻造缺陷，检查零件外形尺寸是否符合要求，检查热处理状态是否达标；
步骤102 粗车机匣内外形工序，车削机匣内形、外形及上下端面； 步骤103 以下端面为基准，五轴数控粗铣机匣外形，并在结合面处划等份线，将整个机匣毛坯至少分为三个等份以便于五轴数控铣床的进刀和退刀； 步骤104 以等份线为基准，把机匣线切割成至少三个等份； 步骤105 进行时效去应力处理；
步骤106 磨平经步骤102车削的上下端面，控制两端面平行度误差小于或等于 0. 015mm，并以上端面为加工基准在每等份机匣上加工出二个定位销孔；
步骤107 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，对叶片进行开槽加工，最后加工结合面(即分段处)处及法兰孔；步骤108 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，精铣机匣外形至设定的公差要求； 步骤109 进行时效去应力处理；
步骤110 利用精密级的螺栓、螺母将各等份组件装成整环，再次磨平机匣上下端面， 并以上端面为基准研修定位销孔；
步骤111 以机匣下端面为基准，找正零件内孔，车削机匣内部除叶片外的其它表面至设定公差要求；
步骤112 拆卸精密螺栓和螺母，将整体机匣分成相应数量的组件； 步骤113 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，精铣叶片及分段处的结合面至设定尺寸，具体步骤包括
步骤11301 在叶片开槽加工的基础上，采用间隔加工法直接加工出一个隔一个的叶片通道，其中包括一个叶片的叶盆、流道和相邻叶片的叶背，加工完成后还有一半的叶片通道待加工；
步骤11302 分别加工叶片的上下圆角，圆角加工时走刀方向是叶片表面的V向(即叶片长度方向)，即刀具从叶片外侧向流道方向进给，刀轴矢量(轴心线)在进给时随着圆角曲面的曲率变化，保持刀轴矢量与圆角曲面切向矢量成15度；
步骤11303 在已加工的叶片通道中加入柔性支撑，再加工出另一半待加工的叶片通道，从而完成整个叶片的精加工。步骤11304:精铣机匣三等份贴合面；
步骤114 用精密螺栓和螺母将三部分组件组装成整环，得到整体机匣的成品。所述的机匣被切割成三等份分别加工。所述的柔性支撑法是用磁性微小颗粒装在一个比已加工叶片通道大一些的软布袋中，将软布袋置于已加工通道中，用手按实并封好口 ；给磁性颗粒施加一个外磁场，使其相互吸在一起，加工时起到支撑作用，叶片不会产生变形，加工完成后再施加一个相反方向的外磁场，使磁性颗粒失去磁性，从而方便的取出支撑物。所述的机匣被分割成三段，每段机匣上的定位销孔的夹角不小于60度。所述的每段机匣上的定位销孔的中心所在的圆弧段的圆心与该段机匣的圆心偏置，偏心量为0. 8 — 1. 2毫米之间。本发明的有益效果
1、本发明的加工工艺过程简单，生产的整体机匣具有较高的精度，满足使用要求。2、等份加工法(三等份)解决了整体机匣难于数控加工的技术难题，加工的可达性显著提高，避免了刀轴与机匣的干涉。3、圆角变轴插铣法使圆角加工效率大大提高，可以节约加工时间的90%左右。4、叶片间隔加工法使先加工的一组通道在刚性足够好的情况完成加工，减少了叶片的加工变形。5、柔性支撑法使支撑物在加工前处于柔性可调节的状态，加工时变为刚性支撑， 该支撑方便操作，效果好，叶片加工变形小。6、本发明方法简单易行，生产的整体机匣具有较高的精度，三等份加工法解决了整体机匣难于数控加工的技术难题。精铣叶片工序采用圆角变轴插铣法、叶片间隔加工法和柔性支撑法，加工的叶片一致性好，变形小，效率高。该工艺方法同样可以用于多级整体机匣的研制。
图1为本发明的整体机匣结构图。图2是图1的局部放大图。图3为本发明的机匣内外形最大截面粗车工序图。图4为本发明的机匣内外形粗车工序图。图5为本发明的机匣外形铣削加工工序图。图6为本发明的机匣线切割、定位销孔加工工序图。图7为本发明的叶片开槽、间隔加工法原理图。图8为本发明的圆角加工插铣法原理图。图9为本发明的柔性支撑法原理图。图10为本发明加工的机匣三等份组件成品图。以上附图标号名称1、整体机匣，101、叶片，102、流道，103、机匣三等份结合面， 104、圆角，105、叶背，106、叶盆，107、法兰孔，108、机匣外形，2、三等份组件，201、三等份结合面，202、定位销孔，203、叶片开粗槽，204、已加工通道，205、待加工通道，206、圆角，207、 软布袋，208、磁性微小颗粒。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1-10所示。一种发动机叶片整体机匣加工方法，它包括以下步骤
步骤101 机匣毛坯检验工序，进行超声波检验，检验毛坯材料是否存在夹渣、气孔、裂缝、缺损等锻造缺陷，检查零件外形尺寸是否保证各加工面上留有加工余量，检查热处理状态是否满足HRC34-38的要求，该步骤主要量具有0-200mm游标卡尺和0-500mm游标卡尺等，主要设备有USN58超声波探伤仪和JC05-PHR-16型洛氏金属硬度检测仪；
步骤102 粗车机匣内外形工序，如图3按机匣内外形最大截面粗车零件后，如图4所示撑内孔A，找正外圆C，允许外圆跳动不大于0. 02mm，车零件上部内外形及上端面B，调头夹外圆C，找正端面D和外圆E，允许跳动小于等于0. Olmm,车零件下部内外形及下端面F， 车削加工为铣削加工留Imm余量，车削去除大部分材料，可以减小后序工序的变形，提高加工效率，该步骤主要量具有0-150mm游标卡尺和0_5mm百分表等，主要设备有C620数控车床；
步骤103 如图5所示，以下端面F为基准，压G面，找正外圆，允许最大跳动0. 02mm, 五轴数控粗铣机匣外形，单边留2mm余量，所有尺寸由程序保证，根部圆角Rl. 5mm,外形粗加工让零件充分释放内应力，在结合面处刻三等份线(也可为四等份、五等份……等等，等份数越多，机匣零件数就多，一般在加工不干涉的情况下选择等份数少的，下面以三等份为例加以说明，三等份以上可参照三等份执行，如果是两等份会存在进出刀干涉的现象)，为线切割工序提供基准，该步骤主要量具有0-150mm游标卡尺和0_5mm百分表等，主要设备有 UCP710五坐标高速加工中心；
6步骤104 以等份线为基准，根据数控铣削加工的外形，一次装夹把零件切割成120度的三等份组件，如图6所示，把零件分成三等份组件也是经过多次实践的基础上得出的结论，零件分成二等份时加工刀轴会与等份结合面发生干涉现象，加工的可达性不够，无法进行加工，三等份时控制好加工时的刀轴矢量可以避免这一现象，顺利完成加工，而采用四等份件虽然刀轴矢量更加容易控制，但会增加整体机匣的零件数量，故最后决定采用三等份法加工整体机匣；
步骤105 进行时效去应力处理，在粗加工工序完成后进行时效去应力处理，主要是基于消除粗加工阶段产生的内应力的考虑，减少加工中产生的误差，保证零件的加工精度；
步骤106 磨削经步骤102车削的上端面B和下端面F，控制两端面平面度和平行度误差小于或等于0. 015mm,以B面为基准，压F面，找正外圆，允许最大跳动为0. 02mm，加工两销孔，保证销孔直径为McT cil2mm,两个销孔之间的夹角为60度左右，如图6所示，两销孔所处圆的圆心与零件圆心不重合，偏心量在在0. 8-1. 2mm之间，这样可以保证在后序工序中对结合面进行加工修整后，两销孔所在的圆心与零件圆心重合，采用销孔偏心法可以解决一块毛坯加工三个机匣组件，大大节约了成本，该步骤主要量具有0-200mm深度千分尺和 4-9. 5mm内径百分表等，主要设备有MM7132平面磨床和T4163坐标镗床；
步骤107 以机匣下端面F面为基准，销孔定位，压G面，利用五坐标数控加工中心对叶片进行开槽加工，开槽加工时机床固定一个方位，在叶片与叶片间开一个6mm的槽，在流道方向留Imm余量，如图7所示，这样可以切断叶片间的内应力的联系，但槽不宜开得过大，要给叶片留尽可能多的余量，为后序的间隔加工法作保证，最后加工结合面处及法兰孔，保证孔的直径满足04Q+°_°12mm的要求，该步骤主要量具有0-5mm百分表等，主要设备有UCP710五坐标高速加工中心；
步骤108 以机匣下端面F面为基准，销孔定位，压G面，利用五坐标数控加工中心对机匣的外形进行精加工(即加工至误差允许的范围之内，下同)，零件外形尺寸由数控加工程序保证，先进行机匣外形精加工是为了保证外形加工引起的变形不影响叶片的精度，在外形精加工后，进行去应力和重修基准处理后再进行叶片的精加工，从而保证叶片的加工精度，该步骤主要量具有0-5mm百分表等，主要设备有UCP710五坐标高速加工中心；
步骤109 进行时效去应力处理，在叶片精加工前进行二次时效处理，主要是消除叶片开槽加工和外形精加工阶段产生的内应力，保证叶片的加工精度；
步骤110 利用工艺精密螺栓、螺母(也可中采用普通精度的螺栓螺母)将三等份组件组装成一整环，再次磨削机匣上端面B和下端面F，并以上端面B面为基准研修定位销孔，时效去应力处理后加工基准面F和两基准孔都会发生变形，基准的精度很难保证，为了提高零件的加工质量，通过再次修正基准的手段来实现，该步骤主要量具有0-200mm深度千分尺和4-9. 5mm内径百分表等，主要设备有MM7132平面磨床和T4163坐标镗床；
步骤111 以机匣下端面F面为基准，找正零件内孔，分两次装夹精密车削机匣内部除叶片外的其它表面，该步骤主要量具有0-150mm游标卡尺和0_5mm百分表等，主要设备有 C620数控车床；
步骤112 拆卸精密螺栓和螺母，将整体机匣分成三部分组件，便于分别进行三组件的叶片精加工；
步骤113 以机匣下端面F面为基准，销孔定位，精铣叶片及结合面，该步骤主要量具有0-5mm百分表等，主要设备有UCP710五坐标高速加工中心，具体步骤包括
步骤11301 在叶片开槽加工的基础上，直接加工出一个隔一个的叶片通道，其中包括一个叶片的叶盆、流道和相邻叶片的叶背，加工完成后还有一半的叶片通道待加工，如图7 所示，安排这种间隔加工法可以使叶片在有足够刚性的情况下完成叶盆、流道和叶背的加工，如果连续加工叶片通道，叶片加工时刚性会很差，加工后会引起很大的弹性变形，加工误差一般在0. 1-0. 2mm且误差分布很不均勻，靠近叶尖处的误差最大，而间隔加工法加工的叶片误差小于0. 03mm，表面无振纹；
步骤11302 分别加工叶片的上下圆角，圆角加工时走刀方向是叶片表面的V向，即刀具从叶片外侧向流道方向进给，如图8所示，刀轴矢量在进给时随着圆角曲面的曲率变化， 一般保持在刀轴矢量与圆角曲面切向矢量成15度为宜，圆角加工我们原来采用的是分层精加工法，在圆角加工时机床C轴转动角度很大，加工效率很低，一般加工一个圆角需要30 分钟左右，现采用的圆角变轴插铣法，选用一种平底带R刀具，可以增加刀具的直径，减少插铣的次数，一般一个圆角插铣5次左右即能得到较好的尺寸和形状精度，由于加工时机床的A轴和C轴转动很小，因此加工时间显著缩短到2-3分钟，加工效率提高了 10倍。步骤11303 如图9所示，在已加工的叶片通道中采用柔性支撑法，再加工出另一半待加工的叶片通道，从而完成整个叶片的精加工，如图10所示，柔性支撑法即用磁性微小颗粒装在一个比已加工叶片通道大一些的软布袋中，将软布袋置于已加工通道中，用手按实并封好口。给磁性颗粒施加一个外磁场，使其相互吸在一起，加工时起到支撑作用， 叶片不会产生变形。加工完成后再施加一个相反方向的外磁场，使磁性颗粒失去磁性，从而方便的取出支撑物。由于叶片之间的空间狭小且曲面形状复杂，无法采用刚性支撑，采用其他支撑方法都必然要先加工出与叶片曲面一样的复杂曲面，而我们采用的柔性支撑法，无需进行任何加工，操作方便，支撑效果好，在生产现场易于操作，加工误差可以控制在 0. 03-0. 05mm之间，完全满足整体机匣叶片误差0. Imm的要求；
步骤11304 精铣机匣三等份结合面，由于定位销孔与零件中心存在一个小的偏心，去除贴合面的余量可以使两销孔所在圆的圆心与零件的中心重合，使组装后的机匣叶片分布在同一个中心上；
步骤114 用精密螺栓和螺母将三部分组件组装成整环，得到整体机匣的成品，如图1 所示，在以上工序中我们安排了二次时效去应力处理，二次精磨加工基准是为逐步消除加工变形对零件加工质量的影响，在试验件加工时我们未安排这些工序，加工后三部分组件难于组装，组装后检测的误差很大，不能满足要求，在总结失败经验的基础上，我们安排了这些工序，取得了较好的效果。将经过上述步骤加工的机匣在三坐标测量机上检测，结果完全满足机匣的设计要求，尤其是叶片部分的最大误差控制在0. 05mm左右，相比普通工艺加工的机匣叶片误差 0. 2mm有显著提高。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种发动机整体机匣加工方法，其特征是它包括以下步骤步骤101 机匣毛坯检验工序，检验毛坯材料经锻造后是否存在锻造缺陷，检查零件外形尺寸是否符合要求，检查热处理状态是否达标；步骤102 粗车机匣内外形工序，车削机匣内形、外形及上下端面； 步骤103 以下端面为基准，五轴数控粗铣机匣外形，并在结合面处划等分线，将整个机匣毛坯至少分为三个等份以便于五轴数控铣床的进刀和退刀； 步骤104 以等份线为基准，把机匣线切割成至少三个等份； 步骤105 进行时效去应力处理；步骤106 磨平经步骤102车削的上下端面，控制两端面平行度误差小于或等于 0. 015mm，并以上端面为加工基准在每等份机匣上加工出二个定位销孔；步骤107 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，对叶片进行开槽加工，最后加工结合面处及法兰孔；步骤108 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，精铣机匣外形至设定的公差要求； 步骤109 进行时效去应力处理；步骤110 利用精密级的螺栓、螺母将各等份组件装成整环，再次磨平机匣上下端面， 并以上端面为基准研修定位销孔；步骤111 以机匣下端面为基准，找正零件内孔，车削机匣内部除叶片外的其它表面至设定公差要求；步骤112 拆卸精密螺栓和螺母，将整体机匣分成若干组件；步骤113 以机匣下端面为基准，定位销孔定位，精铣叶片及分段处的结合面至设定尺寸，具体步骤包括步骤11301 在叶片开槽加工的基础上，采用间隔加工法直接加工出一个隔一个的叶片通道，其中包括一个叶片的叶盆、流道和相邻叶片的叶背，加工完成后还有一半的叶片通道待加工；步骤11302 分别加工叶片的上下圆角，圆角加工时走刀方向是叶片表面的V向，即刀具从叶片外侧向流道方向进给，刀轴矢量(轴心线)在进给时随着圆角曲面的曲率变化，保持刀轴矢量与圆角曲面切向矢量成15度；步骤11303 在已加工的叶片通道中加入柔性支撑，再加工出另一半待加工的叶片通道，从而完成整个叶片的精加工；步骤11304 精铣机匣三等份贴合面；步骤114 用精密螺栓和螺母将三部分组件组装成整环，得到整体机匣的成品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的机匣被切割成三等份。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的柔性支撑法是用磁性微小颗粒装在一个比已加工叶片通道大一些的软布袋中，将软布袋置于已加工通道中，用手按实并封好口 ； 给磁性颗粒施加一个外磁场，使其相互吸在一起，加工时起到支撑作用，叶片不会产生变形，加工完成后再施加一个相反方向的外磁场，使磁性颗粒失去磁性，从而方便的取出支撑物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的机匣被分割成三段，每段机匣上的定位销孔的夹角不小于60度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的每段机匣上的定位销孔的中心所在的圆弧段的圆心与该段机匣的圆心偏置，偏心量为0. 8—1. 2毫米之间。
全文摘要
一种发动机整体机匣加工方法，其特征是它主要包括毛坯检验、粗车机匣内外形、数控铣削机匣外形及刻三等份线、以等份线为基准把机匣线切割成三等份、时效去应力处理、磨上下端面并在下端面加工二个定位销孔、叶片开槽并加工结合面处及法兰孔、精铣机匣外形、再次时效处理、装配三等份组件并重修基准、精车机匣内表面、拆卸机匣组件、精铣叶片、装配机匣组件。其中精铣叶片工序采用圆角变轴插铣法、叶片间隔加工法和柔性支撑法。本发明的加工工艺过程简单，生产的整体机匣具有较高的精度，叶片加工的一致性好，变形小，效率高，三等份加工法解决了整体机匣难于数控加工的技术难题，该工艺方法同样可以用于多级整体机匣的研制。
文档编号B23P15/02GK102248380SQ20111018523
公开日2011年11月23日 申请日期2011年7月4日 优先权日2011年7月4日
发明者何磊, 王恒厂, 王珉, 耿习琴, 郝小忠, 鲍益东 申请人:南京航空航天大学