一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法

1.本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法。


背景技术：

2.目前，在镍基合金的数控铣削中，具有对薄壁镍基合金工件外侧面(是薄壁镍基合金工件的腔体侧面)的加工需求。鉴于薄壁镍基合金工件的侧壁为直立面，因此，这类零件的加工通常选用立铣刀进行分层加工。
3.镍基高温合金非常难铣削加工，因为在铣削时的切削高温容易造成刀具粘刀(即刀具粘上刀屑)，如果采用常规的直线轨迹铣削，不仅刀具在切削时所粘的刀屑不容易排出，还容易导致明显的刀具磨损，进而导致零件的加工精度差。
4.通常而言，零件铣削加工的刀具的磨损，是由零件材料性能和尺寸决定的，零件材料越硬，零件形状尺寸越大，所需切削长度越长，会影响到零件的加工质量。
5.因此，目前急需开发一种技术，其能够对薄壁镍基合金工件的腔体侧面进行铣削精加工。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法。
7.为此，本发明提供了一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法，包括以下步骤：
8.第一步，采用数控机床的液压台钳装夹待加工的薄壁镍基合金工件，薄壁镍基合金工件是一个腔体，该腔体具有顶部开口的内腔；
9.第二步，在薄壁镍基合金工件具有的内腔中放入一个塞块，通过塞块对薄壁镍基合金工件的四周薄壁进行支撑；
10.第三步，以正弦波轨迹作为刀路轨迹，利用pcd刀具对薄壁镍基合金工件的右侧壁进行分层铣削加工，获得加工后的工件轮廓。
11.优选地，在第二步中，塞块的形状大小，与薄壁镍基合金工件内腔的形状大小相对应匹配。
12.优选地，在第三步中，当利用pcd刀具对薄壁镍基合金工件的右侧壁进行分层铣削加工时，通过液氮压力罐的喷管，向薄壁镍基合金工件的铣削面以及刀具喷射液氮，实现对薄壁镍基合金工件的铣削面以及刀具表面的降温处理。
13.优选地，在第三步中，正弦波的周长，等于pcd刀具的直径的两倍；
14.在第三步中，正弦波的振幅，等于pcd刀具的直径。
15.优选地，所述第三步，具体包括以下步骤：
16.步骤s1，利用数控编程软件simens nx建立薄壁镍基合金工件的三维模型，同时在
薄壁镍基合金工件三维模型的右侧壁上绘制一条正弦波的轨迹线，并将该正弦波的轨迹线拉伸为正弦曲面，该正弦波的轨迹线被拉伸的长度等于pcd刀具的半径；
17.步骤s2，采用数控编程软件simens nx中的固定轴铣削编程方式，选用单向铣削编程模式，然后选定由步骤s1所拉伸获得的正弦曲面为切削区域，并且设置数控机床的主轴转速为每分钟5000转，侧壁余量为0.05毫米，生成第一初始刀具轨迹，该第一初始刀具轨迹为正弦波方式的铣削轨迹；
18.其中，数控机床的主轴，与pcd刀具的刀柄顶部相连接；
19.步骤s3，利用数控编程软件simens nx，将步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹向下方进行预设次数的复制偏移，生成多个第一复制偏移后刀具轨迹，其中，多个第一复制偏移后刀具轨迹中位于最下方的刀具轨迹的位置，是通过将步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹沿着薄壁镍基合金工件三维模型的右侧壁下移预设的距离后获得；
20.步骤s4，利用数控编程软件simens nx，选中由步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹以及由步骤s3所生成的多个第一复制偏移后刀具轨迹，在数控编程软件simens nx的后置处理中生成第一刀具路径，然后导入数控机床，由数控机床以第一刀具路径作为刀路轨迹，利用pcd刀具对薄壁镍基合金工件的右侧壁进行分层铣削加工；
21.步骤s5，重复采用数控编程软件simens nx中的固定轴铣削编程方式，选用单向铣削编程模式，选定由步骤s1所拉伸获得的正弦曲面为切削区域，并且设置数控机床的主轴转速为每分钟8000转，侧壁余量为0，重新生成第二初始刀具轨迹，该第二初始刀具轨迹为正弦波方式的铣削轨迹；
22.步骤s6，利用数控编程软件simens nx，将步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹进行预设次数的复制偏移，生成多个第二复制偏移后刀具轨迹，其中，多个第二复制偏移后刀具轨迹中位于最下方的刀具轨迹的位置，是将步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹沿着薄壁镍基合金工件三维模型的右侧壁下移预设的距离后获得；
23.步骤s7，利用数控编程软件simens nx，选中由步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹以及由步骤s6所生成的多个第二复制偏移后刀具轨迹，在数控编程软件simens nx的后置处理中生成第二刀具路径，然后导入数控机床由数控机床以第二刀具路径作为刀路轨迹，利用pcd刀具对薄壁镍基合金工件的右侧壁进行分层铣削加工，最终获得加工后的工件轮廓。
24.优选地，在步骤s3中，预设的距离等于pcd刀具的半径；
25.在步骤s3中，复制偏移的预设次数，等于薄壁镍基合金工件3三维模型的高度除以pcd刀具的半径之商。
26.优选地，在步骤s4中，数控机床以第一刀具路径作为刀路轨迹时，具体进行分层铣削加工的操作为：按照高度从高到低的顺序，运行第一刀具路径包括的第一初始刀具轨迹以及由步骤s3所生成的多个第一复制偏移后刀具轨迹。
27.优选地，在步骤s6中，预设的距离等于pcd刀具的半径；
28.在步骤s6中，复制偏移的预设次数，等于薄壁镍基合金工件三维模型的高度除以pcd刀具的半径之商。
29.优选地，在步骤s7中，数控机床以第二刀具路径作为刀路轨迹时，具体进行分层铣削加工的操作为：按照高度从高到低的顺序，运行第二刀具路径包括的第二初始刀具轨迹
以及由步骤s6所生成的多个第二复制偏移后刀具轨迹。
30.由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法，其设计科学，用于对镍基合金工件的外侧壁进行铣削精加工，本发明通过在加工中采用正弦波轨迹的铣削操作，切削时所粘住的切屑能及时排出，同时采用低温液氮对工件的铣削面以及刀具及时进行降温，有效降低工件的铣削面和刀具的铣削发热温度，有效避免由于铣削时的切削高温而造成的刀具粘刀(即粘上刀屑)，从而实现对镍基合金工件的铣削精加工，具有重大的实践意义。
附图说明
31.图1为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法的工作流程图；
32.图2为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法，所使用的各相关加工设备的位置关系示意图；
33.图3为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法中，薄壁镍基合金工件的装夹状态示意图；
34.图4为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法中，薄壁镍基合金工件的装夹结构的立体爆炸分解示意图；
35.图5为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法中，在步骤s2中所形成的第一初始刀具轨迹的示意图。
36.图6为本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法中，在步骤s3中所形成的第一初始刀具轨迹以及在两次复制偏移后获得的第一复制轨迹和第二复制轨迹的示意图；
37.图中，1为液氮压力罐，2为液压台钳，3为薄壁镍基合金工件，4为塞块，5为喷管；
38.6为pcd刀具，7为第一刀具路径。
具体实施方式
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
40.参见图1至图6，本发明提供了一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法，包括以下步骤：
41.第一步，采用数控机床的液压台钳2装夹待加工的薄壁镍基合金工件3，薄壁镍基合金工件3是一个腔体，该腔体具有顶部开口的内腔；
42.在本发明中，需要说明的是，薄壁镍基合金工件3是腔体为薄壁的零件，工件比较薄，腔体(薄壁)的厚度范围在2mm-6mm，加工容易变形，同时对于镍基合金材质的薄壁腔体，在铣削时存在粘刀的问题，不容易加工。
43.第二步，在薄壁镍基合金工件3具有的内腔中放入一个塞块4，通过塞块4对薄壁镍基合金工件3的四周薄壁进行支撑；
44.在第二步中，具体实现上，塞块4的形状大小，与薄壁镍基合金工件3内腔的形状大小相对应匹配。
45.在第二步中，具体实现上，塞块4的外径，比薄壁镍基合金工件3内腔的内径小0.01毫米。
46.第三步，以正弦波轨迹作为刀路轨迹，利用pcd刀具6对薄壁镍基合金工件3的右侧壁进行分层铣削加工，获得加工后的工件轮廓；
47.在第三步中，当利用pcd刀具6对薄壁镍基合金工件3的右侧壁进行分层铣削加工时，通过液氮压力罐(例如杜瓦罐)1的喷管5，向薄壁镍基合金工件3的铣削面以及刀具喷射液氮，实现对薄壁镍基合金工件3的铣削面以及刀具表面的降温处理。
48.需要说明的是，对于本发明，通过液氮实现对薄壁镍基合金工件3的铣削面以及刀具表面的降温处理，能够有效降低工件的铣削面和刀具的铣削发热温度，有效避免由于铣削时的切削高温而造成的刀具粘刀(即粘上刀屑)。
49.需要说明的是，对于本发明，在第三步中，具体实现上，将液氮压力罐(例如杜瓦罐)1放置在数控机床旁边，打开液氮压力罐的阀门，将液氮按每分钟5毫升的量，喷到薄壁镍基合金工件3的铣削面，对正在进行铣削加工操作的薄壁镍基合金工件3表面进行低温处理。
50.需要说明的是，对于本发明，为了防止pcd刀具6被铣削的切屑粘刀，铣削的轨迹设置为正弦波。
51.对于本发明，将铣削的轨迹设置为正弦波，能够使得pcd刀具在高度方向有微小的振幅，从容易将粘在刀具上的微小切屑快速排出。
52.在第三步中，具体实现上，正弦波的周长，等于pcd刀具6的直径的两倍。具体实现上，pcd刀具采用直径6mm的pcd刀具，则正弦波的周期为12mm，振幅为6mm。
53.需要说明的是，在本发明中，正弦波的周长等于pcd刀具6直径的两倍，以便核对pcd刀具6的轨迹，将pcd刀具放在正弦波的铣削轨迹上，pcd刀具的刀尖刚好对应于正弦波的起点和中点，方便切削时时，技术人员核对轨迹形状与理论形状的吻合程度，让技术人员，能快速判断实际切削轨迹与理论轨迹的差别，通过目视能观察到。
54.在第三步中，具体实现上，正弦波的振幅，等于pcd刀具6的直径。
55.需要说明的是，在本发明中，关于正弦波的振幅的大小的设置，根据铣刀刀刃结构特点，一般刀刃长度一般超过刀具直径的2倍以上，当正弦波的振幅的大小等于刀具(即pcd刀具6)的直径时，铣削刀具能均衡使用，减少刀具的不均匀磨损，即可充分利用铣刀，防止铣刀某一高度上磨损较快，提高刀具的耐磨性。
56.具体实现上，所述第三步具体包括以下步骤：
57.步骤s1，利用数控编程软件simens nx建立薄壁镍基合金工件3的三维模型，同时在薄壁镍基合金工件3三维模型的右侧壁上绘制一条正弦波的轨迹线，并将该正弦波的轨迹线拉伸为正弦曲面，该正弦波的轨迹线被拉伸的长度(即拉伸的尺寸)等于pcd刀具6的半径；
58.步骤s2，采用数控编程软件simens nx中的固定轴铣削编程方式，选用单向铣削编程模式，然后选定由步骤s1所拉伸获得的正弦曲面为切削区域，并且设置数控机床的主轴转速为每分钟5000转，侧壁余量为0.05毫米，生成第一初始刀具轨迹，该第一初始刀具轨迹为正弦波方式的铣削轨迹；参见图5所示，图5显示了本发明获得的第一初始刀具轨迹7。
59.其中，数控机床的主轴，与pcd刀具6的刀柄顶部相连接；
60.需要说明的是，在本发明中，选用单向铣削编程模式，可以保证正弦轨迹铣削时，刀具朝着一个方向加工，避免往复铣削对侧面精度的影响。
61.在本发明中，侧壁余量的含义，是该铣削工序加工后，工件侧壁未铣削的侧壁厚度。
62.在步骤s2中，侧壁余量设置为0.05毫米，表示铣削后工件侧壁还留有0.05毫米，为后续步骤的精加工留余量。
63.步骤s3，利用数控编程软件simens nx，将步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹向下方进行预设次数的复制偏移，生成多个第一复制偏移后刀具轨迹，其中，多个第一复制偏移后刀具轨迹中位于最下方的刀具轨迹的位置，是通过将步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹沿着薄壁镍基合金工件3三维模型的右侧壁下移预设的距离后获得；参见图6所示，图6显示了本发明获得的第一初始刀具轨迹7以及在两次复制偏移后获得的第一复制轨迹8和第二复制轨迹9。
64.在步骤s3中，预设的距离等于pcd刀具6的半径；
65.需要说明的是，预设的距离等于pcd刀具6的半径，因为pcd刀具铣削侧壁时，为精确铣削到所有表面，铣削的高度为刀具的半径，可减少铣削次数且能保证所有表面都能铣削到。
66.在步骤s3中，复制偏移的预设次数，等于薄壁镍基合金工件3三维模型的高度除以pcd刀具6的半径之商。
67.步骤s4，利用数控编程软件simens nx，选中由步骤s2所生成的第一初始刀具轨迹以及由步骤s3所生成的多个第一复制偏移后刀具轨迹(即选中所有刀具轨迹)，在数控编程软件simens nx的后置处理中生成第一刀具路径，然后导入数控机床(具体为将所有刀具轨迹转换为数控代码形式的第一刀具路径，然后导入数控机床)，由数控机床以第一刀具路径作为刀路轨迹，利用pcd刀具6对薄壁镍基合金工件3的右侧壁进行分层铣削加工(即第一次粗加工)。
68.需要说明的是，数控机床根据数控代码形式的第一刀具路径(即第一数控程序)，对薄壁镍基合金工件3的右侧壁按照第一刀具路径进行分层铣削加工操作。
69.在步骤s4中，数控编程软件simens nx的后置处理，具体是将刀具轨迹转换为数控代码(即第一刀具路径实际是数控代码)，以便将该数控代码输入到数控机床。
70.在步骤s4中，需要说明的是，数控机床以第一刀具路径作为刀路轨迹时，具体进行分层铣削加工的操作为：先运行最上方的第一初始刀具轨迹7，接着依次运行第一复制轨迹8和第二复制轨迹9，即按照高度从高到低的顺序，运行第一刀具路径包括的第一初始刀具轨迹以及由步骤s3所生成的多个第一复制偏移后刀具轨迹。
71.步骤s5，重复采用数控编程软件simens nx中的固定轴铣削编程方式，选用单向铣削编程模式，选定由步骤s1所拉伸获得的正弦曲面为切削区域，并且设置数控机床的主轴转速为每分钟8000转，侧壁余量为0，重新生成第二初始刀具轨迹，该第二初始刀具轨迹为正弦波方式的铣削轨迹；
72.需要说明的是，第二初始刀具轨迹的图形与第一初始刀具轨迹的图形类似；
73.其中，数控机床的主轴，与pcd刀具6的刀柄顶部相连接；
74.需要说明的是，在本发明中，选用单向铣削编程模式，可以保证正弦轨迹铣削时，
刀具朝着一个方向加工，避免往复铣削对侧面精度的影响。
75.需要说明的是，在本发明中，第二初始刀具轨迹与第一初始刀具轨迹的轨迹形状相同，但是所附带的工艺参数不一样，例如，主轴转速提高到每分钟8000转。
76.在本发明中，侧壁余量的含义，是该铣削工序加工后，工件侧壁未铣削的侧壁厚度。
77.在步骤s5中，侧壁余量为0毫米，即该铣削工序加工后，工件侧壁未铣削的侧壁厚度为0mm。
78.在步骤s5中的侧壁余量设置为0毫米，表示工件已经铣削到位，完成零件精加工。
79.步骤s6，利用数控编程软件simens nx，将步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹进行预设次数的复制偏移，生成多个第二复制偏移后刀具轨迹，其中，多个第二复制偏移后刀具轨迹中位于最下方的刀具轨迹的位置，是将步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹沿着薄壁镍基合金工件3三维模型的右侧壁下移预设的距离后获得；
80.在步骤s6中，预设的距离等于pcd刀具6的半径；
81.需要说明的是，预设的距离等于pcd刀具6的半径，因为pcd刀具铣削侧壁时，为精确铣削到所有表面，铣削的高度为刀具的半径，可减少铣削次数且能保证所有表面都能铣削到。
82.在步骤s6中，复制偏移的预设次数，等于薄壁镍基合金工件3三维模型的高度除以pcd刀具6的半径之商。
83.步骤s7，利用数控编程软件simens nx，选中由步骤s5所生成的第二初始刀具轨迹以及由步骤s6所生成的多个第二复制偏移后刀具轨迹(即选中所有刀具轨迹)，在数控编程软件simens nx的后置处理中生成第二刀具路径，然后导入数控机床(具体为将所有刀具轨迹转换为数控代码形式的第二刀具路径，然后导入数控机床)，由数控机床以第二刀具路径作为刀路轨迹，利用pcd刀具6对薄壁镍基合金工件3的右侧壁进行分层铣削加工(即第二次精加工)，最终获得加工后的工件轮廓。
84.需要说明的是，在本发明中，第一刀具路径与第二刀具路径为加工中两个工序，其中，第一刀具路径为粗加工路径，第二刀具路径为精加工路径。
85.在步骤7中，数控编程软件simens nx的后置处理，具体是将刀具轨迹转换为数控代码(即第二刀具路径实际是数控代码)，以便将该数控代码输入到数控机床。
86.在步骤s7中，需要说明的是，数控机床以第二刀具路径作为刀路轨迹时，具体进行分层铣削加工的操作为：先运行最上方的第二初始刀具轨迹，接着依次运行下方的多个复制轨迹，即按照高度从高到低的顺序，运行第二刀具路径包括的第二初始刀具轨迹以及由步骤s6所生成的多个第二复制偏移后刀具轨迹。
87.基于以上技术方案可知，对于本发明，采用液氮低温冷却薄壁镍基合金工件3，同时刀具的铣削轨迹设置为正弦波形，可以有效降低刀具的磨损、促进铣削过程所产生的切屑排出，减少由于刀具磨损所导致的零件加工误差，整体提高薄壁镍基合金工件3的加工精度和生产效率。
88.综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种薄壁镍基合金工件外侧壁的精密铣削加工方法，其设计科学，用于对镍基合金工件的外侧壁进行铣削精加工，本发明通过在加工中采用正弦波轨迹的铣削操作，切削时所粘住的切屑能及时排出，同时采用低温液
氮对工件的铣削面以及刀具及时进行降温，有效降低工件的铣削面和刀具的铣削发热温度，有效避免由于铣削时的切削高温而造成的刀具粘刀(即粘上刀屑)，从而实现对镍基合金工件的铣削精加工，具有重大的实践意义。
89.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。