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1、上海交通大学工程硕士学位论文 申请上海交通大学工程硕士学位论文高效精密枞树型轮槽铣刀设计制备准则及其试验研究学 校：上海交通大学院 系：机械与动力工程学院工程领域：机械制造及其自动化交大导师：陈明 教授企业导师：孟璋琪 高工工程硕士：孟漪学 号：1090212030上海交通大学机械与动力工程学院2011年11月Thesis Submitted to shanghai Jiao Tong Universityfor the Degree of Engineering MasterThe Design And Manufacturing Principle and the Experiment S
2、tudy on High Efficiency and Precise Fir tree milling cutterM.D Candidate：Yi MengSupervisor()： Min ChenSupervisor()： Zhangqi MengSpeciality： Mechanical EngineeringSchool of Mechanical EngineeringShanghai Jiaotong UniversityShanghai,P.R.China Aug,2011上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所
3、取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 日期：_上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（
4、请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：_ 指导教师签名：_日期：_ 日期：_上海交通大学工程硕士学位论文 摘要高效精密枞树型轮槽铣刀设计制备准则及其试验研究摘 要金属切削加工作为制造技术中最主要的工艺技术，决定着制造业中零件的加工效率、精度、质量和成本。近几十年来，高效先进刀具得到了很大的发展，先进刀具从材料及刀具结构都发生了巨大的变化。本课题针对高效、高性能刀具的高效率、高速度、高精度和工业化生产的两大需求，以枞树型轮槽铣刀为列，来研究高效、高性能刀具的设计及其试验研究。枞树型轮槽铣刀用来加工汽轮机转子根部轮槽，总体来说，目前我国加工汽轮机转子用枞树型轮槽铣刀设计制造水平还比较低，尤其是精
5、加工刀具还主要依赖进口刀具为主。高效先进枞树型轮槽铣刀的研究，需从刀具结构设计、刃磨仿真技术、制造工艺技术等多方面努力，以此提升我国汽轮机行业的制造技术水平以及参与国际市场的竞争实力，推动工具行业快速持续发展。本文主要研究枞树型轮槽铣刀的设计与制备，以及仿真技术对刀具结构设计的应用；通过建模仿真的研究，以此进行刀具结构设计对刀具切削影响的理论分析；同时通过加工现场切削试验，研究刀具加工时产生的切削力、切削温度、切削振动，对刀具的结构设计进行验证，从而解决先进刀具应用问题。关键词：枞树型轮槽铣刀，高效，精密，先进刀具 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACTThe Design And M
6、anufacturing Principle and the Experiment Study on High Efficiency and Precise Fir tree milling cutterABSTRACTMetal cutting is one of the major processing technology in the manufacturing technology. It decides the machining efficiency, precision, quality and cost. In the past years, high efficiency
7、and advanced tools have a prodigious development. Advanced tools experience a great change from the material to the Structure. This project aims to meet the two needs of high efficiency, high speed, high precision and industrial production. And the project takes example for the fir tree milling cutt
8、er, to study the design and experiment of the high efficiency and high performance tools.Fir tree milling cutter is used to process the fir-type grooves in rotors. Generally speaking, the manufacturing and designing level of the fir tree milling cutter is lower than some countries, especially the fi
9、nishing tools major rely on the imports. So the study on high efficiency and advanced fir tree milling cutter must take effort to the structure designing, grinding simulation technology, manufacturing technology and so on. Thus we can improve the manufacturing level of the steam turbine industry and
10、 competitive strength taking part in the international market, in order to promote the rapid and sustainable development in the tools industry.This paper major study the application to the tool modeling and the grinding simulation of technology tool structure designing. Through the study on the mode
11、ling simulation, we can have a theoretic analysis that the design of tool structure has a impact on the tool cutting. Also through the cutting experiment on the working scene, we can study the cutting force, cutting temperature, cutting vibration produced in the machining process. It can help us ver
12、ify the design of tool structure in order to solve the application of the advanced tools. Key Words：fir tree milling cutter，high efficiency，precise，advanced tools 上海交通大学工程硕士学位论文 目录目 录目 录第一章 绪论.11.1 引言11.2 研究历程及其国内外现状11.3 课题的来源及研究意义31.4 课题的主要内容3第二章 枞树型轮槽铣刀结构设计与制备.42.1 研究工作背景介绍42.2 高效精密枞树型轮槽铣刀设计研究42.2
13、.1粗切枞树型轮槽铣刀设计52.2.2半精切枞树型轮槽铣刀设计82.2.3精切枞树型轮槽铣刀设计102.2.4 枞树型轮槽铣刀设计准则132.3 高效精密枞树型轮槽铣刀制备132.3.1 传统铲磨工艺分析142.3.2 枞树型轮槽铣刀高效、精密磨削工艺分析152.4 本章小结16第三章 枞树型轮槽铣刀建模仿真研究.173.1 建模仿真研究基本思想173.2 枞树型轮槽铣刀建模仿真研究183.2.1枞树型轮槽铣刀模型建立183.2.2 刀具切削温度仿真预测分析203.2.3 刀具切削力仿真预测分析233.3 本章小结27第四章 枞树型轮槽铣刀切削试验研究.284.1验内容和方案284.1.1 试
14、验目的和内容284.1.2 试验方案284.2加工过程中的温度分析324.3 切削加工过程中的力分析354.4切削加工过程中的振动分析384.5加工现场的切屑分析394.5.1粗加工刀具切屑形貌分析394.5.2半精加工刀具切屑形貌分析404.5.3精加工刀具切屑形貌分析414.6加工现场刀具磨损情况分析424.6.1粗加工刀具磨损分析424.6.2半精加工刀具磨损分析444.7本章小结47第五章 总结与展望485.1总结485.2本文的不足及展望48参考文献.50致 谢52攻读硕士期间发表的学术论文.53 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言随着我国国民经济的高
15、速发展，对电力的需求呈快速增长之势。近几年来，我国电力需求增长每年达1520%左右。因此，我国电站建设压力很大，而电站机组的单机容量也随着大型火电设备设计制作技术的提高，趋向大型化。我国大型火力发电厂的单机容量从300MW到亚临界600MW等级，目前正在向超临界1000MW等级大型汽轮发电机组发展。在今后数年内，1000MW大型汽轮发电机组必将成为我国大型火力发电厂的主力机组1-4。汽轮机主要由转子和静体两部分组成。转子是汽轮机的核心部件，在高温高压的蒸汽介质中，承受着离心力、弯矩和扭矩的作用，工作条件非常恶劣，因此，汽轮机转子加工质量的好坏将直接影响到整个汽轮机的性能，而轮槽的加工又是转子加
16、工中最为关键、最为困难的加工。百万级水泵汽轮机轮槽结构采用的是枞树型轮槽，这种结构的轮槽增大了叶根与轮槽的接触面积，使载荷分布更加均匀，但其尺寸精度要求高，加工制造困难。这就给枞树型轮槽铣刀的设计带来了很多问题，需要在刀具材料、刀具结构、设计细节和刀具镀层等方面进行深入研究。金属切削加工作为制造技术中最主要的工艺技术，决定着制造业中零件的加工效率、精度、质量和成本5。即使到下个世纪切削加工仍将是机械制造业最基本最大量的工艺技术，必须给予充分重视。 充分认识并努力推广应用先进切削技术和高效刀具，提高加工生产效率，降低成本，加强企业的竞争力，已是我国机械制造业发展所面临的需要尽快解决的重大问题6。
17、就目前枞树型刀具发展情况而言，国内刀具行业起步晚、起点低，近年来日本、美国等工业发达国家相继开发出轮槽分屑铣刀、硬质合金镶片等新型产品并用于生产，但价格非常昂贵。少数国内骨干工具企业虽可以生产部分加工汽轮机转子用枞树型轮槽铣刀，但在刀具品种、刀具质量、刀具性能稳定性和提供整体配套服务能力等方面与国外刀具制造商还有很大差距，使得国内汽轮机行业用枞树型轮槽铣刀仍以进口为主。进口刀具产品档次高、形状精度及位置精度高、加工产品质量稳定性好、整体配套服务能力强。总体来说，目前我国加工汽轮机转子用枞树型轮槽铣刀设计制造水平还比较低，尤其是精加工刀具还主要依赖进口刀具为主。高效先进枞树型轮槽铣刀的研究，需从
18、刀具结构设计、刃磨仿真技术、制造工艺技术等多方面努力，以此提升我国汽轮机行业的制造技术水平以及参与国际市场的竞争实力，推动工具行业快速持续发展。1.2 研究历程及其国内外现状由于汽轮机转子是采用整锻转子形式，加工时需要非常谨慎，一旦其中一个轮槽加工有误，引起的损失将非常大，因此在加工前对加工的难点及可能引起的问题要进行充分地分析。 如图1、图2：要加工的枞树型分为内外两种形式： 图1内枞树 图2外枞树 Fig.1 Internal fir-type Fig.2 External fir-type在汽轮机制造行业，生产这些整体式转子最耗时间工序之一是加工汽轮机叶根槽。 叶根槽是叶片在转子上的定位
19、点，最常见的叶根槽形式是枞树型槽。汽轮机转子轮槽的加工是一道非常重要同时又很复杂的工序。由于枞树型叶根轮槽形状复杂且精度要求高，通常采用成型法加工，主要方法包括成形拉削和成形铣削两种：（1） 成型拉削加工轮槽拉削效率较高，但需在专业拉床设备上完成，适合盘状叶轮的加工，且轮槽拉刀价格昂贵，制造及修磨难度较大。对于整锻转子，目前尚不具备轮槽拉削的工艺条件和能力7。（2）成型铣削加工此种加工方法是目前行业内最常用的加工方法。根据轮槽的大小及形状一般采用3刀或4刀的加工方法（铣削包括开槽、粗铣型线和精铣，粗铣型线一般分为一刀或两刀加工）。枞树型轮槽采用3刀或4刀加工，由于其轮槽最窄处尺寸较小，铣刀对应
20、部位因刀具容屑槽等结构尺寸的限制，刀具的结构强度和容屑能力受到限制，如直接采用成型粗铣进行粗加工，切削量大，容易因切削抗力、振动过大及切屑阻塞导致刀具断裂。因此采用粗切、粗铣与精铣加工，能有效减小刀具的切削用量，减小刀具切削负荷。枞树型轮槽型线复杂，尺寸要求精度高，型线尺寸多为封闭尺寸。通常，枞树型轮槽轮廓度公差范围在0.070.10，主、次工作面间的间距误差范围在0.00910.013，产品精度要求很高，对于成形铣削加工而言，除设备及装夹精度外，刀具精度是加工精度的主要影响因素，枞树型轮槽铣刀的精度将直接影响被加工轮槽转子的的精度。 高效精密枞树型轮槽铣刀的制造涉及结构优化设计、复杂槽形高效
21、磨削两大关键制造环节，每一个制造环节还涉及一系列的关键技术，虽然引进了许多先进的生产设备，但在一些关键制造技术方面还有待进一步深入掌握技术原理和制造工艺。随着设计制造水平的日益提高和刀具厂家的不断努力，国内一些工具厂已能生产结构和形状比较复杂的枞树型轮槽铣刀，但精度较高的精切刀具仍以依赖进口刀具为主。目前，随着计算机硬件技术的飞速发展，金属切削过程的有限元仿真开始扮演越来越重要的角色。运用有限元等计算机手段可以用较低成本揭示切削加工过程，且在较短时间内获得较为丰富的各种数据，对高效先进刀具的设计有很大帮助。1.3 课题的来源及研究意义本课题来源于国家科技重大专项“汽车与航空发动机用高效、高性能
22、数控刀具”，课题编号2010ZX04012-042。本项目针对高档数控机床与基础装备的关键性工具之一高效、高性能、精密复杂、数控切削刀具开展研发，并形成产业化。由于国内刀具行业起步晚、起点低，先进的刀具仅仅是随着近年来数控机床的发展才开始研发生产，因此国产高性能刀具产品技术基础比较薄弱，发展速度缓慢，竞争力不强。国外刀具行业能大举抢滩中国市场的主要原因是：国外刀具产品档次高、品种全、质量稳定性好、整体配套服务能力强，从而被广泛应用在发动机零件精加工、高速高性能切削以及有特殊加工要求的地方，因此，诸多因素的综合作用形成了国产刀具的被动局面。通过本课题的研究，对于解决航空航天和汽车、能源设备等行业
23、需要的高效、高性能、精密复杂、数控切削刀具的关键问题，对迅速改善刀具行业发展现状，提升我国高效、高性能刀具加工技术水平具有重大意义和实用价值。1.4 课题的主要内容 本课题主要以枞树型轮槽铣刀为研究对象，以此研究高效、精密枞树型轮槽铣刀的设计、制备和切削试验，具体研究内容如下：1). 对枞树型轮槽铣刀的研究历程以及国内外的最新进展及动态作详细的阐述；2). 主要研究高效、精密枞树型轮槽铣刀的设计与制备。通过粗切、半精切、精切三种形式刀具的设计研究，形成枞树型轮槽铣刀基本设计准则，在刀具制备方面，分析了枞树型轮槽铣刀的精密磨削；3). 结合计算机辅助手段，对枞树型轮槽铣刀进行建模仿真研究；通过建
24、模仿真预测，预测出加工汽轮机转子用枞树型轮槽铣刀的切削热、切削力、残余应力大小，对高效精密刀具设计进行结构论证；4). 通过枞树型轮槽铣刀切削试验，研究枞树型轮槽铣刀切削加工性能，包括加工过程的热分析，加工过程的力分析，加工过程的振动分析，加工切屑分析，及刀具磨损情况分析，对刀具的切削性能做出综合评价； 5). 对论文作总结和展望。56上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 枞树型轮槽铣刀结构设计与制备第二章 枞树型轮槽铣刀结构设计与制备2.1 研究工作背景介绍汽轮机转子轴作为高速旋转体，是在高温、高压和高速的工况下运行的，工作条件十分恶劣，这就对零件的使用寿命和安全可靠性提出了很高的要求，尤其
25、需要保证零件的加工精度和尺寸稳定性，因此要求选择的材料应具有足够高的机械强度、高的寿命以及优良的导磁性能。一般来讲，转子轴材料多为高强度、高导磁、高塑性、高韧性及低脆性转变温度的钢。转子是汽轮机关键部件之一，其加工质量直接关系到汽轮机性能。而转子加工中最为关键、最为困难的是轮槽的加工，保证了轮槽的加工质量，就从根本上保证了转子的加工质量8。 从刀具角度看，枞树型轮槽铣刀是转子成型加工的刀具。铣刀在加工过程中由于切削环境的封闭性，（加工过程中会产生大量的切削力、切削热、组织塑性变化、加工硬化），刀具磨损必然增加，同时由于所使用刀具型线的复杂性，刀具不同位置的切削用量、产生力和热不同，必然会导致刀
26、具磨损的不均匀性。这不仅会影响加工根槽的尺寸精度，还会影响刀具加工根槽的表面质量。因此，合理选配轮槽铣刀将直接关系到轮槽型线尺寸精度和表面粗糙度，这就要求科研技术人员在研究过程中了解材料的力学性能和切削加工性，同时更要求选择更好的刀具材料和参数角度及切削用量。目前，汽轮机组市场需求量大，前景非常广阔，针对上述汽轮机转子的加工性能，给刀具设计提供了很大的发挥空间。2.2 高效精密枞树型轮槽铣刀设计研究随着汽轮机叶片、转子制造新技术、新工艺的不断发展，加工工艺也逐步要求在数控加工中心高效完成叶片叶根型线的加工。而加工汽轮机转子轮槽型线的枞树型轮槽铣刀，从刀具材料到外形结构都经历了发展。枞树型轮槽铣
27、刀齿形型线复杂，且型线尺寸多为封闭型的。在刀具设计时，合理选择刀具的几何参数，对刀具切削起着重要作用。在论文中，以规格P12枞树型轮槽铣刀为例，以此来研究高效精密枞树型轮槽铣刀的设计研究。P系列枞树型轮槽为汽轮机转子轮槽的一种型式，P型轮槽的工作面与轮槽外齿面的连线成一定的角度。此种结构设计可以增大叶片的叶根与转子轮槽在装配时的接触面积，使两者在装配后能有更大的接触面积，从而使轮槽载荷分布均匀，使汽轮机转子工作运转平稳。规格P12枞树型轮槽铣刀为P系列轮槽铣刀中规格最大的一种。由于该规格轮槽铣刀型线最大处外径较大，因此汽轮机转子轮槽很难用一把刀切削加工下来。根据汽轮机转子实际切削情况，轮槽转子
28、分三道工序切削，每道工序分别采用为粗切刀，半精切刀和精切刀三种类型刀具，刀具均采用铲齿结构。为了提升刀具的切削效率，轮槽转子型线加工从普通机床转变到高效数控机床加工，从而刀具材料从普通高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2也转变到含钴高速钢M42，甚至粉末冶金高速钢ASP2052等。由于在高速数控机床加工，要求刀具具有较高的转速。因此，刀具材料为普通高速钢时，已不能承受刀具高速切削时产生的大量热量，容易引起刀具刃口过热退火，破坏刀具表面质量9-11。根据刀具的实际切削情况以及性价比综合因素考虑，P12规格枞树型轮槽铣刀采用牌号为M42的含钴高速钢。M42含钴高速钢材料的使用，大大增加了刀具
29、红硬性，能承受刀具在高速切削时产生的热量，适合在高速、高效数控机床上加工。图3 P12枞树轮槽铣刀齿形Fig.3 p12 fir tree milling cutter profile2.2.1粗切枞树型轮槽铣刀设计 粗切枞树型轮槽铣刀是汽轮机轮槽转子根部切削加工的第一道工序，主要用来在汽轮机轮槽根部铣削出一条槽来（开槽），减小下两道工序，半精加工与精加工的切削余量。由于轮槽最窄处尺寸较小，铣刀对应部位因刀具容屑槽等结构尺寸的限制，刀具的结构强度和容屑能力受到限制，如直接采用成型半精铣进行粗加工，其切削量大，容易因切削抗力、振动过大及切屑阻塞导致刀具断裂，同时刀具在切削时将产生大量的切削热和切
30、削振动。P12粗切枞树型轮槽铣刀刀齿采用3条槽结构，由于只是用来开槽，因此刀具齿形在前刃面的投影为一条直线。针对粗切枞树型轮槽铣刀的加工特性，刀具在设计时，采用等前角与等螺旋角设计，P12粗切铣刀外形结构如图4所示。图4 P12粗切枞树型轮槽铣刀Fig.4 P12 rough working milling cutter（1）等前角设计通常情况下，在刀具设计时适当地增大前角o，主偏角kc，能减小切削力，并减小振动。刀具前角增大，能使刀具切削轻快、锋利；但前角增大，又会在加工时会引起被加工件的齿形误差。因此，通常建议在粗切刀具时，使用大前角，能增加刀具的切削力，提升刀具的切削效率； 粗切枞树型轮
31、槽铣刀在设计时采用等前角设计，等前角角度5。 锥形刃刀具如模具铣刀、锥度铰刀、指形铣刀等在金属切削加工领域有广泛的应用，而这些刀具的等前角加工可以说是刀具制造的核心工艺之一。由于刀具外轮廓为锥形角为，为了使刀具在前刃面为等前角，因此锥形刃刀具由于每点外圆直径不同，前刃面上每点偏心都不同，此时刀具的前刃面已不再是一条单纯的直线，而是与每一点外圆直径相关的空间曲线12。图5 刀具前角几何关系Fig.5 Geometry relationship of rake angel由图5所示几何关系，可以计算出刀具前角偏心距e： e = r.sin （2.1）式中：r-刀具半径，-刀具前角，e-刀具前角偏心
32、距。由式2.1，可分别计算出刀具每点上不同的偏心距，同时我们也可看出在刀具前角不变的情况下，铣刀的偏心距与刀具的外径有关，当刀具外径在变化时，偏心距也改变。粗切枞树型轮槽铣刀在小端处承受的较大切削力，小端处由于齿槽齿背较窄，其强度不及大端处的强度。枞树型粗切铣刀等前角的设计，使粗切枞树型轮槽铣刀在小端与大端处的前角一致，当小端处外径较小时，根据公式2.1可得，刀具的偏心距也相对较小，从而可以保证刀具的齿背的宽度，增加刀具在小端处的强度。 （2）等螺旋角设计在刀具制造条件许可时，可适当取大螺旋角。由于刀具切削速度矢量不垂直于切削刃，使用大螺旋角枞树型轮槽铣刀加工转子轮槽，成型铣刀就具备了斜切削功
33、能，切削刃单位长度上负荷大为减少，从而获得了切削的平稳性，这为该类刀具快速转、大切深、快走刀创造了条件，并且对该类成型铣刀的切削效率和耐用度都有显著的提高。粗切枞树型轮槽铣刀刀齿在切削时切削量和负荷均较大，为了使刀具在切削时轻快、平稳，满足粗切刀切削要求，因此P12规格的粗切枞树型轮槽铣刀刀具采用等螺旋角25设计。螺旋锥铣刀属非标准刀具，适用于复杂曲面的加工。随着机械工业的发展和机械加工对象的复杂化，这类刀具的需求量有了大幅度的上升。等螺旋角为锥度铣刀又一核心设计技术，等螺旋角圆锥螺旋线的特点是螺旋线上任意一点的切线始终与母线成定角等螺旋角13-14。图6 螺旋线导程与螺旋角和工件直径的关系1
34、3Fig.6 Relationship between lead、helix angel and the diameter of workpiece由图6可得：P = d/tan （2.2）式中：P-螺旋线导程，d-工件直径，-螺旋角。由式2.2可知，当导程为常数时，如工件直径为定值，则螺旋角也为一定值。当螺旋线在锥体上时，由于工件直径是一变量，在导程是一个常数时，螺旋角就随着直径的增大而增大；如果要求螺旋角是一个常数，即螺旋线上各点的螺旋角相等，则导程必然随工件直径的变化而变化，反应到等螺旋角锥铣刀上，就表现为刀具型线上每点沿轴线方向上各处导程是不相等的。P12粗切枞树型轮槽铣刀采用等螺旋角
35、25，使用该大螺旋角枞树型粗切铣刀加工汽轮机转子根部，由于刀具切削速度矢量不垂直于切削刃，成型铣刀就具备了斜切削功能，切削刃单位长度上负荷大为减少，从而获得了切削的平稳性15-18。通常由于刀具的小端处刀齿齿背较窄，因此刀具在切削时容易在小端处产生崩刃现象。当刀具选取较大螺旋角，且为等螺旋角时，则刀具在切削刃上的每点螺旋角一致，且均为25，那样刀具小端在切削时也能承受较大的切削力，使刀具切削轻快锋利，能有效缓解刀具在小端处的崩刃现象。2.2.2半精切枞树型轮槽铣刀设计（1）半精切轮槽铣刀的研制半精切枞树型轮槽铣刀是汽轮机轮槽转子轮槽根部切削加工的第二道工序，用来粗铣枞树型轮槽转子的型线。半精切
36、铣刀与粗铣刀虽然都是轮槽根部的粗铣加工，其不同在于，粗铣刀用来在轮槽根部开槽，对加工精度要求相对较低。但半精切枞树型轮槽铣刀，需要铣出枞树型轮槽的粗型线，根据被加工轮槽转子的大小，一般为精加工留0.200.40mm左右余量。若半精铣刀在齿距或型线尺寸上误差较大，接下来再通过下道工序精铣刀的加工，则很难保证精铣的尺寸。因此，对于半精铣刀的设计，其齿形精度应与精铣刀相同，以此保证转子轮槽精铣后的型线尺寸与精度。半精切刀具的齿形如图7，其齿形是通过精切铣刀型线向内平移0.22mm后得到该齿形。由图7可见，半精切刀具型线也较为复杂。因此半精切刀具在设计时，除了要考虑切削强度方面的问题，还需考虑半精加工
37、铣后的转子轮槽型线能够保证精加工的余量。图7 半精切刀具轮廓Fig.7 the contour of semi-finished milling根据工艺要求，一般转子轮槽在加工时，半精加工可分为一刀或两刀。在加工过程中，由于半精切轮槽铣刀与被加工轮槽转子表面的接触面积较大，在切削时会产生很大的摩擦力，从而导致了刀具较大的切削力和较高的切削热。此外，用半精切轮槽铣刀切削加工，被加工转子轮槽表面的切屑面积较大，加工时产生的切屑难以尽快排除，当走刀量过大时，还会产生振动现象，对切削效率和刀具使用寿命均产生很大影响。因此刀具在设计时，为使铣刀刃口各点在切削时较为平稳，铣刀采用等前角10与等螺旋角5核心
38、技术。（2）半精切轮槽铣刀的波形刃的研制半精切轮槽铣刀由于刀具型线的复杂，加工时与工件表面接触面积比较多，铣刀还采用波形刃结构。为了减少刀具在切削时的振动以及提高刀具的耐用度，使刀具在切削时能畅快出屑，缓解刀具在切削时产生的切削热，通常在半精切轮槽铣刀的每条切削刃上，相应磨出符合技术要求的几条波形沟槽，即波形刃。在枞树型轮槽铣刀的切削齿面上增加的波形刃，波形上下齿面分别采取圆弧连接，相邻两齿在轴向错开一定的距离。合理的波形刃设计，可使刀具在切削时减少与工件的接触面积，刃口应力分散，切削振动小，切进能力强，同时又使刀具切削厚度大，切削为厚而短的碎屑，排屑顺畅，从而提高刀具工作效率高和工作寿命19
39、-20。因此，根据刀具的实际切削情况，半精切枞树型轮槽铣刀波形刃的研制需满足波形刃在齿面上均匀分布，且波形具有一定的切削深度这两个技术要点。波形刃波槽又称为分屑槽，波形槽在每条切削刃上刃磨出的分屑槽是相互互补的，其轴向错开距离为每条切削刃的波形齿距/铣刀槽数，其作用是用来起切削时断屑作用。半精切轮槽铣刀在切削时，每条刀槽是在刀具高速旋转时连续切削的，为使加工出来的零件表面具有较高的工件表面质量，产品表面粗糙度符合加工要求，波形刃分屑槽的分布应尽量均匀，使每条刀齿切削后，为下几条刀齿留下均匀的余量，且使刀具在切削时每条切削刃尽可能受力均匀，从而使刀具均匀磨损，以此保证刀具的使用寿命。同时，波形刃
40、分屑槽的槽深也影响刀具的使用寿命。当槽深太深时，则会使刀具的强度下降。通常，由于结构原因，刀具小端处的刀齿底部齿背宽度较窄，若分屑槽过深，刀具在小端处强度会下降，使原本就容易产生断裂的小端齿槽增加了断裂的危险。当槽深太浅时，又会使刀具重复修磨次数减少。因为若波形分屑槽太浅，会影响刀具断屑与排屑，失去分屑槽应有的作用。通常，分屑槽深度取0.2-0.3mm左右，并根据实际加工情况及半径切刀具型线尺寸进行深度调整。以P12半精切枞树型轮槽铣刀为例，P12半精切刀采用4刃结构，每条刀槽上均分布波形分屑槽，如图8所示。图8 刀具波形刃分布示意图Fig.8 the distribution of mill
41、ing wavy curve 图8为四刃半精切铣刀的分屑槽分布(a、b、c、d分别代表铣刀的四条切削刃)，4条切削刃上的波形投影在同一个型线平面上应如图8分布。如图8所示，每一条切削刃上的波形平均分布，周节均为1.6，相邻切削刃的波形周节均为0.4（由每条切削刃的波形齿距/铣刀槽数计算求得，即1.6除以4得）。铣刀在切削时， 第一条切削刃a刃先接触被加工件进行切削，当a刃切削完毕，则铣刀在圆周上转过一定角度，剩余二、三、四条切削刃即b、c、d刃依次参加切削。刀具在切削时，a刃上的分屑槽余量由b、c、d三条刃切削去除，b刃上的分屑槽余量由a、c、d三刃切削去除，c刃上的分屑槽余量由a、b、d三刃
42、切削去除，d刃上的分屑槽余量由a、b、c三刃切削去除。铣刀切削时，在圆周上不停的做旋转运动，这样铣刀四条刀槽上的波形刃起到了在切削时分屑互补作用，同时由于波形的平均分布，使刀齿上每个参加切削的波形齿在切削时产生的切削力与切削热均匀分布，能有效缓解刀具在切削时产生的切削振动，使切削平稳。与四刃铣刀类似，三刃铣刀的分屑槽分布也应遵循上述均匀分布原则。2.2.3精切枞树型轮槽铣刀设计轮槽精铣刀是汽轮机转子轮槽加工最终成型的刀具，因此刀具精度是加工精度的主要影响因素。轮槽精铣刀其廓形是在专用机床上，进行铲磨加工最终形成。刀具精度主要通过刀具的加工工艺，刀具齿面铲磨精度来保证，具体内容在下一节枞树型轮槽
43、铣刀的制备中加以论述。枞树型轮槽精铣刀是轮槽加工精度的最终保证，因此刀具的精度直接影响轮槽的精度。在保证刀具精度的同时，刀具加工寿命也是衡量精切铣刀好坏的一个重要指标21。（1）零度前角与直槽设计精切轮槽铣刀的结构设计与粗切、半精切刀具略有不同，其区别在于：粗切与半精切刀具采用等前角与等螺旋角设计，但精切铣刀的前角为0，且刀槽为直槽，即螺旋角=0。由于精切轮槽铣刀与粗切、半精切轮槽铣刀的使用场合不同。粗切与半精切轮槽铣刀用来轮槽转子开槽与粗铣型线工艺，刀具切除工件余量较大，刀具在切削时主要从在大余量切削时能切削轻快、平稳，断屑容易方面考虑。但轮槽精铣刀为轮槽的定型加工，若再采用带前角与螺旋角设
44、计，则会使刀具本身在结构上存在造型误差，精铣刀是转子轮槽的直接成型，刀具通过切削再把误差传递给轮槽转子，从而最终影响转子轮槽的成型精度。因此，下面通过对带螺旋角与正前角的枞树型轮槽铣刀建立数学方程，以此研究刀具造型误差的产生。枞树型轮槽铣刀齿侧面为阿基米德侧铲螺旋面，其齿侧面方程为：X= （2.3）式中：P铣刀侧铲螺旋面导程，ry铣刀任意点半径，0侧铲螺旋面角度。由于铣刀前刀面的母线是一条偏离一定中心值的一条直线，当令此母线做螺旋运动时，可得铣刀螺旋前刀面方程：X= （2.4）式中：PK铣刀螺旋槽导程，e铣刀前刃面偏心距。通过式2.3与式2.4联立，即可得铣刀切削刃方程：（2.5）通过分析式2.5可得，当式中PK =，e = 0，=0时，即刀具的前角与螺旋角都为零时，此为方程式的特殊情况，经过计算，式2.5可简化为直线方程，此时通过刀具前刃面切削刃上的齿形为一条直线22。而当刀具带前角与螺旋角时，即在式2.5的一般情况下，通过铣刀前刃面切削刃上的齿形不再是一条单纯的直线，而是一条与刀具前角和螺旋角有关的空间曲线，此曲线与理论前刃面直线齿形是有误差的，从而引起刀具的齿形误差。由于铣刀