1、申請上海交通大學工程碩士學位論文高效精密樅樹型輪槽銑刀設計制備準則及其試驗研究學 校：上海交通大學院 系：機械與動力工程學院工程領域：機械制造及其自動化交大導師：陳明 教授企業導師：孟璋琪 高工工程碩士：孟漪學 號：1090212030上海交通大學機械與動力工程學院2011年11月thesis submitted to shanghai jiao tong universityfor the degree of engineering masterthe design and manufacturing principle and the experiment study on high ef

2、ficiency 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上海交通大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用

3、的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名：_ 日期：_上海交通大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于 不保密。（請在以上方框內打“”）學位論文

4、作者簽名：_ 指導教師簽名：_日期：_ 日期：_高效精密樅樹型輪槽銑刀設計制備準則及其試驗研究摘 要金屬切削加工作為制造技術中最主要的工藝技術，決定著制造業中零件的加工效率、精度、質量和成本。近幾十年來，高效先進刀具得到了很大的發展，先進刀具從材料及刀具結構都發生了巨大的變化。本課題針對高效、高性能刀具的高效率、高速度、高精度和工業化生產的兩大需求，以樅樹型輪槽銑刀為列，來研究高效、高性能刀具的設計及其試驗研究。樅樹型輪槽銑刀用來加工汽輪機轉子根部輪槽，總體來說，目前我國加工汽輪機轉子用樅樹型輪槽銑刀設計制造水平還比較低，尤其是精加工刀具還主要依賴進口刀具為主。高效先進樅樹型輪槽銑刀的研究，需

5、從刀具結構設計、刃磨仿真技術、制造工藝技術等多方面努力，以此提升我國汽輪機行業的制造技術水平以及參與國際市場的競爭實力，推動工具行業快速持續發展。本文主要研究樅樹型輪槽銑刀的設計與制備，以及仿真技術對刀具結構設計的應用；通過建模仿真的研究，以此進行刀具結構設計對刀具切削影響的理論分析；同時通過加工現場切削試驗，研究刀具加工時產生的切削力、切削溫度、切削振動，對刀具的結構設計進行驗證，從而解決先進刀具應用問題。關鍵詞：樅樹型輪槽銑刀，高效，精密，先進刀具 the design and manufacturing principle and the experiment study on high

6、 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 and advanced tools have a prodigious development. advan

7、ced 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 cutter, to study the design and experiment of the high effi

8、ciency 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 finishing tools major rely on the imports. so the study o

9、n 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 competitive strength taking part in the international

10、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 modeling simulation, we can have a theoretic analysis that

11、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 verify the design of tool structure in order to solve the

12、application of the advanced tools. key words：fir tree milling cutter，high efficiency，precise，advanced tools 目 錄目 錄第一章 緒論.11.1 引言11.2 研究歷程及其國內外現狀11.3 課題的來源及研究意義31.4 課題的主要內容3第二章 樅樹型輪槽銑刀結構設計與制備.42.1 研究工作背景介紹42.2 高效精密樅樹型輪槽銑刀設計研究42.2.1粗切樅樹型輪槽銑刀設計52.2.2半精切樅樹型輪槽銑刀設計82.2.3精切樅樹型輪槽銑刀設計102.2.4 樅樹型輪槽銑刀設計準則132.3

13、 高效精密樅樹型輪槽銑刀制備132.3.1 傳統鏟磨工藝分析142.3.2 樅樹型輪槽銑刀高效、精密磨削工藝分析152.4 本章小結16第三章 樅樹型輪槽銑刀建模仿真研究.173.1 建模仿真研究基本思想173.2 樅樹型輪槽銑刀建模仿真研究183.2.1樅樹型輪槽銑刀模型建立183.2.2 刀具切削溫度仿真預測分析203.2.3 刀具切削力仿真預測分析233.3 本章小結27第四章 樅樹型輪槽銑刀切削試驗研究.284.1驗內容和方案284.1.1 試驗目的和內容284.1.2 試驗方案284.2加工過程中的溫度分析324.3 切削加工過程中的力分析354.4切削加工過程中的振動分析384.5

14、加工現場的切屑分析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加工現場刀具磨損情況分析424.6.1粗加工刀具磨損分析424.6.2半精加工刀具磨損分析444.7本章小結47第五章 總結與展望485.1總結485.2本文的不足及展望48參考文獻.50致 謝52攻讀碩士期間發表的學術論文.53 第一章 緒論1.1 引言隨著我國國民經濟的高速發展，對電力的需求呈快速增長之勢。近幾年來，我國電力需求增長每年達1520%左右。因此，我國電站建設壓力很大，而電站機組的單機容量也隨著大型火電設備設計制作技術的提高，趨向大型化。我國

15、大型火力發電廠的單機容量從300mw到亞臨界600mw等級，目前正在向超臨界1000mw等級大型汽輪發電機組發展。在今后數年內，1000mw大型汽輪發電機組必將成為我國大型火力發電廠的主力機組1-4。汽輪機主要由轉子和靜體兩部分組成。轉子是汽輪機的核心部件，在高溫高壓的蒸汽介質中，承受著離心力、彎矩和扭矩的作用，工作條件非常惡劣，因此，汽輪機轉子加工質量的好壞將直接影響到整個汽輪機的性能，而輪槽的加工又是轉子加工中最為關鍵、最為困難的加工。百萬級水泵汽輪機輪槽結構采用的是樅樹型輪槽，這種結構的輪槽增大了葉根與輪槽的接觸面積，使載荷分布更加均勻，但其尺寸精度要求高，加工制造困難。這就給樅樹型輪槽

16、銑刀的設計帶來了很多問題，需要在刀具材料、刀具結構、設計細節和刀具鍍層等方面進行深入研究。金屬切削加工作為制造技術中最主要的工藝技術，決定著制造業中零件的加工效率、精度、質量和成本5。即使到下個世紀切削加工仍將是機械制造業最基本最大量的工藝技術，必須給予充分重視。 充分認識并努力推廣應用先進切削技術和高效刀具，提高加工生產效率，降低成本，加強企業的競爭力，已是我國機械制造業發展所面臨的需要盡快解決的重大問題6。就目前樅樹型刀具發展情況而言，國內刀具行業起步晚、起點低，近年來日本、美國等工業發達國家相繼開發出輪槽分屑銑刀、硬質合金鑲片等新型產品并用于生產，但價格非常昂貴。少數國內骨干工具企業雖可

17、以生產部分加工汽輪機轉子用樅樹型輪槽銑刀，但在刀具品種、刀具質量、刀具性能穩定性和提供整體配套服務能力等方面與國外刀具制造商還有很大差距，使得國內汽輪機行業用樅樹型輪槽銑刀仍以進口為主。進口刀具產品檔次高、形狀精度及位置精度高、加工產品質量穩定性好、整體配套服務能力強。總體來說，目前我國加工汽輪機轉子用樅樹型輪槽銑刀設計制造水平還比較低，尤其是精加工刀具還主要依賴進口刀具為主。高效先進樅樹型輪槽銑刀的研究，需從刀具結構設計、刃磨仿真技術、制造工藝技術等多方面努力，以此提升我國汽輪機行業的制造技術水平以及參與國際市場的競爭實力，推動工具行業快速持續發展。1.2 研究歷程及其國內外現狀由于汽輪機轉

18、子是采用整鍛轉子形式，加工時需要非常謹慎，一旦其中一個輪槽加工有誤，引起的損失將非常大，因此在加工前對加工的難點及可能引起的問題要進行充分地分析。 如圖1、圖2：要加工的樅樹型分為內外兩種形式： 圖1內樅樹 圖2外樅樹 fig.1 internal fir-type fig.2 external fir-type在汽輪機制造行業，生產這些整體式轉子最耗時間工序之一是加工汽輪機葉根槽。 葉根槽是葉片在轉子上的定位點，最常見的葉根槽形式是樅樹型槽。汽輪機轉子輪槽的加工是一道非常重要同時又很復雜的工序。由于樅樹型葉根輪槽形狀復雜且精度要求高，通常采用成型法加工，主要方法包括成形拉削和成形銑削兩種：（

19、1） 成型拉削加工輪槽拉削效率較高，但需在專業拉床設備上完成，適合盤狀葉輪的加工，且輪槽拉刀價格昂貴，制造及修磨難度較大。對于整鍛轉子，目前尚不具備輪槽拉削的工藝條件和能力7。（2）成型銑削加工此種加工方法是目前行業內最常用的加工方法。根據輪槽的大小及形狀一般采用3刀或4刀的加工方法（銑削包括開槽、粗銑型線和精銑，粗銑型線一般分為一刀或兩刀加工）。樅樹型輪槽采用3刀或4刀加工，由于其輪槽最窄處尺寸較小，銑刀對應部位因刀具容屑槽等結構尺寸的限制，刀具的結構強度和容屑能力受到限制，如直接采用成型粗銑進行粗加工，切削量大，容易因切削抗力、振動過大及切屑阻塞導致刀具斷裂。因此采用粗切、粗銑與精銑加工，

20、能有效減小刀具的切削用量，減小刀具切削負荷。樅樹型輪槽型線復雜，尺寸要求精度高，型線尺寸多為封閉尺寸。通常，樅樹型輪槽輪廓度公差范圍在0.070.10，主、次工作面間的間距誤差范圍在0.00910.013，產品精度要求很高，對于成形銑削加工而言，除設備及裝夾精度外，刀具精度是加工精度的主要影響因素，樅樹型輪槽銑刀的精度將直接影響被加工輪槽轉子的的精度。 高效精密樅樹型輪槽銑刀的制造涉及結構優化設計、復雜槽形高效磨削兩大關鍵制造環節，每一個制造環節還涉及一系列的關鍵技術，雖然引進了許多先進的生產設備，但在一些關鍵制造技術方面還有待進一步深入掌握技術原理和制造工藝。隨著設計制造水平的日益提高和刀具

21、廠家的不斷努力，國內一些工具廠已能生產結構和形狀比較復雜的樅樹型輪槽銑刀，但精度較高的精切刀具仍以依賴進口刀具為主。目前，隨著計算機硬件技術的飛速發展，金屬切削過程的有限元仿真開始扮演越來越重要的角色。運用有限元等計算機手段可以用較低成本揭示切削加工過程，且在較短時間內獲得較為豐富的各種數據，對高效先進刀具的設計有很大幫助。1.3 課題的來源及研究意義本課題來源于國家科技重大專項“汽車與航空發動機用高效、高性能數控刀具”，課題編號2010zx04012-042。本項目針對高檔數控機床與基礎裝備的關鍵性工具之一高效、高性能、精密復雜、數控切削刀具開展研發，并形成產業化。由于國內刀具行業起步晚、起

22、點低，先進的刀具僅僅是隨著近年來數控機床的發展才開始研發生產，因此國產高性能刀具產品技術基礎比較薄弱，發展速度緩慢，競爭力不強。國外刀具行業能大舉搶灘中國市場的主要原因是：國外刀具產品檔次高、品種全、質量穩定性好、整體配套服務能力強，從而被廣泛應用在發動機零件精加工、高速高性能切削以及有特殊加工要求的地方，因此，諸多因素的綜合作用形成了國產刀具的被動局面。通過本課題的研究，對于解決航空航天和汽車、能源設備等行業需要的高效、高性能、精密復雜、數控切削刀具的關鍵問題，對迅速改善刀具行業發展現狀，提升我國高效、高性能刀具加工技術水平具有重大意義和實用價值。1.4 課題的主要內容 本課題主要以樅樹型輪

23、槽銑刀為研究對象，以此研究高效、精密樅樹型輪槽銑刀的設計、制備和切削試驗，具體研究內容如下：1). 對樅樹型輪槽銑刀的研究歷程以及國內外的最新進展及動態作詳細的闡述；2). 主要研究高效、精密樅樹型輪槽銑刀的設計與制備。通過粗切、半精切、精切三種形式刀具的設計研究，形成樅樹型輪槽銑刀基本設計準則，在刀具制備方面，分析了樅樹型輪槽銑刀的精密磨削；3). 結合計算機輔助手段，對樅樹型輪槽銑刀進行建模仿真研究；通過建模仿真預測，預測出加工汽輪機轉子用樅樹型輪槽銑刀的切削熱、切削力、殘余應力大小，對高效精密刀具設計進行結構論證；4). 通過樅樹型輪槽銑刀切削試驗，研究樅樹型輪槽銑刀切削加工性能，包括加

24、工過程的熱分析，加工過程的力分析，加工過程的振動分析，加工切屑分析，及刀具磨損情況分析，對刀具的切削性能做出綜合評價； 5). 對論文作總結和展望。第二章 樅樹型輪槽銑刀結構設計與制備2.1 研究工作背景介紹汽輪機轉子軸作為高速旋轉體，是在高溫、高壓和高速的工況下運行的，工作條件十分惡劣，這就對零件的使用壽命和安全可靠性提出了很高的要求，尤其需要保證零件的加工精度和尺寸穩定性，因此要求選擇的材料應具有足夠高的機械強度、高的壽命以及優良的導磁性能。一般來講，轉子軸材料多為高強度、高導磁、高塑性、高韌性及低脆性轉變溫度的鋼。轉子是汽輪機關鍵部件之一，其加工質量直接關系到汽輪機性能。而轉子加工中最為

25、關鍵、最為困難的是輪槽的加工，保證了輪槽的加工質量，就從根本上保證了轉子的加工質量8。 從刀具角度看，樅樹型輪槽銑刀是轉子成型加工的刀具。銑刀在加工過程中由于切削環境的封閉性，（加工過程中會產生大量的切削力、切削熱、組織塑性變化、加工硬化），刀具磨損必然增加，同時由于所使用刀具型線的復雜性，刀具不同位置的切削用量、產生力和熱不同，必然會導致刀具磨損的不均勻性。這不僅會影響加工根槽的尺寸精度，還會影響刀具加工根槽的表面質量。因此，合理選配輪槽銑刀將直接關系到輪槽型線尺寸精度和表面粗糙度，這就要求科研技術人員在研究過程中了解材料的力學性能和切削加工性，同時更要求選擇更好的刀具材料和參數角度及切削用

26、量。目前，汽輪機組市場需求量大，前景非常廣闊，針對上述汽輪機轉子的加工性能，給刀具設計提供了很大的發揮空間。2.2 高效精密樅樹型輪槽銑刀設計研究隨著汽輪機葉片、轉子制造新技術、新工藝的不斷發展，加工工藝也逐步要求在數控加工中心高效完成葉片葉根型線的加工。而加工汽輪機轉子輪槽型線的樅樹型輪槽銑刀，從刀具材料到外形結構都經歷了發展。樅樹型輪槽銑刀齒形型線復雜，且型線尺寸多為封閉型的。在刀具設計時，合理選擇刀具的幾何參數，對刀具切削起著重要作用。在論文中，以規格p12樅樹型輪槽銑刀為例，以此來研究高效精密樅樹型輪槽銑刀的設計研究。p系列樅樹型輪槽為汽輪機轉子輪槽的一種型式，p型輪槽的工作面與輪槽外

27、齒面的連線成一定的角度。此種結構設計可以增大葉片的葉根與轉子輪槽在裝配時的接觸面積，使兩者在裝配后能有更大的接觸面積，從而使輪槽載荷分布均勻，使汽輪機轉子工作運轉平穩。規格p12樅樹型輪槽銑刀為p系列輪槽銑刀中規格最大的一種。由于該規格輪槽銑刀型線最大處外徑較大，因此汽輪機轉子輪槽很難用一把刀切削加工下來。根據汽輪機轉子實際切削情況，輪槽轉子分三道工序切削，每道工序分別采用為粗切刀，半精切刀和精切刀三種類型刀具，刀具均采用鏟齒結構。為了提升刀具的切削效率，輪槽轉子型線加工從普通機床轉變到高效數控機床加工，從而刀具材料從普通高速鋼w18cr4v、w6mo5cr4v2也轉變到含鈷高速鋼m42，甚至

28、粉末冶金高速鋼asp2052等。由于在高速數控機床加工，要求刀具具有較高的轉速。因此，刀具材料為普通高速鋼時，已不能承受刀具高速切削時產生的大量熱量，容易引起刀具刃口過熱退火，破壞刀具表面質量9-11。根據刀具的實際切削情況以及性價比綜合因素考慮，p12規格樅樹型輪槽銑刀采用牌號為m42的含鈷高速鋼。m42含鈷高速鋼材料的使用，大大增加了刀具紅硬性，能承受刀具在高速切削時產生的熱量，適合在高速、高效數控機床上加工。圖3 p12樅樹輪槽銑刀齒形fig.3 p12 fir tree milling cutter profile2.2.1粗切樅樹型輪槽銑刀設計 粗切樅樹型輪槽銑刀是汽輪機輪槽轉子根部

29、切削加工的第一道工序，主要用來在汽輪機輪槽根部銑削出一條槽來（開槽），減小下兩道工序，半精加工與精加工的切削余量。由于輪槽最窄處尺寸較小，銑刀對應部位因刀具容屑槽等結構尺寸的限制，刀具的結構強度和容屑能力受到限制，如直接采用成型半精銑進行粗加工，其切削量大，容易因切削抗力、振動過大及切屑阻塞導致刀具斷裂，同時刀具在切削時將產生大量的切削熱和切削振動。p12粗切樅樹型輪槽銑刀刀齒采用3條槽結構，由于只是用來開槽，因此刀具齒形在前刃面的投影為一條直線。針對粗切樅樹型輪槽銑刀的加工特性，刀具在設計時，采用等前角與等螺旋角設計，p12粗切銑刀外形結構如圖4所示。圖4 p12粗切樅樹型輪槽銑刀fig.4

30、 p12 rough working milling cutter（1）等前角設計通常情況下，在刀具設計時適當地增大前角o，主偏角kc，能減小切削力，并減小振動。刀具前角增大，能使刀具切削輕快、鋒利；但前角增大，又會在加工時會引起被加工件的齒形誤差。因此，通常建議在粗切刀具時，使用大前角，能增加刀具的切削力，提升刀具的切削效率； 粗切樅樹型輪槽銑刀在設計時采用等前角設計，等前角角度5。 錐形刃刀具如模具銑刀、錐度鉸刀、指形銑刀等在金屬切削加工領域有廣泛的應用，而這些刀具的等前角加工可以說是刀具制造的核心工藝之一。由于刀具外輪廓為錐形角為，為了使刀具在前刃面為等前角，因此錐形刃刀具由于每點外圓直

31、徑不同，前刃面上每點偏心都不同，此時刀具的前刃面已不再是一條單純的直線，而是與每一點外圓直徑相關的空間曲線12。圖5 刀具前角幾何關系fig.5 geometry relationship of rake angel由圖5所示幾何關系，可以計算出刀具前角偏心距e： e = r.sin （2.1）式中：r-刀具半徑，-刀具前角，e-刀具前角偏心距。由式2.1，可分別計算出刀具每點上不同的偏心距，同時我們也可看出在刀具前角不變的情況下，銑刀的偏心距與刀具的外徑有關，當刀具外徑在變化時，偏心距也改變。粗切樅樹型輪槽銑刀在小端處承受的較大切削力，小端處由于齒槽齒背較窄，其強度不及大端處的強度。樅樹型粗

32、切銑刀等前角的設計，使粗切樅樹型輪槽銑刀在小端與大端處的前角一致，當小端處外徑較小時，根據公式2.1可得，刀具的偏心距也相對較小，從而可以保證刀具的齒背的寬度，增加刀具在小端處的強度。 （2）等螺旋角設計在刀具制造條件許可時，可適當取大螺旋角。由于刀具切削速度矢量不垂直于切削刃，使用大螺旋角樅樹型輪槽銑刀加工轉子輪槽，成型銑刀就具備了斜切削功能，切削刃單位長度上負荷大為減少，從而獲得了切削的平穩性，這為該類刀具快速轉、大切深、快走刀創造了條件，并且對該類成型銑刀的切削效率和耐用度都有顯著的提高。粗切樅樹型輪槽銑刀刀齒在切削時切削量和負荷均較大，為了使刀具在切削時輕快、平穩，滿足粗切刀切削要求，

33、因此p12規格的粗切樅樹型輪槽銑刀刀具采用等螺旋角25設計。螺旋錐銑刀屬非標準刀具，適用于復雜曲面的加工。隨著機械工業的發展和機械加工對象的復雜化，這類刀具的需求量有了大幅度的上升。等螺旋角為錐度銑刀又一核心設計技術，等螺旋角圓錐螺旋線的特點是螺旋線上任意一點的切線始終與母線成定角等螺旋角13-14。圖6 螺旋線導程與螺旋角和工件直徑的關系13fig.6 relationship between lead、helix angel and the diameter of workpiece由圖6可得：p = d/tan （2.2）式中：p-螺旋線導程，d-工件直徑，-螺旋角。由式2.2可知，當導

34、程為常數時，如工件直徑為定值，則螺旋角也為一定值。當螺旋線在錐體上時，由于工件直徑是一變量，在導程是一個常數時，螺旋角就隨著直徑的增大而增大；如果要求螺旋角是一個常數，即螺旋線上各點的螺旋角相等，則導程必然隨工件直徑的變化而變化，反應到等螺旋角錐銑刀上，就表現為刀具型線上每點沿軸線方向上各處導程是不相等的。p12粗切樅樹型輪槽銑刀采用等螺旋角25，使用該大螺旋角樅樹型粗切銑刀加工汽輪機轉子根部，由于刀具切削速度矢量不垂直于切削刃，成型銑刀就具備了斜切削功能，切削刃單位長度上負荷大為減少，從而獲得了切削的平穩性15-18。通常由于刀具的小端處刀齒齒背較窄，因此刀具在切削時容易在小端處產生崩刃現象

35、。當刀具選取較大螺旋角，且為等螺旋角時，則刀具在切削刃上的每點螺旋角一致，且均為25，那樣刀具小端在切削時也能承受較大的切削力，使刀具切削輕快鋒利，能有效緩解刀具在小端處的崩刃現象。2.2.2半精切樅樹型輪槽銑刀設計（1）半精切輪槽銑刀的研制半精切樅樹型輪槽銑刀是汽輪機輪槽轉子輪槽根部切削加工的第二道工序，用來粗銑樅樹型輪槽轉子的型線。半精切銑刀與粗銑刀雖然都是輪槽根部的粗銑加工，其不同在于，粗銑刀用來在輪槽根部開槽，對加工精度要求相對較低。但半精切樅樹型輪槽銑刀，需要銑出樅樹型輪槽的粗型線，根據被加工輪槽轉子的大小，一般為精加工留0.200.40mm左右余量。若半精銑刀在齒距或型線尺寸上誤差

36、較大，接下來再通過下道工序精銑刀的加工，則很難保證精銑的尺寸。因此，對于半精銑刀的設計，其齒形精度應與精銑刀相同，以此保證轉子輪槽精銑后的型線尺寸與精度。半精切刀具的齒形如圖7，其齒形是通過精切銑刀型線向內平移0.22mm后得到該齒形。由圖7可見，半精切刀具型線也較為復雜。因此半精切刀具在設計時，除了要考慮切削強度方面的問題，還需考慮半精加工銑后的轉子輪槽型線能夠保證精加工的余量。圖7 半精切刀具輪廓fig.7 the contour of semi-finished milling根據工藝要求，一般轉子輪槽在加工時，半精加工可分為一刀或兩刀。在加工過程中，由于半精切輪槽銑刀與被加工輪槽轉子表

37、面的接觸面積較大，在切削時會產生很大的摩擦力，從而導致了刀具較大的切削力和較高的切削熱。此外，用半精切輪槽銑刀切削加工，被加工轉子輪槽表面的切屑面積較大，加工時產生的切屑難以盡快排除，當走刀量過大時，還會產生振動現象，對切削效率和刀具使用壽命均產生很大影響。因此刀具在設計時，為使銑刀刃口各點在切削時較為平穩，銑刀采用等前角10與等螺旋角5核心技術。（2）半精切輪槽銑刀的波形刃的研制半精切輪槽銑刀由于刀具型線的復雜，加工時與工件表面接觸面積比較多，銑刀還采用波形刃結構。為了減少刀具在切削時的振動以及提高刀具的耐用度，使刀具在切削時能暢快出屑，緩解刀具在切削時產生的切削熱，通常在半精切輪槽銑刀的每

38、條切削刃上，相應磨出符合技術要求的幾條波形溝槽，即波形刃。在樅樹型輪槽銑刀的切削齒面上增加的波形刃，波形上下齒面分別采取圓弧連接，相鄰兩齒在軸向錯開一定的距離。合理的波形刃設計，可使刀具在切削時減少與工件的接觸面積，刃口應力分散，切削振動小，切進能力強，同時又使刀具切削厚度大，切削為厚而短的碎屑，排屑順暢，從而提高刀具工作效率高和工作壽命19-20。因此，根據刀具的實際切削情況，半精切樅樹型輪槽銑刀波形刃的研制需滿足波形刃在齒面上均勻分布，且波形具有一定的切削深度這兩個技術要點。波形刃波槽又稱為分屑槽，波形槽在每條切削刃上刃磨出的分屑槽是相互互補的，其軸向錯開距離為每條切削刃的波形齒距/銑刀槽

39、數，其作用是用來起切削時斷屑作用。半精切輪槽銑刀在切削時，每條刀槽是在刀具高速旋轉時連續切削的，為使加工出來的零件表面具有較高的工件表面質量，產品表面粗糙度符合加工要求，波形刃分屑槽的分布應盡量均勻，使每條刀齒切削后，為下幾條刀齒留下均勻的余量，且使刀具在切削時每條切削刃盡可能受力均勻，從而使刀具均勻磨損，以此保證刀具的使用壽命。同時，波形刃分屑槽的槽深也影響刀具的使用壽命。當槽深太深時，則會使刀具的強度下降。通常，由于結構原因，刀具小端處的刀齒底部齒背寬度較窄，若分屑槽過深，刀具在小端處強度會下降，使原本就容易產生斷裂的小端齒槽增加了斷裂的危險。當槽深太淺時，又會使刀具重復修磨次數減少。因為

40、若波形分屑槽太淺，會影響刀具斷屑與排屑，失去分屑槽應有的作用。通常，分屑槽深度取0.2-0.3mm左右，并根據實際加工情況及半徑切刀具型線尺寸進行深度調整。以p12半精切樅樹型輪槽銑刀為例，p12半精切刀采用4刃結構，每條刀槽上均分布波形分屑槽，如圖8所示。圖8 刀具波形刃分布示意圖fig.8 the distribution of milling wavy curve 圖8為四刃半精切銑刀的分屑槽分布(a、b、c、d分別代表銑刀的四條切削刃)，4條切削刃上的波形投影在同一個型線平面上應如圖8分布。如圖8所示，每一條切削刃上的波形平均分布，周節均為1.6，相鄰切削刃的波形周節均為0.4（由每條

41、切削刃的波形齒距/銑刀槽數計算求得，即1.6除以4得）。銑刀在切削時， 第一條切削刃a刃先接觸被加工件進行切削，當a刃切削完畢，則銑刀在圓周上轉過一定角度，剩余二、三、四條切削刃即b、c、d刃依次參加切削。刀具在切削時，a刃上的分屑槽余量由b、c、d三條刃切削去除，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三刃切削去除，d刃上的分屑槽余量由a、b、c三刃切削去除。銑刀切削時，在圓周上不停的做旋轉運動，這樣銑刀四條刀槽上的波形刃起到了在切削時分屑互補作用，同時由于波形的平均分布，使刀齒上每個參加切削的波形齒在切削時產生的切削力與切削熱均勻分布，能有效緩解刀具在切削

42、時產生的切削振動，使切削平穩。與四刃銑刀類似，三刃銑刀的分屑槽分布也應遵循上述均勻分布原則。2.2.3精切樅樹型輪槽銑刀設計輪槽精銑刀是汽輪機轉子輪槽加工最終成型的刀具，因此刀具精度是加工精度的主要影響因素。輪槽精銑刀其廓形是在專用機床上，進行鏟磨加工最終形成。刀具精度主要通過刀具的加工工藝，刀具齒面鏟磨精度來保證，具體內容在下一節樅樹型輪槽銑刀的制備中加以論述。樅樹型輪槽精銑刀是輪槽加工精度的最終保證，因此刀具的精度直接影響輪槽的精度。在保證刀具精度的同時，刀具加工壽命也是衡量精切銑刀好壞的一個重要指標21。（1）零度前角與直槽設計精切輪槽銑刀的結構設計與粗切、半精切刀具略有不同，其區別在于

43、：粗切與半精切刀具采用等前角與等螺旋角設計，但精切銑刀的前角為0，且刀槽為直槽，即螺旋角=0。由于精切輪槽銑刀與粗切、半精切輪槽銑刀的使用場合不同。粗切與半精切輪槽銑刀用來輪槽轉子開槽與粗銑型線工藝，刀具切除工件余量較大，刀具在切削時主要從在大余量切削時能切削輕快、平穩，斷屑容易方面考慮。但輪槽精銑刀為輪槽的定型加工，若再采用帶前角與螺旋角設計，則會使刀具本身在結構上存在造型誤差，精銑刀是轉子輪槽的直接成型，刀具通過切削再把誤差傳遞給輪槽轉子，從而最終影響轉子輪槽的成型精度。因此，下面通過對帶螺旋角與正前角的樅樹型輪槽銑刀建立數學方程，以此研究刀具造型誤差的產生。樅樹型輪槽銑刀齒側面為阿基米德

44、側鏟螺旋面，其齒側面方程為：x= （2.3）式中：p銑刀側鏟螺旋面導程，ry銑刀任意點半徑，0側鏟螺旋面角度。由于銑刀前刀面的母線是一條偏離一定中心值的一條直線，當令此母線做螺旋運動時，可得銑刀螺旋前刀面方程：x= （2.4）式中：pk銑刀螺旋槽導程，e銑刀前刃面偏心距。通過式2.3與式2.4聯立，即可得銑刀切削刃方程：（2.5）通過分析式2.5可得，當式中pk =，e = 0，=0時，即刀具的前角與螺旋角都為零時，此為方程式的特殊情況，經過計算，式2.5可簡化為直線方程，此時通過刀具前刃面切削刃上的齒形為一條直線22。而當刀具帶前角與螺旋角時，即在式2.5的一般情況下，通過銑刀前刃面切削刃上

45、的齒形不再是一條單純的直線，而是一條與刀具前角和螺旋角有關的空間曲線，此曲線與理論前刃面直線齒形是有誤差的，從而引起刀具的齒形誤差。由于銑刀是采用成型法加工工件，刀具前刃面上的切削刃會影響被加工件的齒形，刀具的齒形誤差將直接傳遞給被加工件。汽輪機轉子輪槽齒形精度要求高，其又通過輪槽精銑刀最終成型，因此，輪槽精銑刀在結構設計時必須保證前刃面切削刃的齒形精度。通過上述分析可以得出結論，為了保證精切樅樹型輪槽銑刀的齒形精度，刀具在結構設計時應采用零度前角與螺旋角，以此減小刀具在結構上的造型誤差，保證刀具加工工件應有的精度。（2）合理頂刃后角選取樅樹型輪槽精銑刀在結構設計中，頂刃后角的選取對刀具的加工

46、壽命會產生直接影響。通常在銑刀銑削加工過程中，考慮加工成本的經濟性，成型銑刀需要重復使用，刀具用鈍后需再進行修磨。如何使修磨后的銑刀型線保持不變，修磨后的刀具尺寸變化確保不影響輪槽型線的精度要求，銑刀頂刃后角的選取對銑刀修磨次數與壽命會產生影響。精切樅樹型輪槽銑刀齒背為阿基米德螺旋面，要經過鏟齒形成后角。我們可以將銑刀刀齒的前刃面齒形沿齒厚方向，用過軸線(零度前角的情況)的平面，將刀齒剖切成許多個薄截面，每一個薄截面當相當一個切削平面，從理論上講，每一個切削平面的齒形都應該保持不便。銑刀在機床上加工時，當銑刀轉過一個齒形，砂輪徑向前進k值（k值即為刀具的鏟背量），因而形成銑刀的后角23-24。

47、 圖9 刀具鏟背量示意圖fig.9 the cam of the milling刀具鏟背量如圖9所示，刀具頂刃后角與鏟背量k的具體計算公式為：k= （2.6）式中：d銑刀外徑，z刀具切削刃槽數，o-刀齒頂刃后角。由公式2.6可得，在外徑與切削刃槽數不變的情況下，鏟背量k值與頂刃后角o成正比關系，刀具在加工時選取的鏟背量k值將影響頂刃后角大小，從而直接影響刀具的切削使用。但由于樅樹型輪槽銑刀為錐度銑刀，實際切削刃口上每一點外徑都不相同，很難用公式2.6計算出刀具加工所需唯一k值。通常輪槽銑刀型線比較復雜，因此根據實際鏟磨情況，樅樹型輪槽銑刀的鏟背量k值根據刀具外徑大小，一般取2-4左右，并根據刀

48、具現場制備情況進行適當調整。當確定刀具加工的鏟背量后，為了保證刀具能順利切削，還需按式2.7計算刀具齒面側后角c是否足夠大，一般情況下，側后角c應不小于2。c=（2.7）式中：d銑刀外徑，z刀具切削刃槽數，刀具齒形角。分析式2.7可得，當刀具槽數與齒形角一定時，齒面側后角c與鏟背量k值成正比關系，k值的大小將直接影響側后角的大小。因此，可以的出結論：當鏟背量k值取得過大或過小時，都會對刀具切削產生影響。具體結論如下：（1）在精加工時，刀齒頂刃后角o不能取過小，也就是刀具在設計時鏟背量k值不能取太小。因為刀具在精加工過程中，當o過小時，根據計算，會引起側后角ac較小，刀刃不容易切入工件,刀具后刀

49、面與加工表面間的摩擦可能過大，這樣反而容易引起振動, 會使刀具與工件被加工表面的磨擦加劇，從而加快刀具磨損，造成加工表面的質量及刀具壽命下降。（2）但當k值取值過大時，對刀具的修磨次數會產生影響。在實際操作時，一般在確保刀具精度的同時還希望刀具具有盡可能長的切削壽命和較多的修磨次數，以此降低刀具成本。因此刀具在制造時應合理選擇鏟背量k值，較大的鏟背量雖然可改善切削性能，但是，由于產品公差帶較窄，較大的鏟背后角使得修磨時刀具尺寸變化相對較大，導致刀具修磨次數的減少。2.2.4 樅樹型輪槽銑刀設計準則綜上所述，通過粗切、半精切、精切三種類型樅樹型輪槽銑刀設計研究，在設計樅樹型輪槽銑刀時，為體現刀具

50、的高效性與精密性，應按如下準則：（1）關于刀具材料選用，由于加工生產效率的提升，輪槽轉子型線加工從普通機床轉變到高效數控機床加工。在高速數控機床加工時，要求刀具具有較高的轉速，從而刀具材料從普通高速鋼w18cr4v、w6mo5cr4v2到含鈷高速鋼m42，甚至粉末冶金高速鋼asp2052等適合高速切削的刀具材料。（2）關于粗切樅樹型輪槽銑刀，由于切削時工件去除較大余量，因此刀具在設計時應采用等前角與等螺旋角結構。粗切刀具使用等前角結構，能增加刀具的切削力，使切削輕快，提升刀具的切削效率。刀具采用等螺旋角結構，螺旋角盡可能取大，如p12粗切刀采用等螺旋角25，這樣可以增加刀具的切削的平穩性。，并

51、能避免通常刀具在小端處斷裂。（3）關于半精切樅樹型輪槽銑刀，刀具用來粗銑型線，留精加工余量，刀具雖然切削量沒粗切銑刀多，但需保證被加工輪槽轉子的精度與余量。因此刀具除了采取等前角與等螺旋角結構外，由于刀具型線的復雜，加工時與工件表面接觸面積比較多，同時還采用波形刃結構，用以切削時斷屑。半精刀需要輪槽轉子的齒形成型，為了保證齒形精度，刀具螺旋角不宜取過大，通常取5左右，螺旋角過大會引起刀具的造型誤差，從而影響工件的齒形精度。而切削刃口的波形刃則需采用錯齒結構，使波形平均分布在每條刀槽上，以保證切削的平穩性。（4）關于精切樅樹型輪槽銑刀，刀具用來輪槽轉子的最終成型，刀具精度是加工精度的主要影響因素

52、，刀具應按零度前角與螺旋角設計，以此減小刀具前刃面刃口的造型誤差，保證刀具的齒形精度。此外，由于精切刀具價格昂貴，因此刀具的壽命也是也是衡量刀具的一個指標。原則上，精切銑刀在保證齒形不變的情況下，盡可能多的增加刀具修磨次數。因此影響刀具頂刃后角的鏟背量k值應取在合理范圍內，通常k值設定范圍在2-4左右。k值太大或太小均對使用產生影響，k值過小，會引起刀具齒側后角太小，這樣刀具在切削時會與工件被加工表面的磨擦加劇，從而加快刀具磨損。而k值過大時，則會影響刀具的修磨次數，減少刀具的使用壽命。 2.3 高效精密樅樹型輪槽銑刀制備汽輪機轉子樅樹型輪槽根部是葉片的主要裝配部位，它的加工精度決定著裝配質量

53、，并直接影響著汽輪機的安全運行和效率。因此，樅樹型輪槽的尺寸精度、粗糙度、技術要求都很高。由于輪槽生產批量大，樅樹型輪槽加工過程中，常采用鏟齒成形銑刀即樅樹型輪槽銑刀，成形法加工獲得形狀和尺寸。樅樹型輪槽銑刀齒形復雜，刀具為鏟齒結構，其齒形通常是通過鏟磨加工形成。隨著鏟齒刀具前刃面齒形的變化，需要不同的鏟磨工藝，相應的鏟磨砂輪的截形也不同。傳統制備樅樹型輪槽銑刀的方法，通常在普通鏟齒車床上進行鏟磨加工，鏟磨砂輪需要用金剛石滾輪或者用帶有金剛石筆的修整器進行修整，鏟磨砂輪修整后的截形精度直接影響著輪槽精銑刀廓形的精度，進而決定了輪槽廓形的精度。因為鏟齒結構的刀具齒形所用成形砂輪的截形設計計算相當

54、繁瑣，所以生產中常采用一些近似計算，但其精度往往達不到要求。此外，鏟磨過程中砂輪截形還會因鏟磨工藝、斜鏟角度、砂輪直徑、刀具幾何參數等的變化而發生一些變化，從而影響砂輪鏟磨刀具的齒形。因此，如何對輪槽銑刀進行精密鏟磨，是制造合格的輪槽銑刀，保證樅樹型輪槽加工精度的關鍵所在25。 2.3.1 傳統鏟磨工藝分析近十幾年來，國內外學者對于鏟齒刀具精度保持性的研究從未間斷過，提高刀具齒側面的鏟磨精度一直是機床刀具行業亟待解決的重要課題。究其原因，主要是在刀具鏟磨工藝等方面都存在著一系列的問題和誤差26。樅樹型輪槽銑刀齒形的鏟磨加工分徑向鏟磨和斜向鏟磨兩種。當鏟床做徑向鏟磨運動時，鏟磨機理誤差較小；當斜

55、向鏟磨時，砂輪既有鏟背運動(阿基米德螺旋運動)，又有斜向分運動，此時砂輪截形同時受到斜鏟角度、砂輪直徑、工件幾何參數等多種因素的影響，因此鏟磨機理誤差較大27。為了改善汽輪機樅樹型輪槽銑刀的切削狀況，減少刀具側面與工件表面的摩擦。通常在設計時，我們人為增大刀具的側后角，把刀齒設計成斜鏟齒結構。常用方法是砂輪按照圖紙給出的鏟齒方向水平移動，移動距離由k值(凸輪)決定，由于銑刀仍然繞軸線旋轉，其相對于銑刀的運動軌跡是一條空間曲線，而不是像正鏟齒那樣是平面阿基米德螺旋線28。雖然銑刀斜鏟齒結構有利切削，但對于刀具的鏟磨加工會造成一定困難，影響刀具的鏟磨齒形精度。在鏟齒加工過程中，樅樹型輪槽、輪槽銑刀、鏟磨砂輪及砂輪磙子四者之間的關系如圖10所示。輪槽 銑刀 砂輪 砂輪磙子圖10輪槽、銑刀、砂輪關系示意圖fig.10 the relationship of the fir sl