【正文】 錐銑刀屬非標(biāo)準(zhǔn)刀具，適用于復(fù)雜曲面的加工。圖5 刀具前角幾何關(guān)系 Geometry relationship of rake angel由圖5所示幾何關(guān)系，可以計(jì)算出刀具前角偏心距e： e = ……（）式中：r刀具半徑，γ刀具前角，e刀具前角偏心距。由于輪槽最窄處尺寸較小，銑刀對應(yīng)部位因刀具容屑槽等結(jié)構(gòu)尺寸的限制，刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和容屑能力受到限制，如直接采用成型半精銑進(jìn)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(dǎo)致刀具斷裂，同時刀具在切削時將產(chǎn)生大量的切削熱和切削振動。由于該規(guī)格輪槽銑刀型線最大處外徑較大，因此汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽很難用一把刀切削加工下來。 高效精密樅樹型輪槽銑刀設(shè)計(jì)研究隨著汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子制造新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，加工工藝也逐步要求在數(shù)控加工中心高效完成葉片葉根型線的加工。一般來講，轉(zhuǎn)子軸材料多為高強(qiáng)度、高導(dǎo)磁、高塑性、高韌性及低脆性轉(zhuǎn)變溫度的鋼。 課題的來源及研究意義本課題來源于國家科技重大專項(xiàng)——“汽車與航空發(fā)動機(jī)用高效、高性能數(shù)控刀具”，課題編號2010ZX04012042。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(yīng)部位因刀具容屑槽等結(jié)構(gòu)尺寸的限制，刀具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和容屑能力受到限制，如直接采用成型粗銑進(jìn)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(dǎo)致刀具斷裂。 研究歷程及其國內(nèi)外現(xiàn)狀由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是采用整鍛轉(zhuǎn)子形式，加工時需要非常謹(jǐn)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(diǎn)及可能引起的問題要進(jìn)行充分地分析。金屬切削加工作為制造技術(shù)中最主要的工藝技術(shù)，決定著制造業(yè)中零件的加工效率、精度、質(zhì)量和成本［5］。近幾年來，我國電力需求增長每年達(dá)15～20%左右。本學(xué)位論文屬于 不保密□。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 申請上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文高效精密樅樹型輪槽銑刀設(shè)計(jì)制備準(zhǔn)則及其試驗(yàn)研究學(xué) 校：上海交通大學(xué)院 系：機(jī)械與動力工程學(xué)院工程領(lǐng)域：機(jī)械制造及其自動化交大導(dǎo)師：陳明 教授企業(yè)導(dǎo)師：孟璋琪 高工工程碩士：孟漪學(xué) 號：1090212030上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)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 Efficiency and Precise Fir tree milling cutter Candidate：Yi MengSupervisor(Ⅰ)： Min ChenSupervisor(Ⅱ)： Zhangqi MengSpeciality： Mechanical EngineeringSchool of Mechanical EngineeringShanghai Jiaotong UniversityShanghai, Aug,2011上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。（請?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名：___________ 指導(dǎo)教師簽名：___________日期：_____________ 日期：____________上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 摘要高效精密樅樹型輪槽銑刀設(shè)計(jì)制備準(zhǔn)則及其試驗(yàn)研究摘 要金屬切削加工作為制造技術(shù)中最主要的工藝技術(shù)，決定著制造業(yè)中零件的加工效率、精度、質(zhì)量和成本。因此，我國電站建設(shè)壓力很大，而電站機(jī)組的單機(jī)容量也隨著大型火電設(shè)備設(shè)計(jì)制作技術(shù)的提高，趨向大型化。即使到下個世紀(jì)切削加工仍將是機(jī)械制造業(yè)最基本最大量的工藝技術(shù)，必須給予充分重視。 如圖圖2：要加工的樅樹型分為內(nèi)外兩種形式： 圖1內(nèi)樅樹 圖2外樅樹 Internal firtype External firtype在汽輪機(jī)制造行業(yè)，生產(chǎn)這些整體式轉(zhuǎn)子最耗時間工序之一是加工汽輪機(jī)葉根槽。因此采用粗切、粗銑與精銑加工，能有效減小刀具的切削用量，減小刀具切削負(fù)荷。本項(xiàng)目針對高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)裝備的關(guān)鍵性工具之一——高效、高性能、精密復(fù)雜、數(shù)控切削刀具開展研發(fā)，并形成產(chǎn)業(yè)化。轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)關(guān)鍵部件之一，其加工質(zhì)量直接關(guān)系到汽輪機(jī)性能。而加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽型線的樅樹型輪槽銑刀，從刀具材料到外形結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷了發(fā)展。根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際切削情況，輪槽轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。P12粗切樅樹型輪槽銑刀刀齒采用3條槽結(jié)構(gòu)，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。，可分別計(jì)算出刀具每點(diǎn)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(guān)，當(dāng)?shù)毒咄鈴皆谧兓瘯r，偏心距也改變。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和機(jī)械加工對象的復(fù)雜化，這類刀具的需求量有了大幅度的上升。當(dāng)?shù)毒哌x取較大螺旋角，且為等螺旋角時，則刀具在切削刃上的每點(diǎn)螺旋角一致，且均為25176。由圖7可見，半精切刀具型線也較為復(fù)雜。（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(fù)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(jié)構(gòu)。當(dāng)槽深太深時，則會使刀具的強(qiáng)度下降。銑刀在切削時， 第一條切削刃a刃先接觸被加工件進(jìn)行切削，當(dāng)a刃切削完畢，則銑刀在圓周上轉(zhuǎn)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。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(biāo)［21］。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(dāng)令此母線做螺旋運(yùn)動時，可得銑刀螺旋前刀面方程：X= ……（）式中：PK—銑刀螺旋槽導(dǎo)程，e—銑刀前刃面偏心距。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(shù)與壽命會產(chǎn)生影響。當(dāng)確定刀具加工的鏟背量后，為了保證刀具能順利切削，一般情況下，側(cè)后角αc應(yīng)不小于2176。因此刀具在制造時應(yīng)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(chǎn)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(dǎo)致刀具修磨次數(shù)的減少。（3）關(guān)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(zhuǎn)子的精度與余量。因此影響刀具頂刃后角的鏟背量K值應(yīng)取在合理范圍內(nèi)，通常K值設(shè)定范圍在24左右。傳統(tǒng)制備樅樹型輪槽銑刀的方法，通常在普通鏟齒車床上進(jìn)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(jìn)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(jìn)而決定了輪槽廓形的精度。為了改善汽輪機(jī)樅樹型輪槽銑刀的切削狀況，減少刀具側(cè)面與工件表面的摩擦。目前在普通鏟齒車床上采用的鏟磨方法，都沒有從鏟磨機(jī)理上根本解決鏟磨齒形變化問題，只能根據(jù)實(shí)際加工齒形，通過不斷的砂輪修形來得到理想齒形，因而鏟磨效果與生產(chǎn)效率都不是最理想。同時為了滿足各道加工工序的需求，刀具在結(jié)構(gòu)上也發(fā)生改變。因此機(jī)床軟件還需建立砂輪輪廓曲線與銑削刀具螺旋槽截形之間的數(shù)學(xué)理論關(guān)系，通過機(jī)床專用軟件進(jìn)行刀具加工三維模擬，進(jìn)一步調(diào)整機(jī)床加工型線，在磨削時進(jìn)行自動補(bǔ)償，為刀具的加工提供了理論依據(jù)，以此進(jìn)行刀具的精密磨削。并且隨著刀具結(jié)構(gòu)的改變與發(fā)展，帶等前角、等螺旋角與波形分屑槽的樅樹型輪槽銑刀已很難在普通鏟齒車床上進(jìn)行加工。刀具切削加工過程被公認(rèn)為是一個復(fù)雜的動態(tài)物理過程，這個切削過程涉及眾多交叉學(xué)科，包括彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)等等一系列學(xué)科。目前，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)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。例如對切削仿真的中間結(jié)果或最終結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、列表或云圖顯示，對切削形貌的圖形化表述。模型中刀具幾何參數(shù)設(shè)置如下:刀具為四齒樅數(shù)型銑刀，刀具材料M42，含鈷高速鋼，刀具角度為前角0度，后角8度，等螺旋角0度，刀具都是TiCN涂層，5微米的厚度。從仿真圖片還可以看出，加工過程中切屑附近的溫度最高，說明加工過程中大量切削熱都被切屑帶走。從理論上講，凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使加工表面的殘余應(yīng)力減小。圖31 殘余應(yīng)力仿真點(diǎn)示意圖 從建模仿真分析得到結(jié)論：（1） 從理論上講，凡能減小塑性變形和降低切削溫度的因素都能使加工表面的殘余應(yīng)力減??；（2） 從刀具設(shè)計(jì)參數(shù)角度上，采用較小的前角和刀具后面變小有利于在已加工表面形成殘余壓應(yīng)力。由于刀具每點(diǎn)的外徑都不相同，因此對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算與采集造成一定困難。圖35 整體式圓柱立銑刀 Standard cylindrical milling cutter表2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切削的加工原始參數(shù)序號切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)每齒進(jìn)給量fz (mm/z)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)切削厚度ac(mm)切削寬度aw(mm)刀具懸長(mm)A630B998630C630D864630E630F630G630H630I630J630K630M630從表2觀察可知，從A點(diǎn)至M點(diǎn)的等效加工參數(shù)，有的變化不明顯、有的變化較大，根據(jù)正交試驗(yàn)的原則，最后制定出優(yōu)化加工參數(shù)，如表3所示（C組中的C1和C2以及O組、P組參數(shù)的主要目的是，研究進(jìn)一步提高側(cè)向切深、切削速度和進(jìn)給量的可能性）表3 標(biāo)準(zhǔn)刀具進(jìn)行切削的優(yōu)化加工參數(shù)參數(shù)組序號切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)刀具懸長(mm)B16302345C16302346567E1630234522003250表3（續(xù)）參數(shù)組序號切削速度Vc(m/min)回轉(zhuǎn)速度n (rpm)進(jìn)給速度Vf(mm/min)背吃刀量ap(mm)側(cè)吃刀量ae(mm)刀具懸長(mm)F16302345I16302345O1160015063022003250P1180015063022003250（2）生產(chǎn)加工現(xiàn)場切削試驗(yàn)方案現(xiàn)場試驗(yàn)使用的樅樹型輪槽銑刀為整體式M42含鈷高速鋼成形刀具，刀具分為粗刀、 半精刀、半精刀和精刀，如圖16所示（從左至右依次是粗刀、半精刀、半精刀、精刀）。要分析加工過程中溫度對加工表面質(zhì)量的影響，主要應(yīng)該從分析不同切削用量單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和傳出的熱量入手。圖38 加工參數(shù)B組切削溫度圖 圖39 加工參數(shù)C組切削溫度圖 Group B cutting temperature Group C cutting temperature圖40是加工參數(shù)組E的切削溫度圖。圖17中溫度的變化范圍為254~204℃，總體上切削溫度隨著進(jìn)給量的增加逐步降低；E1時所測得的溫度最高，E5時所測得的溫度最低。在轉(zhuǎn)化的總熱能中，除了極少的一部分以熱輻射的形式耗散外，其余的熱量均由刀具、工件以及切屑來承擔(dān)?，F(xiàn)場加工切削試驗(yàn)主要從加工過程的振動分析、切屑形貌、刀具磨損情況來分析刀具的性能。因此在本次試驗(yàn)中，切削熱和切削力的研究采用等效原則法。（4） 從宏觀來看，切削力對殘余應(yīng)力影響并不明顯。圖24為刀具精加工殘余應(yīng)力仿真深度方向分布圖（仿真點(diǎn)為圖31中的5點(diǎn)），從圖中殘余壓應(yīng)力從表面逐步減小，但變化很快。同時一方面，也會使已加工表面上的切削溫度升高，從而由熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力的影響逐漸增加。 刀具切削力仿真預(yù)測分析圖2圖2圖2圖30分別為加工參數(shù)B點(diǎn)、C點(diǎn)、E點(diǎn)和F點(diǎn)的切削力仿真結(jié)果圖。具體如