【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 雜、數(shù)控切削刀具 的 關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)迅速改善 刀具行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 ，提升 我國(guó)高效、高性能刀具 加工技術(shù)水平具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。 課題 的主要 內(nèi)容 本課題主要 以樅樹(shù)型 輪槽 銑刀為 研究對(duì)象 ， 以此 研究高效、 精密 樅樹(shù)型輪槽銑刀 的設(shè)計(jì)、制備和 切削試驗(yàn) ，具體研究?jī)?nèi)容如下： 1). 對(duì) 樅樹(shù)型輪槽銑刀 的研究歷程以及國(guó)內(nèi)外的 最新進(jìn)展及動(dòng)態(tài)作詳細(xì)的闡述； 2). 主要 研究高效、精密樅樹(shù)型輪槽銑刀的設(shè)計(jì)與制備。 通過(guò) 粗切、半精切、精切三種形式刀具的設(shè)計(jì)研究，形成樅樹(shù)型輪槽銑刀基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ，在刀具制備方面，分析了樅樹(shù)型輪槽銑刀的精密磨削； 3). 結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助手段，對(duì)樅樹(shù)型輪槽銑刀進(jìn)行建模仿真研究 ； 通過(guò)建模仿真預(yù)測(cè)， 預(yù)測(cè)出 加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用 樅樹(shù)型輪槽銑刀 的 切削熱、切削力、殘余應(yīng)力大小 ， 對(duì) 高效精密刀具設(shè)計(jì) 進(jìn)行結(jié)構(gòu)論證 ； 4). 通過(guò) 樅樹(shù)型 輪槽 銑刀切削 試驗(yàn) ，研究樅樹(shù)型 輪槽 銑刀切削加工性能，包括加工過(guò)程的熱分析，加工過(guò)程的力分析，加工過(guò)程的振動(dòng)分析，加工切 屑 分析， 及刀具磨損情況 分析， 對(duì)刀具的切削性 能做出綜合評(píng)價(jià)； 5). 對(duì)論文作總結(jié)和展望 。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 4 第二章 樅樹(shù)型 輪槽 銑刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與制備 研究工作背景介紹 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸作為高速旋轉(zhuǎn)體，是在高溫、高壓和高速的工況下運(yùn)行的，工作條件十分惡劣，這就對(duì)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(wěn)定性，因此要求選擇的材料應(yīng)具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度、高的壽命以及優(yōu)良的導(dǎo)磁性能 。 一般來(lái)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。 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。而轉(zhuǎn)子 加工中最為關(guān)鍵、最為困難的是輪槽的加工，保證了輪槽的加工質(zhì)量，就從根本上保證了轉(zhuǎn)子的加工質(zhì)量 ［ 8］ 。 從刀具角度看， 樅樹(shù)型輪槽銑刀是轉(zhuǎn)子成型加工的刀具。 銑刀 在 加工過(guò)程中由于 切削環(huán)境的封閉性， （加工過(guò)程中 會(huì)產(chǎn)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(shí)由于所使用刀具 型線 的復(fù)雜性，刀具不同位置的切削用量、產(chǎn)生力和熱不同， 必然會(huì) 導(dǎo)致刀具磨損的不均勻性 。這 不僅 會(huì) 影響加工根槽的尺寸精度，還 會(huì) 影響刀具加工根槽的表面質(zhì)量。 因此，合理選配輪槽銑刀將直接關(guān)系到輪槽型線尺寸精度和表面粗糙度 ， 這就要 求科研技術(shù)人員在研究過(guò)程中了解材料的力學(xué)性能和切削加工性，同時(shí)更要求選擇更好的刀具材料和參數(shù)角度 及切削用量 。 目前，汽輪機(jī)組市場(chǎng)需求量大，前景非常廣闊 ， 針對(duì)上述汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的加工性能，給刀具 設(shè)計(jì) 提供了 很 大的發(fā)揮空間。 高效 精密 樅 樹(shù)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。而加工 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽 型線的樅樹(shù)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。 樅 樹(shù) 型 輪槽 銑刀 齒形型線復(fù)雜， 且型線尺寸多為封閉型的。在 刀具設(shè)計(jì)時(shí)， 合 理選擇刀具的幾何參數(shù)，對(duì)刀具切削起著重要作用。 在論文中，以規(guī)格 P12 樅樹(shù)型 輪槽 銑刀為例， 以此 來(lái)研究高效精密 樅樹(shù)型輪槽銑刀 的設(shè)計(jì)研究。 P 系列 樅樹(shù)型輪槽為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽的一種型式， P 型輪槽的工作面與輪槽外齒面的連線成一定的角度 。此 種 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 可以增大葉片的葉根與轉(zhuǎn)子輪槽在裝配時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子工作運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 規(guī)格 P12 樅樹(shù)型輪槽銑刀 為 P 系列輪槽銑刀中規(guī)格最大的一種。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(lái)。 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) 。 為了提升刀具的切削效率， 輪槽轉(zhuǎn)子型線加工從普通機(jī)床轉(zhuǎn)變到高效數(shù)控機(jī)上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 5 床加工，從而刀具材料從普通高速鋼 W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2 也轉(zhuǎn)變 到含鈷高速鋼M42，甚至粉末冶金高速鋼 ASP2052 等。由于在高速數(shù)控機(jī)床加工，要求刀具具有較高的轉(zhuǎn)速。因此，刀具材料為普通高速鋼時(shí)，已不能承受刀具高速切削時(shí)產(chǎn)生的大量熱量， 容易 引起刀具刃口過(guò)熱退火，破壞刀具表面質(zhì)量 ［ 9］ ［ 11］ 。 根據(jù)刀具的 實(shí)際切削情況以及性價(jià)比綜合因素考慮， P12 規(guī)格樅樹(shù)型輪槽銑刀采用牌號(hào)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(shí)產(chǎn)生的熱量，適合在高速、高效數(shù)控機(jī)床上加工。 圖 3 P12樅樹(shù)輪槽銑刀齒 形 p12 fir tree milling cutter profile 粗切樅樹(shù)型 輪槽 銑刀設(shè)計(jì) 粗切樅樹(shù)型 輪槽 銑刀是汽輪機(jī)輪槽轉(zhuǎn)子根部切削加工的第一道工序，主要用來(lái) 在汽輪機(jī)輪槽根部銑削出一條槽來(lái) （開(kāi)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(duì)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(dòng)過(guò)大及切屑阻塞導(dǎo)致刀具斷裂 ，同時(shí) 刀具在切削時(shí)將產(chǎn)生大量的切削熱和 切削 振動(dòng)。 P12 粗切樅樹(shù)型 輪槽 銑刀刀齒采用 3條槽結(jié)構(gòu)，由于只是用來(lái)開(kāi)槽，因此刀具齒形 在前刃面的投影 為一條直線。 針對(duì)粗切 樅樹(shù)型輪槽銑刀 的加工特性， 刀具上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 6 在設(shè)計(jì)時(shí)， 采用等前角與等螺旋角設(shè)計(jì) ， P12 粗切銑刀外形結(jié)構(gòu)如圖 4所示。 圖 4 P12粗切樅樹(shù)型輪槽銑刀 P12 rough working milling cutter （ 1） 等前角設(shè)計(jì) 通常情況下， 在刀具設(shè)計(jì)時(shí) 適當(dāng)?shù)卦龃笄敖?γ o， 主偏角 kc， 能減小切削力 ，并 減小振動(dòng) 。 刀具前角增大，能使刀具切削 輕快、 鋒利 ；但前角增大， 又會(huì) 在加工時(shí)會(huì)引起被加工件的齒形誤差。因此，通常建議在粗切刀具時(shí)，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(shù)型輪槽銑刀 在設(shè)計(jì)時(shí)采用等前角設(shè)計(jì)，等前角角度 5176。 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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，而這些刀具的等前角加工可以說(shuō)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(diǎn)外圓直徑不同，前刃面上每點(diǎn)偏心都不同，此時(shí)刀具的前刃面已不再是一條單純的直線，而是與每一點(diǎn)外圓直徑相關(guān)的空間曲線 ［ 12］ 。 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， 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 7 γ 刀具前角， e刀具前角偏心距。 由式 ， 可分別計(jì)算出刀具每點(diǎn)上不同的偏心距，同時(shí)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(shí)，偏心距也改變。 粗切 樅樹(shù)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(qiáng)度不及大端處的強(qiáng)度。 樅樹(shù)型粗切銑刀等前角的設(shè)計(jì)，使粗切樅樹(shù)型輪槽銑刀 在小端與大端處的前角一致， 當(dāng)小端處外徑較小時(shí)，根據(jù)公式 可得，刀具的 偏心距也相對(duì)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(qiáng)度。 （ 2）等螺旋角設(shè)計(jì) 在刀具制造條件許可時(shí)，可適當(dāng)取大螺旋角β。 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(shù)型輪槽銑刀 加工 轉(zhuǎn)子輪槽 ，成型銑刀就具備了斜切削功能，切削刃單位長(zhǎng)度上負(fù)荷大為減少，從而獲得了切削的平穩(wěn)性，這為該類刀具快速轉(zhuǎn)、大切深、快走刀創(chuàng)造了條件，并且 對(duì) 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(shù)型 輪槽 銑刀 刀齒在切削時(shí) 切削量 和負(fù)荷均較大，為了使刀具在切削時(shí)輕快、平穩(wěn)，滿足粗切刀切削要求，因此 P12 規(guī)格的 粗切樅樹(shù)型 輪槽 銑刀 刀具采用等螺旋角 25176。設(shè)計(jì) 。 螺旋錐銑刀屬非標(biāo)準(zhǔn)刀具，適用于復(fù)雜曲面的加工。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和機(jī)械加工對(duì)象的復(fù)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(shè)計(jì)技術(shù)， 等螺旋角圓錐螺旋線的特點(diǎn)是螺旋線上任意一點(diǎn)的切線始終與母線成定角等螺旋角 ［ 13］ ［ 14］ 。 圖 6 螺旋線導(dǎo)程與螺旋角和工件直徑的關(guān)系 ［ 13］ Relationship between lead、 helix angel and the diameter of workpiece 由圖 6可得： P = π d/tanβ ??（ ） 式中 ： P螺旋線導(dǎo)程 ， d工件直徑 ， β 螺旋角 。 由式 ，當(dāng)導(dǎo)程為常數(shù)時(shí)，如工 件直徑為定值，則螺旋角也為一定值。當(dāng)螺旋線在錐體上時(shí)，由于工件直徑是一變量，在導(dǎo)程是一個(gè)常數(shù)時(shí)，螺旋 角就上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 8 隨著直徑的增大而增大；如果要求螺旋角是一個(gè)常數(shù)，即螺旋線上各點(diǎn)的螺旋角相等，則導(dǎo)程必然隨工件直徑的變化而變化，反應(yīng)到等螺旋角錐銑刀上，就表現(xiàn)為刀具 型 線 上每點(diǎn) 沿軸線方向上各處導(dǎo)程是不相等的。 P12粗切樅樹(shù)型輪槽銑刀 采用等螺旋角 25176。， 使用該大螺旋角 樅樹(shù)型粗切 銑刀加工 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(zhǎng)度上負(fù)荷大為減少，從而獲得了切削的平穩(wěn)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(shí)容易在小端處產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象。 當(dāng)?shù)毒哌x取較大螺旋角，且為等螺旋角時(shí)，則刀具在切削刃上的每點(diǎn)螺旋角一致，且均為 25176。，那樣刀具 小端在切削時(shí)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(xiàn)象。 半精切 樅 樹(shù)型 輪槽 銑刀設(shè)計(jì) （ 1）半精切 輪槽 銑刀的研制 半精切 樅樹(shù)型 輪槽 銑刀是汽輪機(jī)輪槽轉(zhuǎn)子輪槽根部切削加工的第 二 道工序，用來(lái) 粗銑 樅樹(shù)型輪槽 轉(zhuǎn)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(lái)在輪槽根部 開(kāi)槽，對(duì)加工精度要求 相對(duì) 較低 。但半精切樅樹(shù)型 輪槽 銑刀， 需要銑出樅樹(shù)型輪槽的粗型線， 根據(jù)被加工輪槽轉(zhuǎn)子的大小，一般 為精加工留 ～ 左右余量 。若半精銑刀在齒 距 或型線 尺寸上誤差較大， 接下來(lái)再 通過(guò)下道工序精銑刀的加工， 則 很難保證精銑的尺寸。 因此 ，對(duì)于半精銑刀的設(shè)計(jì)，其 齒形 精度應(yīng)與精銑刀相同，以此保證轉(zhuǎn)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(guò) 精切銑刀型線 向內(nèi)平移 后得 到該 齒形 。 由圖 7 可見(jiàn) ，半精切刀具 型線也較為復(fù)雜。因此半精切刀具在設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮切削強(qiáng)度方面的問(wèn)題 ，還需考慮半精加工銑后的轉(zhuǎn)子輪槽型線 能夠 保證精加工的余量。 圖 7 半 精 切刀具輪廓 the contour of semifinished milling 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹(shù)型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 9 根據(jù)工藝要求，一般轉(zhuǎn)子輪槽在加工時(shí)，半精加工可分為一刀或兩刀。 在加工過(guò)程中，由于 半精切 輪槽 銑刀與被加工 輪槽轉(zhuǎn)子 表面的接觸面積較大， 在切削時(shí)會(huì) 產(chǎn)生很大的摩擦力，從而導(dǎo)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(zhuǎn)子輪槽表面 的切屑面積較大， 加工時(shí)產(chǎn)生的切屑 難以盡快排除， 當(dāng)走刀量過(guò)大時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象， 對(duì)切削效 率和刀具使用壽命均產(chǎn)生很大影響。 因此 刀具在設(shè)計(jì)時(shí)， 為使銑刀刃口各點(diǎn)在切削時(shí)較為平穩(wěn)，銑刀 采用等前角 10176。 與等螺旋角 5176。 核心技術(shù) 。 （ 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(shí)與工件表面接觸面積比較多，銑刀還采用波形刃結(jié)構(gòu)。 為了減少刀具在切削時(shí)的振動(dòng)以及提高刀具的耐用度，使刀具在切削時(shí)能暢快出屑， 緩解刀具在切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱， 通常 在 半精切 輪槽 銑刀的每條切削刃上，相應(yīng)磨出符合技術(shù)要求的幾條 波形 溝槽 ，即波形刃 。 在