【導(dǎo)讀】立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論。文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書。中零件的加工效率、精度、質(zhì)量和成本。近幾十年來，高效先進(jìn)刀具。具的設(shè)計(jì)及其試驗(yàn)研究。是精加工刀具還主要依賴進(jìn)口刀具為主。爭(zhēng)實(shí)力，推動(dòng)工具行業(yè)快速持續(xù)發(fā)展。證，從而解決先進(jìn)刀具應(yīng)用問題。

　　

【正文】 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上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 14 配質(zhì)量，并直接影響著汽輪機(jī)的安全運(yùn)行和效率。因此， 樅樹型輪槽 的尺寸精度、粗糙度、技術(shù)要求都很高。由于 輪槽 生產(chǎn)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(fù)雜， 刀具為鏟齒結(jié)構(gòu)， 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(yīng)的鏟磨砂輪的截形也不同。 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。因?yàn)殓P 齒結(jié)構(gòu)的刀具 齒形所用成形砂輪的截形設(shè)計(jì)計(jì)算相當(dāng) 繁 瑣，所以生產(chǎn)中常采用一些近似計(jì)算，但其精度往往達(dá)不到要求。此外，鏟磨過程中砂輪截形還會(huì)因鏟磨工藝、斜鏟角度、砂輪直徑、刀具幾何參數(shù)等的變化而發(fā)生一些變化 ，從而影響砂輪鏟磨刀具的齒形 。因此，如何對(duì)輪槽銑刀進(jìn)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(guān)鍵所在 ［ 25］ 。 傳統(tǒng) 鏟磨工藝分析 近十幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鏟齒刀具精度保持性的研究從未間斷過，提高刀具齒側(cè)面的鏟磨精度一直是機(jī)床刀具行業(yè)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(dāng)鏟床做 徑向鏟磨 運(yùn)動(dòng) 時(shí)，鏟磨機(jī)理誤差較小； 當(dāng) 斜向鏟磨時(shí)，砂輪既有鏟背運(yùn)動(dòng) (阿基米德螺旋運(yùn)動(dòng) )，又有斜向分運(yùn)動(dòng)，此時(shí)砂輪截形同時(shí)受到斜鏟角度、砂輪直徑、工件幾何參數(shù)等多種因素的影響，因此鏟磨機(jī)理誤差較大 ［ 27］ 。 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。 通常 在設(shè)計(jì)時(shí)，我們?nèi)藶樵龃蟮毒叩膫?cè)后角， 把刀齒設(shè)計(jì)成斜鏟齒 結(jié)構(gòu) 。常用方法是砂輪按照?qǐng)D紙給出的鏟齒方向水平移動(dòng)，移動(dòng)距離由 K值 (凸輪 )決定，由于銑刀仍然繞軸線旋轉(zhuǎn)，其相對(duì)于銑刀的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)有利切削，但對(duì)于刀具的鏟磨加工會(huì)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(guān)系如圖 10所示。 Ⅰ輪槽 Ⅱ銑刀 Ⅲ砂輪 Ⅳ砂輪磙子 圖 10輪槽、銑刀、砂輪關(guān)系示意圖 the relationship of the fir slot milling and the grinding wheel 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 15 目前 ， 國(guó)內(nèi) 樅樹型輪槽銑刀 生產(chǎn)廠家一般采用 在線或離線數(shù)控砂輪修整器對(duì)砂輪進(jìn)行修形，并 結(jié)合優(yōu)化鏟床工藝參數(shù)的方法來提高輪槽鏟磨精度 和效率 。 由于 鏟床的設(shè)計(jì)原理是以徑向鏟車為基礎(chǔ)的，若將其用于斜向鏟磨 ，與鏟床設(shè)計(jì)原理不符，則會(huì)引起刀具的鏟磨齒形誤差 ［ 29］ 。 因此， 在鏟床現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)關(guān)系下，樅樹型輪槽刀具理論齒側(cè)面具有不可鏟磨性。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 。由于常用輪廓計(jì)算 方法 ， 在不同程度上存在著砂輪廓形計(jì)算復(fù)雜、優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)。 刀具 實(shí)際的 輪廓型線不能通過鏟磨一次獲得， 最終要由 砂輪修形器反復(fù) 修形獲得 。 然而即使采用數(shù)控修形，重復(fù)修形精度也很難達(dá)到 。修形誤差對(duì)刀具齒形誤差的影響很大， 尤其對(duì)刀具齒形的反復(fù)修磨，容易造成刀具刃口退火，破壞刀具材料的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，從而 降低 刀具硬度 和使 用壽命。因此， 在普通鏟齒車床上加工樅樹型輪槽銑刀， 想找到一種理想的砂輪廓形，一次鏟磨出樅樹型輪槽銑刀的正確齒形 ，是 非常困難 的 。 樅樹型 輪槽 銑刀 高效、精密 磨削工藝分析 隨著 裝備制造業(yè)的發(fā)展 ， 輪槽加工技術(shù)也 發(fā)生了改變。加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用樅樹型輪槽銑刀從原先的精銑刀 直接成型 ，逐步發(fā)展成 開槽、粗銑型線和精銑 多道工序 。 同時(shí) 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。粗切銑刀與半精銑刀的研發(fā)產(chǎn)生， 衍生了等前角、等螺旋角、波形刃分屑槽的關(guān)鍵技術(shù)。雖然粗切與半精切 樅樹型輪槽銑刀 也采用鏟齒結(jié)構(gòu)， 但 隨著 鏟齒刀具刃形的變化，需要不同的鏟磨工藝，相應(yīng)的鏟磨砂輪的截形也不同 ， 普通鏟齒車床已無(wú)法加工此類帶等螺旋角、等前角、波形刃分屑槽結(jié)構(gòu)的刀具 ，因此對(duì)于加工此類復(fù)雜成型銑刀需采用更先進(jìn)的機(jī)床。 本論文中樅樹型 輪槽 銑刀制備 的加工機(jī)床選擇為德國(guó)進(jìn)口五軸聯(lián)動(dòng)的SAACKE 數(shù)控工具磨床。 原先在普通鏟齒車床上 ， 刀具靠 砂輪 進(jìn)行 鏟背運(yùn)動(dòng) ，即砂輪 移動(dòng)距離 K 值 (凸輪 )進(jìn)行刀具磨削而形成刀具鏟齒結(jié)構(gòu)。 SAACKE 數(shù)控工具磨床擁有專業(yè)的加工編程軟件，根據(jù)輸入具體刀具數(shù)值要求（包括等前角數(shù)值，等螺旋角數(shù)值）， 通過空間矢量的基礎(chǔ)理論對(duì)銑削 類刀具幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)理論的 計(jì)算 ， 建立出 被加工 樅樹型輪槽銑刀 的 鏟齒結(jié)構(gòu) 數(shù)學(xué)模型 。 當(dāng)機(jī)床在加工刀具時(shí)， 砂輪磨削的路徑為 已建立的數(shù)學(xué)模型 外輪廓 ，刀具鏟齒結(jié)構(gòu)是通過砂輪走外輪廓模型曲線形成。由于刀具等前角與等螺旋角的存在，砂輪在磨削刀具時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象， 引起齒形誤差。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(shí) 進(jìn)行自動(dòng)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 。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第二章 樅樹型輪槽銑刀 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備 16 圖 11 粗切刀三維模擬 圖 12半精加工刀三維模擬 Fig. 11 Rough work milling 3D simulation Fig. 12 Semifinished milling 3D simulation 圖 13 SAACKE 數(shù)控工具磨床 圖 14 機(jī)床加工 樅樹型輪槽 銑刀 Fig. 13 CNC tool grinding machine Fig. 14 the machine manufacturing the fir tree milling cutter 圖 11 與圖 12分別為機(jī)床專用軟件對(duì)刀具進(jìn)行三維模擬，圖 13與圖 14分別為 SAACKE 數(shù)控工具磨床與機(jī)床加工刀具。 本章小結(jié) 本章主要論述了高效、精密樅樹型 輪槽 銑刀的設(shè)計(jì)與制備。在 刀具 設(shè)計(jì)方面，以 P12規(guī)格的樅樹型輪槽銑刀為例， 通過 粗切、半精切、精切三種形式 刀具 的設(shè)計(jì)研究， 形成樅樹型輪槽銑刀基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 在不同的切削場(chǎng)合下， 高效、精密刀具樅樹型輪 槽銑刀的設(shè)計(jì) 應(yīng)按準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，包括刀具材料與結(jié)構(gòu) 選取 。 在刀具制備方面， 分析了樅樹型輪槽銑刀的精密磨削。傳統(tǒng)的磨削工藝，刀具在普通鏟齒車床上進(jìn)行磨削加工， 由于 在鏟床現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)關(guān)系下，樅樹型輪槽刀具理論齒側(cè)面具有不可鏟磨性 ，在磨削時(shí)會(huì)造成一定的齒形誤差， 實(shí)際的廓形最終要由修形獲得 。 修形誤差對(duì)刀具齒形誤差的影響很大，甚至?xí)档偷毒叩闹圃炀群褪褂脡勖?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。高效樅樹型輪槽銑刀的精密磨削離不開先進(jìn)數(shù)控設(shè)備。 論文中樅樹 型輪槽銑刀制備 的加工機(jī)床選擇為德國(guó)進(jìn)口五軸聯(lián)動(dòng)的 SAACKE數(shù)控工具磨床。通過機(jī)床專用軟件建立刀具與加工砂輪的數(shù)學(xué)模型，在磨削時(shí)通過齒形誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)行刀具的精密磨削。上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 樅樹型輪槽銑刀建模仿真研究 17 第 三 章 樅樹型 輪槽 銑刀 建模仿真 研究 建模仿真研究基本思想 金屬切削加工過程伴隨著高溫、高壓、高應(yīng)變率的塑性大變形。在此過程中刀具對(duì)工件產(chǎn)生強(qiáng)大的擠壓力，使切削層在高應(yīng)力、高應(yīng)變、高切削溫度的情況下與基體產(chǎn)生分離，形成已加工表面 ［ 30］ ［ 31］ 。近年來，國(guó)外在研究切削參數(shù)對(duì)加工過程的影響、切屑的形成及切屑與刀具的接觸和摩擦的有 限元模擬等方面取得了足以滿足工程要求的成果 ［ 32］ 。但國(guó)內(nèi)關(guān)于切削工藝對(duì)工件 加工 影響規(guī)律的研究還處于初步階段，制約了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。 刀具 切 削加工過程被公認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理過程， 這個(gè)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。面對(duì)這個(gè)復(fù)雜而又煩瑣的動(dòng)態(tài)物理過程， 利用傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法已經(jīng)很難對(duì)切削的機(jī)理進(jìn)行定量的分析和研究。 尤其是近幾年提出的刀具切削的高速、高效、精密性，傳統(tǒng)的切削實(shí)驗(yàn)研究方法已很難滿足隨著刀具的發(fā)展而衍生出一系列切削問題。因此，如今 借助 于數(shù)值仿真的計(jì)算方法特別是有限元計(jì)算被眾多學(xué)者認(rèn)為 是一種 可靠 而可行的手段 ［ 33］ ［ 34］ 。借助有限元這一手段，能 有效預(yù)測(cè)工件和刀具中的不均勻 切削力 、 切削熱 、殘余應(yīng)力 、 切屑形態(tài)、切削力以及刀具磨損等參數(shù)； 通過對(duì)刀具的預(yù)測(cè)， 能有效的 優(yōu)化切削加工工藝、提高刀具設(shè)計(jì)水平 。 有限元法的基本思想是將一個(gè)連續(xù)的求解域離散為一組或者有限個(gè)區(qū)域，并且按照一定的方式將離散單元連接在一起，同時(shí) 各個(gè)離散 單元可以選擇不同的形狀，即使是形狀復(fù)雜的求解域也能夠表達(dá)，最后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目有限，所以稱為有限 元方法。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，只要改變單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目就可以提高求解精度，隨著計(jì)算機(jī)硬件條件的發(fā)展，可以得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的解 ［ 35］ ［ 36］ 。 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。金屬切削加工是一個(gè)復(fù)雜的切削變形過程，傳統(tǒng)切削力的研究 結(jié)果 基本上是通過試驗(yàn)的方法得到經(jīng)驗(yàn)公式，然后供實(shí)際使 用 。但是傳統(tǒng)的研究方法在實(shí)施上有較多難度，成本高，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有時(shí)欠準(zhǔn)確。運(yùn)用有限元等計(jì)算機(jī)手段可以用較低成本揭示切削加工過程，且在較短時(shí)間內(nèi)獲得較為豐富的各種數(shù)據(jù)，對(duì)高效 、 先進(jìn)刀具的設(shè)計(jì)有很大幫助。 上海交通大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 第三章 樅樹型輪槽銑刀建模仿真研究 18 C A E 建建 建 建建 建 建建 建建建建建建建建建建建建建建 建建 建建 建建 建建 建建建建建建建建建 建建 建建 建建 建建 建建建建建建建建 建 建 建 建 建 建 建建建建NY圖 15 有限元分析的主要流程示意圖 Block diagram of finite element 有限元進(jìn)行工程分析大體可以分為三個(gè)主要流程，如圖 15所示 ［ 37］ ： （ 1） 前處理過程。包括系統(tǒng)原始狀態(tài)的幾何建模（在通用 CAE環(huán)境中完成或者借助于其它 CAD軟件）、賦予材料熱力學(xué)物理性質(zhì)、定義分析步（隱式、顯式或者特征值計(jì)算）、定義接觸性質(zhì)（點(diǎn)面、面面、整體接觸或者自接觸）、邊界條件（自由度約束或溫度邊界）以及 運(yùn)動(dòng)條件 ； （ 2） 求解計(jì)算過程。這個(gè)過程主要由 專業(yè) 軟件程序完成，完成金屬切削過程的基本分析計(jì)算，所有在前處理過程中被用戶請(qǐng)求的輸出項(xiàng)都會(huì)在這個(gè)流程中計(jì)算出來，比如切削變形區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度分布以及切削力的時(shí)域曲線等 ； （ 3） 后處理過程。在這個(gè)過程中，由計(jì)算機(jī)程序負(fù)責(zé)把請(qǐng)求的運(yùn)算結(jié)果通過圖形化語(yǔ)言或者數(shù)字化語(yǔ)言表述出來，變成易于被用戶識(shí)別的結(jié)果。例如對(duì)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(duì)切削形貌的圖形化表述。 樅樹型輪槽銑刀建模仿真研究 樅 樹 型 輪槽 銑刀 模型建立 在第二章中 對(duì)樅樹型輪槽銑刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，由于刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致刀具在刃口方向上每點(diǎn)切削力與切削量均不同。 通過樅樹型輪槽銑刀的建模仿真研究， 根據(jù)刀具結(jié)構(gòu) 模擬刀具的切削加工，對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行論證與 優(yōu)化，繼而優(yōu)化切削加工工藝，從而提高刀具設(shè)計(jì)水平 。 樅樹型 輪槽 銑刀在銑削過程中， 力、溫度和振動(dòng)均較大，容易在零件表面層和深度方向產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并且引起材料組織的體積相變，材料性能的這些變化綜合作用，使加工后的材料中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 通過 對(duì)最后一道精加工工序（使用圖 16 中最右邊一把刀具）的 殘余應(yīng)力建模仿真可以更為方便