高效精密枞树型轮槽铣刀设计制备准则_及其试验研究硕士学位论文(编辑修改稿)

高效精密枞树型轮槽铣刀设计制备准则_及其试验研究硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 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 4 第二章 枞树型 轮槽 铣刀结构设计 与制备 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。 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 5 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 p12 fir tree milling cutter profile 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 6 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 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 γ 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 枞树型轮槽铣刀 在设计时采用等前角设计，等前角角度 5176。 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 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 = „„（ ） 式中： r刀具半径， 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 7 γ 刀具前角， e刀具前角偏心距。 由式 ， 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 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β。 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 25176。 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 ［ 13］ Relationship between lead、 helix angel and the diameter of workpiece 由图 6可得： P = π d/tanβ „„（ ） 式中 ： P螺旋线导程 ， d工件直径 ， β 螺旋角。 由式 ，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 8 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 25176。 ， 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 25176。 ，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。 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 ～ 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 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 the contour of semifinished milling 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 9 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 10176。 与等螺旋角 5176。 核心技术。 （ 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。