動(dòng)力渦輪盤榫槽拉刀設(shè)計(jì)

    0 前言

    渦輪盤是整個(gè)動(dòng)力渦輪部分十分重要的零件，它的精度高、機(jī)械加工難度大，在整個(gè)渦輪機(jī)加工中也是一個(gè)難點(diǎn)。而在渦輪盤機(jī)械加工中，工作量最大、難度最高的是輪盤榫槽加工。 

動(dòng)力渦輪盤材質(zhì)是GH698，屬鎳基合金，Ni含量大于70%，加工硬化嚴(yán)重，切削加工性非常差。而且輪盤精度要求高，機(jī)械加工難度非常大，對(duì)拉刀的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)有非常嚴(yán)格且特殊的要求。

    1 拉刀材質(zhì)的選擇 

    由于輪盤材質(zhì)是高溫合金GH698，加工性差，而且輪盤精度要求高，硬質(zhì)合金刀具雖然在硬度、耐磨性和切削用量等方面優(yōu)于高速鋼，但其缺點(diǎn)很突出：不能承受較大的沖擊力，強(qiáng)度低，只是高速鋼的三分之一，熱處理困難；整體硬質(zhì)合金刀具制造困難，可加工性差，型線的鏟磨必須用金剛石砂輪。普通高速鋼由于在強(qiáng)度、硬度等方面性能指數(shù)低，不能采用，而粉末冶金高速鋼如CPM-42，雖然韌性、硬度和可磨削性優(yōu)于其它高速鋼，但價(jià)格偏高，因此，也不采用。通過比較分析，拉刀材質(zhì)選用M42(W2Mo9Cr4VCo8)鈷高速鋼。 

    M42熱處理后硬度是67-69HRC，在加工中當(dāng)溫度提高至600-620℃時(shí)具有很高的紅硬性，并具有很高的耐磨性，很高的強(qiáng)度及良好的工藝性能，因而榫槽拉刀材質(zhì)選擇M42是準(zhǔn)確的。

    2 粗拉刀結(jié)構(gòu)的確定 

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    粗拉刀長度的確定  

    輪槽拉刀是加工輪盤的專用拉刀，由于刀具齒型特殊，拉床、拉夾具等因素綜合考慮，采用整體結(jié)構(gòu)成套拉刀。每套9把，8把粗拉刀，1把復(fù)合精拉刀，拉刀定位尺寸為40mm×40mm。拉刀的長短則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，拉刀太短，數(shù)量多，加工繁復(fù)，工作量大；太長對(duì)于單把拉刀費(fèi)用昂貴，一旦損壞，損失太大。對(duì)于輪盤拉刀，經(jīng)反復(fù)論證，采用1000-1200mm比較合理，最終確定：長度依次是L1,2,4,5=1185mm，L3,9=1200mm，L6=1025mm，L7,8=1145mm。  

    切削余量的分配  

    榫槽的成型是根據(jù)兩種切削圖實(shí)現(xiàn)的，即非型線部分和型線部分，型線部分的拉刀比非型線部分的拉刀具有更高的加工精度。榫槽非型線部分成型是由N1～N6拉刀實(shí)現(xiàn)的，型線部分是由N7～N9實(shí)現(xiàn)的。圖1是拉削榫槽的拉削余量分配圖。

圖1 

    拉刀切削部分的幾何參數(shù)  

    af為齒升量，即切削部前、后刀齒(或組)高度之差；P為齒距，即兩相鄰刀齒之間的軸向距離；ba1為刃帶，用于在制造拉刀時(shí)控制刀齒尺寸，也為了增加拉刀校準(zhǔn)齒前刀面的可重磨次數(shù)，提高拉刀的壽命。有了刃帶，還可以提高拉削的穩(wěn)定性；g0為拉刀前角；a0為拉刀后角。 

粗拉刀切削部分幾何參數(shù)的確定  

    齒升量af  

    在一定的拉削余量下，af越大，切去全部余量所需要的刀齒就越少，拉刀的長度也就越短，不僅可以節(jié)省刀具材料，拉刀制造容易，而且可以提高拉削生產(chǎn)率；但af過大，拉削力也增大，會(huì)導(dǎo)致拉刀折斷或機(jī)床超載，拉后工件表面也得不到保證。因此齒升量的確定必須考慮到拉刀強(qiáng)度、機(jī)床拉力、以及工件表面質(zhì)量等。根據(jù)輪盤的厚度，各把粗刀的拉削部位，分別采用0.05-0.07的齒升量。  

    齒距P  

    齒距是拉刀的重要設(shè)計(jì)要素，P過大，則拉刀過長，不僅制造成本高，而且拉削生產(chǎn)率低。此外，P過大，同時(shí)工作齒數(shù)太少，拉削過程不平穩(wěn)，影響拉削表面質(zhì)量。P過小，容屑空間小，切屑容易堵塞；同時(shí)工作齒數(shù)會(huì)過多，切削力相應(yīng)增大，可能導(dǎo)致拉刀折斷及機(jī)床超載；P過小，還會(huì)給刃磨帶來困難，砂輪切入時(shí)有與相鄰刀齒碰撞的危險(xiǎn)。  

    齒距P可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：  

    P=(1.25～1.9)L½(L為拉削長度) 

    渦輪盤所需加工四級(jí)輪盤，每級(jí)76個(gè)槽，槽寬分別是50.55，軸向傾角20°，總切削長度為17m。每個(gè)槽的拉削長度是：L1=50/cos20°=53.20，L2=55/cos20°=58.53。  

    前角g0、后角a0和刃帶ba1  

    對(duì)于輪盤來講，其材質(zhì)GH698粘性大，硬度高，彈性大，前角可取g0=10°，為減小切削力，減小回彈變形，后角應(yīng)增大a0=3°，切削齒刃帶ba1=0，校準(zhǔn)齒刃帶ba1=0.1～0.3。  

    其它切削部分的幾何參數(shù)  

    容屑槽：選擇為加長齒距型。這種容屑槽底部由兩段圓弧和一段直線組成，齒距較大，有足夠的容屑空間，便于在很大齒升量下加工復(fù)雜型面的榫槽。  

    分屑槽：針對(duì)工件材質(zhì)的特性，N1～N4粗拉刀齒面寬且齒升量大，為了將切屑分割成一定的寬度，便于卷曲和容納在容屑槽中，在拉刀切削齒后刀面上交錯(cuò)地磨出深度為hk=1分屑槽。 

    3 精拉刀切削部分幾何參數(shù)的確定 

    由于精拉刀拉削過程是榫槽成型的最終形式，因而要保證榫槽表面的高質(zhì)量，精拉刀的設(shè)計(jì)起著關(guān)鍵的作用。在設(shè)計(jì)上注意以下幾點(diǎn)：  

    復(fù)合精拉刀由輪槽外圓平面成型拉刀，輪槽槽底成型拉刀，榫槽輪廓成型拉刀3部分組成。各部分拉刀的齒升af，齒距P各不相同，精拉刀齒升量af要小，在全齒型切削時(shí)更要小，對(duì)于整把精拉刀而言，齒升量前大后小。  

    榫槽輪廓成型拉刀校正齒要多，齒距要大，對(duì)于動(dòng)力渦輪盤而言，最后3個(gè)齒距大于輪盤在傾斜20°方向上的厚度，形成單齒切削，這樣使輪盤有充分的彈性回縮時(shí)間，使后一個(gè)校正齒再重新光一刀，保證榫槽表面的輪廓質(zhì)量。  

    為提高精拉刀的使用壽命，保證型面輪廓的正確，設(shè)計(jì)時(shí)，拉刀輪廓取輪槽輪廓的最小實(shí)體狀態(tài)，這樣拉刀實(shí)體處于輪槽輪廓的上限。  

    在全齒型切削時(shí)，拉力突然增大，拉刀產(chǎn)生振動(dòng)，容易崩齒或拉刀折斷，不僅工件報(bào)廢，而且會(huì)造成拉刀的損失，為避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)精拉刀時(shí)要計(jì)算出全齒型切削時(shí)的齒數(shù)，將這些齒的齒根、齒底開分屑槽，保證可有效地?cái)嘈肌?/p>

    4 拉刀的制造 

    由于輪槽拉刀對(duì)刀具材質(zhì)的各種性能要求非常高，因此對(duì)毛坯的鍛造，熱處理要求十分嚴(yán)格，特別是精拉刀型線部分的齒形加工有很大的難度。  

    加工時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：  

    刀齒前面和齒溝槽必須圓滑連接，不要出現(xiàn)尖角，影響排屑。  

    刀齒后刀面光潔度要好，這樣可以減小切削阻力，避免應(yīng)力集中，減小或避免機(jī)床的振動(dòng)。  

    刀體與刀柄連接部分要保證整體的直線度、平面度，使之與拉夾具導(dǎo)向槽配合良好。  

    拉刀制造時(shí)要二次探傷，消除裂紋。

    5 拉刀的修磨 

    刃磨條件  

    拉刀在使用時(shí)會(huì)逐漸的磨損，當(dāng)拉刀磨損到一定情況時(shí)會(huì)影響榫槽的質(zhì)量和拉刀的壽命，所以有必要對(duì)拉刀的刃磨條件和刃磨方法作一闡述。拉刀在拉削過程中判斷拉刀刃磨的條件：  

    拉削成型的表面粗糙度突然下降；  

    拉力急劇增大；  

    拉刀切削刃的刃帶寬度超過0.01mm；  

    加工中出現(xiàn)異常情況，如拉刀振動(dòng)增大等。 

    拉刀的刃磨  

    拉刀材質(zhì)M42，通過比較試磨，CBN(立方氮化硼)砂輪磨拉刀時(shí)要仔細(xì)觀察槽口，注意以下幾點(diǎn)：  

    拉刀磨不要往復(fù)磨削過快，否則會(huì)將拉刀刀齒燒糊，造成退火，使拉削時(shí)崩齒。  

    對(duì)于精拉刀和粗拉刀刀齒槽底圓弧! 不同，要有不同的專用的砂輪，保證圓弧和直線光滑連接。粗拉刀要用粒度為100的CBN砂輪，圓角為R2.5；精拉刀要用粒度為148～180的CBN砂輪，圓角為R1。  

    在磨校正齒時(shí)，要根據(jù)已拉削槽數(shù)，檢測尺寸結(jié)果，萬方數(shù)據(jù)進(jìn)行少量磨削。  

    精拉刀校正齒后刀面必須用大理石油石修理，加工過程中每拉一個(gè)槽，必須對(duì)所有拉刀校正齒前刀面進(jìn)行刮研，去掉積屑瘤(GH698比較粘)。  

    刃磨過后，每把刀必須消磁。

    6 結(jié)論 

    上述方法設(shè)計(jì)的拉刀進(jìn)行了拉削實(shí)踐，拉削出的產(chǎn)品符合渦輪盤榫槽的設(shè)計(jì)要求，使用方法簡單、修磨方便，是拉削渦輪盤榫槽非常好的拉刀結(jié)構(gòu)。