叉形葉根可轉位精銑刀結構設計

東方汽輪機有限公司制造技術處 趙毅 劉光耀 吳波 向志楊 鄧亞弟

叉形葉根可轉位精銑刀結構設計

東方汽輪機有限公司制造技術處 趙毅 劉光耀 吳波 向志楊 鄧亞弟

本文分析了叉形葉根設計難點和影響精度因素，并以工作中實際設計實例，介紹了叉形葉根可轉位精銑刀刀體、刀片設計方法和刀具精度控制方法。

我公司汽輪機葉片與轉子連接方式有多種，不同連接方式的葉片葉根類型不同。“叉形”葉根是我廠大量使用的一種葉根形式。其中“五叉”叉形葉根具有較高加工難度，具體體現在，該類葉根加工的一個共同特點：一是為提高加工效率，按照葉根叉數量，多把刀具串聯在一起同時使用，同時參加切削的刃口多，功率消耗大；刀具直徑大，切削產生的扭矩很大。因此該類刀具要求工藝系統有足夠的剛性，機床主軸有很高的扭矩輸出能力。二是在控制好單把銑刀制造精度的基礎上，還要嚴格控制好成組刀具的安裝精度，以保證整只葉片各叉型線的尺寸與形位公差要求（見圖1）。除此之外，該型線是目前叉形葉根中，槽寬度尺寸最小，各槽深度尺寸較大，尺寸精度要求較高的型線。這些要素對加工刀具提出更高的要求。

目前，我公司加工“五叉”葉片叉形葉根刀具為整體高速鋼刀具。在加工過程中，刀具磨損快，切削效率低，加工單件成本高。為了提高叉形葉根加工效率，降低單件加工成本，提出硬質合金可轉位結構的三面刃銑刀設計思路。

多柄叉形葉根刀具串聯

本文下面以“五叉”葉片叉形葉根銑刀為代表，對該類刀具設計方法進行闡述。

一、刀具設計與制造難點分析

1. 銑刀刀體厚度尺寸小，制造困難

以“五叉”叉形葉根槽為例，叉形槽最小寬度尺寸為W=7.66mm，槽深約為h=35mm。可見，槽寬度尺寸小，深度尺寸大；使用可轉位三面刃銑刀加工時，銑刀刀體厚度薄，要保持高精度加工刀體，對加工工藝、刀體材料等提出了非常高的要求，并且加工難度大。

2. 提升銑刀刀體強度

因為銑刀體薄，同時因銑削過程中不可避免受循環沖擊載荷作用，導致切削過程中易產生振動，刀體在使用中易變形。因此，需提高刀具強度設計，以保證刀具使用壽命和使用效果。還有一點必須注意的是，通過合理排布刀片的位置，以減少剛性較弱的刀具軸向方向的切削分力。

3.刀具精度高

（1）型線精度高：叉型槽寬度方向尺寸最小公差為0.05mm，徑向尺寸公差為0.076mm，考慮到刀具制造誤差，銑刀刀體允許誤差必須更小。對于薄型刀體，制造難度大，刀體強度要求高。

（2）串聯精度高：因槽精度高，且多把刀具串聯使用，因此，刀體制造精度高的同時，對刀具使用時的串聯精度也提出很高的要求。

二、銑刀設計

所有刀片均先使用標準硬質合金刀片毛坯，采用Proe三維設計，生成Autocad三個方向的2D圖形；以精確保證刀具各尺寸。

1.刀具整體相關參數設計與選取

“五叉”葉片葉根的銑削采用專用機床，主軸功率大；采用冷卻油進行冷卻和潤滑；主軸尺寸φ100mm；加工中采用專用工裝夾具裝夾，進行批量加工。根據以上實際生產情況，確定以下因素：

（1）刀具為硬質合金機夾組合型線銑刀，通過幾組刀片型線的搭接，銑削后達到”五叉”型線的要求。

（2）刀具設計直徑。葉片分廠叉型葉根采用專用機床進行銑削，機床主軸直徑尺寸Φ100mm，加工零件的槽深度135mm，為了保證整個銑刀的強度，需要設計直徑Φ150mm適當厚度的基體加強部分，并保持與葉片一定有效的距離。根據這些因素與限制條件，銑刀最小直徑設計為Φ400mm。

（3）刀具工作角度設計。頂齒的工作角度：經過多次的方案論證，綜合刀體加工，刀片受力，安裝使用等因素，采用水平方向45°斜向安裝方式。根據刀具的直徑尺寸，頂齒徑向需要傾斜 3°～5°才能充分避免與零件的干涉。在軸向兩側刃口法向后角，則根據加工材料特性刀片刃口需要一定的強度和較大的工作前角以及刀片的磨制前角等因素，并結合不銹鋼材料實際切削力試驗，最終確定為4°左右。

側齒的工作角度：與頂齒類似，在刀具徑向與軸向后角分別確定為 3°～5°與4°。為了避免側齒刃口整體參與切削，還需沿第三軸方向旋轉。

倒角銑刀片工作角度：倒角銑刀根據零件的結構特征進行排布。與前類似，為了增加刀片的強度與避免加工過程中的干涉，刃口法向后角設計為 3°～5°。

根據不銹鋼材料的加工特性與生產所需效率等，并結合實際切削力試驗，確定實際工作前角為 5°～9°時切削力適中。

2. 刀體設計

（1）刀體材料及熱處理要求。材質采用42CrMoA鍛料。該材料在機夾刀具的刀體設計中較常用，但在精度要求高、結構剛性較差的刀具結構設計時要慎重，需要穩定控制刀體的尺寸與形狀精度，通常要求在制造過程中通過多次的熱處理工藝來控制變形和消除殘余應力。

刀體毛坯調質后進行粗加工；并在淬火后進行半精加工和精加工后加工，加工中需要進行了多次應力釋放，并對稱加工各刀片槽。刀體要求最終硬度45HRC。

（2）不等齒距設計，減小切削振動。切削力是使加工工藝系統振動的主要原因，切削力是每個刀齒切削時產生的，欲使刀具相對工件產生的相對振幅減小，優化選擇合理齒間角達到激振力的頻譜在所有頻率下盡可能小。不等齒距設計方案的評價指標是：獲得盡量平坦的銑削力幅值譜。

設 Fi(t ) 表示不等齒距三面刃槽銑刀任意方向上的分力，i = x 、 y 、 z 。由于銑削力是周期函數，其周期等于不等齒距銑刀的旋轉周期T，角頻率為 ω ( ω = 2 π / T ) ，可以將銑削力展成如下的傅里葉級數：

目標函數中N為所取的諧波總數，其余的高次諧波幅值可小到不計，用該目標函數計算出的齒間角記為θn。記齒間角下、上限值分別為θmin、θmax， 表示刀體上取該值即齒距最小時，有足夠容屑空間，刀體強度滿足要求，刀片夾緊可靠，θmax值主要是考慮大規格三面刃槽銑刀的動平衡和刀片每齒進給變化成都等條件確定，一般θmin≥2θmax/3。

由式2計算出來的θn應滿足：θmin≤θn≤θmax，若不滿足該式，應將不滿足該式的θn值調入該范圍，代人式2中，再計算，直到滿足為止，這樣計算出來的θn再經過數據標準化后，即為刀體上不等齒距間夾角。

三、刀片設計

（1）刀片材質選擇。刀片材質采用加工不銹鋼類的M類硬質合金材質或PM高速鋼。不銹鋼加工要用M類合金，但在這種大的沖擊栽荷下的切削，系統剛性稍有不足將導致合金刀片崩刃，因此所選擇的M類硬質合金材料要有足夠的抗沖擊韌性和抗彎強度。

粉末冶金高速鋼材料可以彌補硬質合金在強度方面的不足，雖然其耐磨性有所下降，但通過涂層處理后刀具的壽命和切削效率仍然比傳統的刀具會有較大提高。因此PM類高速鋼材料可以作為次選刀具材料。最終根據刀片的試驗結果選擇涂層牌號；

（2）刀片與刀體高度。兩側刀片刃口高出刀體0.5mm；頂齒因受結構和強度影響，設計高出刀體0.3mm。該款刀具作為葉片加工的精銑刀，前述尺寸可以滿足正常切削的結構要求。

（3）刀片壓緊螺釘選取。根據非標刀片大小，選取刀片壓緊螺釘為M4和M3兩種規格，以保證尤其是頂齒刀片的拉緊力與可靠性。

（4）刀片刃口強度設計。該刀具為葉片葉根最終精加工工序用，刀片采用全磨制結構，為消除刀片切削刃在磨削過程中的微缺陷，保證刀片切削刃足夠強度，要求刀片刃口進行鈍化處理R0.1。

（5）精度要求。因刀片制造的難度與誤差因素，通過刀片搭接，實際切削圓弧與理論曲線有一定的誤差，需要通過精磨刀片，保證與理論誤差在5um以內，以此保證整套刀具±0.02mm的軸向尺寸精度，從而保證叉形槽的加工精度。

(6)頂齒刀片設計。頂齒刀片直接影響葉根槽底的加工，通過左右兩組頂齒非標刀片搭接，2.65×45°倒角及倒圓角處、直槽非標刀片均至少可轉兩次安裝位使用，以增加性價比。

刀具頂齒投影到水平切削位置時，左右兩組刀片在投影方向形成R3.80半圓，因投影為橢圓圖形，刀片輪廓與理論輪廓相差5μm以內。左右兩組頂齒槽底搭接處，形成0.27mm重合，棱角處倒圓R0.5mm，避免形成明顯切痕。

頂齒刀片設計

為最大限度增大刀體厚度，提高刀體強度，頂齒刀片與刀體中分面成 45°夾角，螺釘孔深約4mm，以保證M3螺釘拉緊刀片，增加該處刀片的可靠性。

（7）側齒。采用與頂齒相同方式，根據Autocad圖形確定銑削輪廓型線，及刀片各方向位置尺寸。

（8）刀具精度檢測。根據裝配后3D圖生成2D圖，檢測各方向尺寸；需要則調整各方向尺寸，使刀具滿足要求。

設計后的刀片和刀具外形結構如下圖：

頂齒刀片側齒刀片倒角刀片 非標刀片設計

刀具設計效果圖

四、設計銑刀切削參數計算

根據選定葉片的不銹鋼材料，通過廠內金屬材料技術手冊和其它資料，以及相關切削計算公式可計算出各刀片相關參數（見下表）。

各刀片相關參數計算表

通過以上各刀片參數以及整套刀具刀片設計和數量，可以計算整套刀具加工各相關理論參數。

五、切削試驗

2.首件切削試驗

因刀具為多把刀具串聯使用，需要進行確保制造精度和細節完善，故進行中間銑刀的首件制造和試驗。

1.精度檢測

刀體在進行外協制造，并嚴格控制精度尺寸。頂齒軸向跳動0.03mm，徑向跳動0.04mm；側齒軸向跳動0.03mm。

為了確保該款葉根機夾銑刀的加工，還需要安裝在機床進行各尺寸的檢測，并進行切削試驗驗證葉根加工各尺寸精度。因葉片分廠葉根銑削專機為非數控或數顯，不能準確進行參數記錄，通過目測計時方式估算。根據估算，機床轉速S≈60r/min，進給f≈60mm/min，fz≈0.1mm/min。共試加工中間和右側各一槽。

檢測中間銑刀各

中間銑刀進行切削試驗

3.試驗結果

在銑削過程中，刀具切削輕快，無明顯振動和異響，排屑流暢。葉根加工表面粗糙度，底部槽約Ra1.6um，中部槽、上部槽約Ra3.2um，倒角表面光滑。

葉片下機床上綜合量具進行檢查，單槽各部寬度通止規檢查滿足要求，底部槽槽底R過渡圓滑；深度方向尺寸也均進行通止規的檢測，均滿足要求。

六、結語

本文主要以公司“五叉”葉片叉形葉根可轉位銑刀設計為例，介紹了叉形葉根可轉位精銑刀設計難點、刀體、刀片和刀具精度影響因素，其設計方法和結果。針對該類機夾可轉位刀具的設計思路是切實可行的。□