枞树型轮槽铣刀精密铲磨方法的研究

魔神

    

1 引言

汽轮机转子是汽轮机的动力部分，加工质量的好坏将直接影响到整个汽轮机的性能，而轮槽的加工又是转子加工中最为关键、最为困难的环节。目前国内生产的30万千瓦、60万千瓦机组和核电机组的轮槽结构都采用的是普通枞树型。这种结构的轮槽增大了叶根与轮槽的接触面积，使载荷分布更加均匀，但其尺寸精度要求高，加工制造困难。由于大型枞树型轮槽是圆弧槽，有4个承力面，其受力面角度大、强度高、轮槽深度大，横截面几何尺寸大，普通铣床无法加工。国外加工此类轮槽多采用专用数控轮槽铣床，而大型的数控铣床加工大型枞树型转子轮槽也存在精度问题。经分析试验后，国内在轮槽加工工艺上，采用数控铣床分7刀加工此类轮槽。

1.粗铣刀Ⅰ 2.粗铣刀Ⅱ 3.加深立铣刀 4.半精铣刀Ⅱ 5.半精铣刀Ⅱ 6.精铣刀 7.端面铣刀 图1 轮槽加工示意图

如图1所示，加工末级轮槽使用的轮槽铣刀比加工1～6级轮槽时多3倍以上，每一轮槽又需7刀才能加工完成，若购买国外成品刀具，价格非常昂贵，因此非常必要进行大规格轮槽铣刀的设计研制。由于轮槽铣刀属于专用刀具，设计时除考虑刀具结构、材质、切削余量分配等因素外，还要考虑铣刀制造的工艺性。轮槽铣刀尤其是轮槽精铣刀的设计与制造非常复杂。由于轮槽的形状和尺寸实际上是通过成形法加工获得，因此轮槽精铣刀廓形的精度决定着轮槽廓形的精度。为了保证轮槽铣刀的使用寿命和方便重磨，轮槽精铣刀一般采用零度前角，铲齿结构，其廓形是在铲齿车床上铲磨完齿形后最终形成。随着铲齿刀具刃形的变化，需要不同的铲磨工艺，相应的铲磨砂轮的截形也不同。铲磨砂轮需要用金刚石滚轮或者用带有金刚石笔的修整器进行修整，铲磨砂轮修整后的截形精度直接影响着轮槽精铣刀廓形的精度，进而决定了轮槽廓形的精度。因为铲磨齿形所用成形砂轮的截形设计计算相当繁琐，所以生产中常采用一些近似计算，但其精度往往达不到要求。此外，铲磨过程中砂轮截形还会因铲磨工艺、斜铲角度、砂轮直径、刀具几何参数等的变化而发生一些变化。因此，如何对轮槽铣刀进行精密铲磨，是制造合格的轮槽铣刀，保证枞树型轮槽加工精度的关键所在。

2 铲磨工艺分析

近十几年来，国内外学者对于铲齿刀具精度保持性的研究从未间断过，提高刀具齿侧面的铲磨精度一直是机床刀具行业亟待解决的重要课题。究其原因，主要是在刀具设计、铲磨工艺等方面都存在着一系列的问题和误差。轮槽铣刀的齿形铲磨加工分径向铲磨和斜向铲磨两部分。径向铲磨时，铲磨机理误差较小；斜向铲磨时，砂轮既有铲背运动(阿基米德螺旋运动)，又有斜向分运动，此时砂轮截形同时受到斜铲角度、砂轮直径、工件几何参数等多种因素的影响，因此铲磨机理误差较大。

1. 轮槽 2.铣刀 3.砂轮 4.砂轮磙子 图2 轮槽、铣刀、砂轮关系示意图

枞树型轮槽、轮槽铣刀、铲磨砂轮及砂轮磙子四者之间的关系如图2所示。目前国内工具生产厂家一般采用机床局部改造结合优化铲床工艺参数的方法来提高轮槽铲磨精度。铲床的设计原理是以径向铲车为基础的，若将其用于斜向铲磨则存在着原理误差。在铲床现有的运动关系下，枞树型轮槽刀具理论齿侧面具有不可铲磨性。目前采用的铲磨方法，都没有从铲磨机理上根本解决铲磨畸变问题，因而铲磨效果并不十分理想。这些方法还在不同程度上存在着砂轮廓形计算复杂、优化得到的最佳工艺参数在生产现场很难实现等缺点。实际的廓形最终要由修形获得，然而即使采用数控修形，重复修形精度也很难达到0.01mm。修形误差对刀具齿形误差的影响很大，甚至会降低刀具的制造精度和使用寿命。既使上述所有误差均被克服，铲磨过程中仍存在砂轮安装、砂轮磨损等误差，这些误差都将产生铲磨畸变问题。因此，想找到一种理想的砂轮廓形，一次铲磨出枞树型轮槽铣刀的正确齿形非常困难。经过多年研究，我们利用现代设计方法结合传统加工经验，综合铲磨机理、砂轮的修形、安装及磨损等因素，将铲磨砂轮的试凑原理及误差影响分析演变为专家系统的推理规则，形成了基于知识的精密铲磨系统，开发出一种较为理想的枞树型轮槽铣刀铲磨方法。

3 基于知识的精密铲磨方法

通过以上分析，可以看出轮槽铣刀的铲磨过程主要有以下特点：

• 铲磨中用到的知识是生产实践经验的总结。有些经验知识可以通过图表、公式等形式总结出来，供使用参考，但大部分经验知识无法用数学模型来表示。因此铲磨过程是一个与领域知识及经验积累密切相关的过程。
• 铲磨过程是数值计算、图形处理、优化设计等知识的综合。方案的选择应兼顾设计的技术可行性与经济性原则。
• 轮槽铣刀的铲磨是一个创造性劳动过程。曲面不同，成型刀具不同，铲磨过程则不同。因此要充分发挥创造力。

图3 基于知识的铲磨系统结构图

根据某企业制造轮槽铣刀多年积累的经验，我们将知识技术引入刀具铲磨过程，把专家知识经识别、概念化及形式化等处理，汇集成知识库来解决铲磨成形问题，从而实现铲磨砂轮的准确修整，保证了轮槽铣刀的制造精度。图3是基于知识的铲磨系统结构图。

铲磨砂轮实际上是轮槽加工的二次工具。铲磨过程可以分解为几类任务进行设计，如轮槽刀具设计、铲磨砂轮设计、铲磨工艺设计、性能分析等。每一类任务又可分解为若干子任务，如铲磨砂轮设计可分为砂轮结构设计、砂轮廓形设计等。每一类任务所用到的知识，既与其它部分的知识有一定程度上的关联，又表现出很大的独立性。为了克服产生式规则表示设计知识存在的形式单一，知识的组织、管理、维护都很困难的缺点，我们采用面向对象的思想构造知识库，即按铲磨砂轮设计的对象类层次结构对知识进行划分，将知识分布地存放于各对象类知识中。这样能够避免相同信息的重复存储，节省了存储空间。对象的独立性、知识重用性以及对象类之间的分解、继承关系明确，使得知识库能根据用户的要求进行扩充与修改。

在系统中，采用C⁺⁺及UGⅡ提供的二次开发工具包UG/Open API定义特征提取类，通过遍历产品的特征生成树，将砂轮模型与预定义的特征进行比较，确定特征的工艺类型及尺寸、方位及关键点坐标，为系统提供所需的柔性几何数据；并读出特征所附的属性，存入系统的设计信息数据库中，作为砂轮截形设计的原始依据。根据工艺特征提取出的工艺特征信息，在知识库中进行规则匹配，确定导向类型，最终确定砂轮截形并进行精密铲磨。

因为一般数据库系统不具有运用启发性知识作逻辑推理的功能，为此建造了一个“砂轮截形修整专家系统”(WMES)，它作为一个子系统被调用。砂轮截形修整知识库含有刀具材料、廓形、几何参数、铲背量和砂轮材料、形状、几何参数、安装角度、修形精度、砂轮磨损以及机床参数、铲磨角度等性能知识，对砂轮廓形性能进行评价。

实际生产中，我们针对不同的刀具，采用若干个廓形不同的成形砂轮，配合不同的工艺参数，进行若干次的铲磨，最终获得轮槽精铣刀廓形并保证其精度。轮槽精铣刀的重磨，也是采用这样的方法进行。这若干个成形砂轮的廓形，则是通过基于知识的铲磨系统最终获得。

4 结语

提高刀具齿侧面的铲磨精度一直是机床刀具行业研究的重要课题。将铲磨过程的数值计算、图形处理、优化设计、误差分析、实践经验等知识结合起来，开发出的基于知识的铲磨系统，为轮槽铣刀的精密铲磨、轮槽的精密加工提供了保障，并对其它刀具的铲磨及复杂曲面的精密加工提供了借鉴经验。