动力涡轮盘榫槽拉刀设计

魔神

    

　　前言

　　涡轮盘是整个动力涡轮部分十分重要的零件，它的精度高、机械加工难度大，在整个涡轮机加工中也是一个难点。而在涡轮盘机械加工中，工作量最大、难度最高的是轮盘榫槽加工。

　　动力涡轮盘材质是GH698，属镍基合金，Ni含量大于70%，加工硬化严重，切削加工性非常差。而且轮盘精度要求高，机械加工难度非常大，对拉刀的结构与材质有非常严格且特殊的要求。

　　1拉刀材质的选择

　　由于轮盘材质是高温合金GH698，加工性差，而且轮盘精度要求高，硬质合金刀具虽然在硬度、耐磨性和切削用量等方面优于高速钢，但其缺点很突出：不能承受较大的冲击力，强度低，只是高速钢的三分之一，热处理困难；整体硬质合金刀具制造困难，可加工性差，型线的铲磨必须用金刚石砂轮。普通高速钢由于在强度、硬度等方面性能指数低，不能采用，而粉末冶金高速钢如CPM-42，虽然韧性、硬度和可磨削性优于其它高速钢，但价格偏高，因此，也不采用。通过比较分析，拉刀材质选用M42(W2Mo9Cr4VCo8)钴高速钢。

　　M42热处理后硬度是67-69HRC，在加工中当温度提高至600-620℃时具有很高的红硬性，并具有很高的耐磨性，很高的强度及良好的工艺性能，因而榫槽拉刀材质选择M42是准确的。

　　2粗拉刀结构的确定

　　1)粗拉刀长度的确定

　　轮槽拉刀是加工轮盘的专用拉刀，由于刀具齿型特殊，拉床、拉夹具等因素综合考虑，采用整体结构成套拉刀。每套9把，8把粗拉刀，1把复合精拉刀，拉刀定位尺寸为40mm×40mm。拉刀的长短则应根据实际情况而定，拉刀太短，数量多，加工繁复，工作量大；太长对于单把拉刀费用昂贵，一旦损坏，损失太大。对于轮盘拉刀，经反复论证，采用1000-1200mm比较合理，最终确定：长度依次是L1,2,4,5=1185mm，L3,9=1200mm，L6=1025mm，L7,8=1145mm。

　　2)切削余量的分配

　　榫槽的成型是根据两种切削图实现的，即非型线部分和型线部分，型线部分的拉刀比非型线部分的拉刀具有更高的加工精度。榫槽非型线部分成型是由N1～N6拉刀实现的，型线部分是由N7～N9实现的。图1是拉削榫槽的拉削余量分配图。

　　图1

　　3)拉刀切削部分的几何参数

　　af为齿升量，即切削部前、后刀齿(或组)高度之差；P为齿距，即两相邻刀齿之间的轴向距离；ba1为刃带，用于在制造拉刀时控制刀齿尺寸，也为了增加拉刀校准齿前刀面的可重磨次数，提高拉刀的寿命。有了刃带，还可以提高拉削的稳定性；g0为拉刀前角；a0为拉刀后角。

　　4)粗拉刀切削部分几何参数的确定

　　a.齿升量af

　　在一定的拉削余量下，af越大，切去全部余量所需要的刀齿就越少，拉刀的长度也就越短，不仅可以节省刀具材料，拉刀制造容易，而且可以提高拉削生产率；但af过大，拉削力也增大，会导致拉刀折断或机床超载，拉后工件表面也得不到保证。因此齿升量的确定必须考虑到拉刀强度、机床拉力、以及工件表面质量等。根据轮盘的厚度，各把粗刀的拉削部位，分别采用0.05-0.07的齿升量。

　　b.齿距P

　　齿距是拉刀的重要设计要素，P过大，则拉刀过长，不仅制造成本高，而且拉削生产率低。此外，P过大，同时工作齿数太少，拉削过程不平稳，影响拉削表面质量。P过小，容屑空间小，切屑容易堵塞；同时工作齿数会过多，切削力相应增大，可能导致拉刀折断及机床超载；P过小，还会给刃磨带来困难，砂轮切入时有与相邻刀齿碰撞的危险。

　　齿距P可按下列经验公式计算：

　　P=(1.25～1.9)L½(L为拉削长度)

　　涡轮盘所需加工四级轮盘，每级76个槽，槽宽分别是50.55，轴向倾角20°，总切削长度为17m。每个槽的拉削长度是：L1=50/cos20°=53.20，L2=55/cos20°=58.53。

　　c.前角g0、后角a0和刃带ba1

　　对于轮盘来讲，其材质GH698粘性大，硬度高，弹性大，前角可取g0=10°，为减小切削力，减小回弹变形，后角应增大a0=3°，切削齿刃带ba1=0，校准齿刃带ba1=0.1～0.3。

　　d.其它切削部分的几何参数

　　容屑槽：选择为加长齿距型。这种容屑槽底部由两段圆弧和一段直线组成，齿距较大，有足够的容屑空间，便于在很大齿升量下加工复杂型面的榫槽。

　　分屑槽：针对工件材质的特性，N1～N4粗拉刀齿面宽且齿升量大，为了将切屑分割成一定的宽度，便于卷曲和容纳在容屑槽中，在拉刀切削齿后刀面上交错地磨出深度为hk=1分屑槽。

　　3精拉刀切削部分几何参数的确定

　　由于精拉刀拉削过程是榫槽成型的最终形式，因而要保证榫槽表面的高质量，精拉刀的设计起着关键的作用。在设计上注意以下几点：

　　1)复合精拉刀由轮槽外圆平面成型拉刀，轮槽槽底成型拉刀，榫槽轮廓成型拉刀3部分组成。各部分拉刀的齿升af，齿距P各不相同，精拉刀齿升量af要小，在全齿型切削时更要小，对于整把精拉刀而言，齿升量前大后小。

　　2)榫槽轮廓成型拉刀校正齿要多，齿距要大，对于动力涡轮盘而言，最后3个齿距大于轮盘在倾斜20°方向上的厚度，形成单齿切削，这样使轮盘有充分的弹性回缩时间，使后一个校正齿再重新光一刀，保证榫槽表面的轮廓质量。

　　3)为提高精拉刀的使用寿命，保证型面轮廓的正确，设计时，拉刀轮廓取轮槽轮廓的最小实体状态，这样拉刀实体处于轮槽轮廓的上限。

　　4)在全齿型切削时，拉力突然增大，拉刀产生振动，容易崩齿或拉刀折断，不仅工件报废，而且会造成拉刀的损失，为避免这种情况的发生，设计精拉刀时要计算出全齿型切削时的齿数，将这些齿的齿根、齿底开分屑槽，保证可有效地断屑。

　　4拉刀的制造

　　由于轮槽拉刀对刀具材质的各种性能要求非常高，因此对毛坯的锻造，热处理要求十分严格，特别是精拉刀型线部分的齿形加工有很大的难度。

　　加工时要注意以下几点：

　　1)刀齿前面和齿沟槽必须圆滑连接，不要出现尖角，影响排屑。2)刀齿后刀面光洁度要好，这样可以减小切削阻力，避免应力集中，减小或避免机床的振动。3)刀体与刀柄连接部分要保证整体的直线度、平面度，使之与拉夹具导向槽配合良好。4)拉刀制造时要二次探伤，消除裂纹。

　　5拉刀的修磨

　　1)刃磨条件

　　拉刀在使用时会逐渐的磨损，当拉刀磨损到一定情况时会影响榫槽的质量和拉刀的寿命，所以有必要对拉刀的刃磨条件和刃磨方法作一阐述。拉刀在拉削过程中判断拉刀刃磨的条件：

　　a.拉削成型的表面粗糙度突然下降；b.拉力急剧增大；c.拉刀切削刃的刃带宽度超过0.01mm；d.加工中出现异常情况，如拉刀振动增大等。

　　2)拉刀的刃磨

　　拉刀材质M42，通过比较试磨，CBN(立方氮化硼)砂轮磨拉刀时要仔细观察槽口，注意以下几点：

　　a.拉刀磨不要往复磨削过快，否则会将拉刀刀齿烧糊，造成退火，使拉削时崩齿。b.对于精拉刀和粗拉刀刀齿槽底圆弧!不同，要有不同的专用的砂轮，保证圆弧和直线光滑连接。粗拉刀要用粒度为100的CBN砂轮，圆角为R2.5；精拉刀要用粒度为148～180的CBN砂轮，圆角为R1。c.在磨校正齿时，要根据已拉削槽数，检测尺寸结果，万方数据进行少量磨削。d.精拉刀校正齿后刀面必须用大理石油石修理，加工过程中每拉一个槽，必须对所有拉刀校正齿前刀面进行刮研，去掉积屑瘤(GH698比较粘)。e.刃磨过后，每把刀必须消磁。

　　6结论

　　上述方法设计的拉刀进行了拉削实践，拉削出的产品符合涡轮盘榫槽的设计要求，使用方法简单、修磨方便，是拉削涡轮盘榫槽非常好的拉刀结构。【MechNet】