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哈尔滨理工大学学士学位论文枞树型轮槽铣刀设计开发摘 要本文针对650MW超超临界汽轮机低压转子超大型枞树形轮槽加工工艺进行系统研究。通过生产现场工艺分析、实验室切削试验和仿真研究，确定刀具的选刀和走刀方案；并通过分析轮槽部位的残余应力分布，确定刀具、力、温度和加工参数对残余应力的影响，并完成轮槽要求部位的残余应力建模仿真预测研究。该课题的研究工作对正确分析汽轮机转子复杂槽形残余应力的形成以及后续滚压设计研究具有重要的理论和实际意义。据此本文开展以下的研究工作（1）汽轮机转子26NiCrMoV145材料切削加工性能研究对26NiCrMoV145转子钢的材料组织相成分与性质、力学性能、料加工表面质量进行研究，并通过分析加工过程中产生的力、温等效原则，研究枞树型铣刀的受力和受热情况。（2）整体式粉末冶金高速钢刀具的切削加工性能研究通过采集整体粉末冶金高速钢成形刀具现场加工过程中的振动应力分布,以及刀具的磨损情况,分析刀具的切削性能和对不同定。（3）镶片式硬质合金刀具的切削加工性能研究通过采集镶片式硬质合金刀具现场加工过程中的各种信号和技末冶金高速钢刀具切削性能进行比较，给出两种刀具加工性能关键词650MW汽轮机，低压转子，轮槽, 铣刀AbstractStudy on Surface Quality and Processing Technique for Machining the V-Groove ofLow-Pressure Rotor in the 1000MW Steam Turbine.The 650MW steam turbine with Low-Pressure rotor,which is domestically produced,is an important project of Shanghai Turbine Company Limited.In this paper,the processing technique was deeply investigated in details for machining the ultra-large palm-type groove of low-pressure rotor in 1000MW supercritical steam turbine.Through the studies on the processing of production line,cutting experiments and simulation,the tool drafts were determined and the residual stresses on the surface ofgrooves were also analyzed.Furthermore,the influences of tool,cutting force,cutting heat and cutting parameters on the residual stress were discussed,and the modeling and simulation on the residual stress on the surface of surface of grooves was studied.Therefore,this work has an important significance intheory and application for investigating the formation of residual stress on the complex surface ofsteam turbine rotor and the design of the succeeding rolling process.However,these researches in thispaper are developed as following.(1)Study on the machinability of 26NiCrMoV145 rotor steel of steam turbine The machinability and surface quality of 26NiCrMoV145 rotor steel was developed based on its microstructure,composition and mechanical properties.And the cutting heat and cutting force ofpalm-type groove was investigated according to the equivalent concept.（2）Study on the intergrated power metallurgical high-speed steel toolThe vabrivating signals of the intergrated power metallurgical high-speed steel tool during cuttingwere collectted,and the residual stress on the finished surface and cutting-tool wear were also analyzed.The performance of intergrated power metallurgical high-speed steel tool was investigated and thedifferent cutting schemes were evaluated.(3)Study on the imbedded cemented carbide toolThe vabrivating signals of the imbedded cemented carbide tool during cutting were collected.Theresidual stress on the finished surface and cutting-tool wear were also analyzed.Therefore,theperformance of intergrated power metallurgical high-speed steel tool was investigated and the differentcutting schemes were evaluated.The comparison between the the intergrated power metallurgicalhigh-speed steel tool and the imbedded cemented carbide tool were given.(4)Simulaiton on the residual stress of grooveThe simulation and prediction of the residual stress on the key regions of groove were completed requiring and designing actually. It has characteristic of low costs, simple hardware circuit, convenient to debug, strong anti-interference ability, low fault rate, maintain simple maintain characteristic. And this system still belongs to the first in the yoghurt machine market, is favorable to the automatic development of the yoghurt machine, there are very wide development prospects. through the modeling and verification.Keywords residual stress,650MW steam turbine,low-pressure rotor,groove,chip,wear- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论31.1 课题来源及设计目的和意义31.1.1 课题来源31.1.2 设计的目的和意义31.2 课题背景31.2.1 目前设计及发展现状31.2.2 应用前景31.3 存在的问题及设计方案31.3.1 存在的问题31.3.2 设计方案31.4 本课题主要设计内容及要求3第2章 轮槽铣刀的设计32.1 轮槽铣刀结构的确定32.2 刀具材质的选择32.3 切削余量的分配32.3.1 粗铣刀的设计32.3.2 加深铣刀的设计32.3.3半精铣刀的设计32.3.4 精铣刀的设计32.3.5 端铣刀的设计32.4 本章小结3第3章 轮槽铣刀和轮槽的加工33.1.1 轮槽铣刀的制造33.1.2轮槽铣刀在生产实践中的应用33.2枞树型轮槽加工33.2.1机床选择33. 2.2分度选择33. 3.3刀具选择33.4工艺过程33.4.1转子找正33.4.2低压转子末级圆弧槽加工33.4.3本章小结34.1.2固有频率与振型的求解34.2模态分析的方法及流程34.3模态分析结果34.4本章小结3结论3致谢3参考文献3附录CHSK-A50工艺卡3千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行V- -第一章 绪论课题来源及研究目的和意义课题来源本课题受哈尔滨汽轮机厂有限责任公司之托设计开发枞树型轮槽铣刀。研究的目的和意义刀具是机械制造工业部门最重要的技术工具，刀具性能和质量的优劣将直接影响切削加工效率、加工精度和质量。刀具技术的不断革新是推动机械制造技术进步的重要动力1。随着我国机械、汽车制造等工业技术的发展，生产过程逐渐趋向数控化、自动化，加工对象也日趋复杂，对新型高精度、高性能刀具的需求量不断上升。据资料报道，我国已成为世界第三大刀具市场。但由于技术和装备落后等原因，致使我国刀具在品种、质量及材料等多方面与国外相比均存在较大差距，导致我国大量需求的许多高精度、高性能刀具仍主要依靠进口24。轮槽铣刀是汽轮机转子轮槽加工的专用铣刀。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,其上镶嵌叶片的轮槽的加工又是转子加工中最为关键、最为困难的地方，所以轮槽铣刀性能的好坏和质量的优劣将直接影响转子的加工效率，加工精度和质量5。随着国内电力行业的蓬勃发展，大型电站的相继建立，汽轮机容量也在不断增大，对汽轮机行业的设计和加工能力提出了更高的要求，同时也对相关工具行业提出了更高的要求6,7。虽然现在国内许多工具厂已能够制造用于转子轮槽加工的铣刀，但与国外同型号的轮槽铣刀相比在性能上有很大的差距，以哈尔滨汽轮机厂为例，其生产中所使用的轮槽铣刀强度不高、磨损快、寿命短，且在加工过程中易出现不正常磨损甚至崩刃等现象，严重的影响了加工精度与加工效率。对刀具强度和切削性能的研究由来已久，但从前大多处于试验研究阶段，工作量大，费用贵，得到的数据又往往具有很大的局限性。现代的刀具设计、制造技术已逐步发展成集数学理论，计算机应用技术、现代设计方法、新材料技术等为一体的高技术密集型产业。计算机技术的发展和大型有限元分析软件的出现，已成为推动刀具CAD/CAE技术进步的关键810。因此，在发展国内刀具制造技术的过程中不仅要消化吸收引进的新技术，利用好现有的技术设备，更应当广泛推广应用CAD/CAE技术，实现刀具设计、制造的数字化。本文选取了“轮槽精铣刀强度有限元分析”作为研究课题，即是以计算机技术作为课题研究的主要手段，通过建立精铣刀的几何实体模型、有限元模型，完成对刀具的模态以及机械应力和热应力分布的求解，找出其上强度最弱、最容易发生破坏的区域，同时分析了单位切削力以及刀具夹持长度的变化对应力场分布及刀具变形量的影响，从而用最方便、快捷的方式为轮槽精铣刀结构的优化设计、切削用量的合理分配与选择、制造工艺的制定提供理论依据。课题背景目前研究及发展现状“超超临界燃煤发电技术”为我国“十五”重点科技攻关计划项目，华能玉环电厂41000MW项目作为863攻关项目依托工程的我国第一个超超临界电厂，上海汽轮机有限公司已承接了该超超临界汽轮机的合同，采用了从德国西门子公司引进的单轴、“HMN”积木块系列的四缸四排汽超超临界机型。该机型集中了当今所有可应用的先进技术。机组的参数、容量及技术性能均达到世界先进水平1。1000MW低压转子的加工是该汽轮机组国产化最后、也是最关键的项目，其低压转子材料选用26NiCrMoV145，末级叶轮采用Form20枞树形轮槽，其槽形远远大于目前国内已加工的最大槽形。西门子公司加工工艺是由Walter刀具公司为其专门开发的工艺方案，其除最后精刀使用整体成型刀外，其余各刀包括半精刀都使用镶片式硬质合金刀具。本次课题主要针对该1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺进行全面系统的研究。八十年代以来，随着对电站汽轮机要求的提高，各国汽轮机制造厂都在致力于提高汽轮机设计和制造的技术水平，选择最合适的材料，按严格的质量要求进行加工、安装及投运。近年来，汽轮机及其部件都明显地向更大型化发展，因此对转子的加工要求显著的提高了，尤其是转子轮槽的加工。采用数控技术，并在机床上应用静压技术以及带淬硬导板的滚动元件、滚柱丝杠、冷却心轴轴承等某些专门装置是实现转子枞树形叶根轮槽加工的重要前提。同时，改进刀具也起着重要的作用。上海汽轮机有限公司自1981年从美国西屋公司引进制造技术后，引进了INGERSOLL机床厂制造的专用叶根轮槽数控铣床（后来自制了四台权正钟轮槽数控双头铣）用于加工转子上直的、斜的和圆弧的枞树形叶根槽。加工汽轮机转子轮槽一般使用专用轮槽成型铣刀，一般的枞树型叶根槽分粗铣、半精铣和精铣三刀完成。轮槽粗铣刀及半精铣刀担当着为轮槽去余量的主要任务。它们的切削加工是在半封闭状态下进行的。因此要提高切削效率必须要使之在切削加工中减少切削力和切削热，同时还要能顺畅的排屑，超临界轮槽铣刀切削刃长，切削抗力大，所以粗铣刀及半精铣刀后刀面开波刃，使切削抗力减小，排屑流畅2。对于刀具选材来说，由于一般低压转子材料为合金钢30Gr2Ni4MoV,可加工性能差,而且轮槽的等分，相对节距和精度要求较高,普通高速钢由于在强度、硬度等很多方面性能指数低，因此不能采用，上海汽轮机有限公司通常采用特殊用途的高碳含钴高速钢,如M42。并且在超临界轮槽铣刀上采用了世界上先进的涂层技术,在刀具表面涂有TiCN复合涂层，它是采用物理气相沉积技术，能成倍提高刀具寿命其加工艺。然而，对于超超临界汽轮机组，国内尚无加工记录。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、最为困难的地方。目前国内生产过的300MW、600MW机组,轮槽结构都采用的是普通枞树型,如图1所示,而核电机组轮槽结构采用的是P型,也是枞树型结构的一种,如图2所示,并且末级轮槽尺寸大,纵向深度达116.5mm,若从国外购买成品刀具,价格昂贵,因此对大规格的轮槽铣刀进行设计研究不仅可以节约大量资金,而且对我国自行加工大型转子轮槽有一定的启迪。应用前景1.在轮槽铣刀的设计过程中,精刀、半精刀、粗刀的余量分配是合理的。2.在粗铣刀的设计中采用的等导程螺旋齿结构,在使用中切削平稳、轻快,工具厂制造方便,符合设计、制造、使用三方面的需要。3.精刀、半精铣刀的齿型分布合理,各种角度选用适当,使用中没有啃刀、打刀现象发生。4.在使用中通过合理的切削用量选择,保证了加工质量,降低了加工表面粗糙度,延长了刀具的使用寿命。大型枞树型轮槽的加工方法是一种创新,加工精度达到了国际水平,在国内核电汽轮机生产中处于领先地位。为今后任何大型枞树型轮槽的加工积累了成功的经验。存在的问题及研究方案存在的问题本课题解决的问题主要针对温度控制，存在的问题主要有：1.在轮槽铣刀的设计过程中,精刀、半精刀、粗刀的余量分配。2.在粗铣刀的设计中采用的等导程螺旋齿结构,在使用中切削平稳、轻快,工具厂制造方便,符合设计、制造、使用三方面的需要。3.精刀、半精铣刀的齿型分布,各种角度选用,使用中有啃刀、打刀现象发生。从材料角度看，现代工业的发展对产品有了很高的期望，材料的服役条件也更为苛刻，这不仅需要开发性能更优异的材料，而且要采用各种强化手段，充分发挥材料自身性能的潜力。汽轮机的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、高强度、高塑性、高韧性及低脆性转变温度的Ni-Mo-V钢或Cr-Mo-V钢。对于要求运行期间负荷变化及频繁起停的火电站大型汽轮机，国内外厂家大都采用NiCrMoV钢材料。该种材料一般采用整体锻造方式制造，该种方法的缺点是会在材料钢中产生晶粗、回火脆性等缺点，因此需要经过材料热处理的方法来改善材料内部金相组织（组织均匀化、消除应力、细化晶粒和去氢处理），提高材料的综合机械性能。上海汽轮厂适应市场需求，采用德国西门子牌号材料（26NiCrMoV145钢材料）作为转子材料，该种材料合金元素含量在5%左右、碳含量在0.28%左右，材料具有较高的强度和韧性，尤其是屈服点高于相同含碳量的中碳钢，属于低合金高强度结构钢。合金元素中Ni含量较大，Ni能提高钢组织中奥氏体的稳定性，使钢组织的塑性大。同时，该种材料的导热性能很低，加工时切削区域的温度高，加之线膨胀系数较大，容易产生热变形和加工硬化。从刀具角度看，加工过程中由于材料的难加工性（加工过程中的力、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的复杂性，刀具不同位置的切削用量、产生力和热不同，导致刀具磨损的不均匀性，不仅影响加工轮槽的尺寸精度，还影响刀具加工轮槽的表面质量。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。从转子钢材料加工的实际环境看，转子钢主要作为汽轮机转子轴，其工作是在高温、高压和高速的工况下运行的，服役条件很苛刻，这就对零件的使用寿命和安全可靠性提出了很高的要求，尤其是残余应力的问题；同时，1000MW超超临界汽轮机低压转子轮槽尺寸较大，加工过程中力、温度和振动均较大，容易在零件表面层和深度方向产生残余应力，并且引起材料组织的体积相变，材料性能的这些变化综合作用，使加工后材料中会产生残余应力。对于残余应力来说，它是材料及其制品在机加工或合金化过程中产生的平衡于材料或制品内部的应力，是衡量零件的加工精度和尺寸稳定性的一个重要指标。总之，残余应力的存在会直接影响零件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性、使用寿命和可靠性。研究方案刀具结构一般有整体结构、焊接结构、机夹和可转位结构等。由于超超临界轮槽刀具切削刃长、型线复杂,并且刀齿端部直径很小,不宜采用可转位结构。机夹结构虽然更换刀片容易,并且可以保护刀体,但刀片制造困难,刀体本身的刚性不如整体结构好,特别是小尺寸的刀具,在保证刀体本身强度的条件下,排屑空间受到限制。为了保证刀具的可靠性,轮槽铣刀一般不采用焊接结构。通过以上分析,采用整体结构更符合实际要求,其结构如图2、图3所示。在加工转子轮槽时,由于转子材料为合金钢30Cr2Ni4MoV,可加工性较差,而且对轮槽的等分、相对节距和精度要求较高,因此对刀具材料要求较为严格。首先要求刀具材料要有较高的红硬性,以保证刀具具有足够的耐用度和寿命;其次,要求材料有较好的工艺性能,以利于刀具的制造;另外还要求材料有较高的韧性,以避免在加工过程中,特别是精加工时出现刀具不正常破损和打刀现象。普通高速钢由于在强度、硬度等方面的机械性能较低,因此不宜采用。硬质合金刀片虽然在耐磨性和切削效率等很多方面优于高速钢,但也有很多不利因素:(1)硬质合金韧性较差,不能承受较大的冲击力,尤其在轮槽加工中,打刀、崩刃会给转子带来很大的加工隐患。(2)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。通过综合比较,决定采用高性能高速钢高钴高速钢M42(W2Mo9Cr4VCo8),其韧性、耐磨性远远优于普通高速钢,更能适应高强度钢的加工。同时,对超超临界轮槽铣刀采用了先进的涂层技术(TiAlN),提高刀具的切削效率和使用寿命。转子轮槽通常采用轮槽粗铣刀、半精铣刀、精铣刀进行加工。超超临界末级叶片型线深度为10906mm,最大外圆尺寸为54mm,为了保证加工的顺利进行,对切削余量进行合理的分配,综合考虑各方面因素采用6把刀,即2把粗铣刀、1把加深铣刀、2把半精铣刀、1把精铣刀。切削余量分配情况见图4和表1。本课题主要设计内容及要求(1)粗铣刀的设计粗铣刀采用的是玫瑰牙形的四齿螺旋结构,采用螺旋齿的目的是为了使切削平稳,让铣刀在工作时能够逐点切入,保持连贯性,螺旋角选择为25。如果粗铣刀采用直齿或斜齿结构,在刀具制造上较为容易,但铣削时震动较大,安全稳定性不如螺旋结构。由于超超临界末级尺寸大,粗铣刀的直径也较大,在刀齿强度足够的情况下,采用四齿代替三齿,这样可使切削更加平稳。由于轮槽铣刀切削刃长,切削抗力大,所以粗铣刀及半精铣刀后刀面开波刃,使切削抗力减小,排屑流畅。(2)加深铣刀的设计粗铣后进行加深铣,底面保留03mm的余量,其目的是减少半精铣刀的切削面积,加深铣刀采用分体式螺旋结构,要求刀套与刀头之间配合紧密,夹紧可靠。(3)半精刀的设计半精铣刀的切削面积虽然没有粗铣刀大,但却是整个切削过程中刀齿承受切削负荷最大,强度要求最高的刀具,在保证有足够容屑空间的条件下,要尽量增大刀齿的厚度,以增大半精铣刀的强度。轮槽进行半精铣时,给精铣刀留有05mm的余量,若半精铣刀在齿距或型线尺寸方面误差过大,精铣时很难将此误差找回,即很难保证型线尺寸精度。因此,在设计半精铣刀时,要求半精铣刀与精铣刀具有同样的尺寸精度,以保证精铣后的产品质量。半精铣刀采用四齿直槽结构,为了保证型线铣刀在重新刃磨后形状不发生变化,使精铣刀的切削余量能够均匀变化,因此半精铣刀的前角定为0。采用二把半精铣刀的目的同样是为了分担切削负荷,保证半精铣刀在加工中绝对安全,半精铣刀的切削面积是半精铣刀的二分之一.(4)精铣刀的设计精铣刀是轮槽精度的最终保证,它的设计原则同半精铣刀相同,同样是四齿直槽结构,0前角,刀齿经钝化处理后,在进行表面涂层处理。因为精铣刀价格较贵,在保证加工质量的前提下,应尽量延长精铣刀的使用寿命,减少切削余量。 第二章 轮槽铣刀的设计1. 1轮槽铣刀结构的确定轮槽铣刀是加工汽轮机转子轮槽的专用铣刀,由于超临界轮槽铣刀切削刃长,并且刀齿端部直径很小,不宜采用可转位结构。机夹结构虽然更换刀片容易,并且可以保护刀体,但刀片制造困难,刀体本身的刚性不如整体结构,特别是小尺寸的刀具,在保证刀体本身的强度的条件下,排屑空间受到影响。因此,采用整体结构。轮槽加工通常采用轮槽粗铣刀、半精铣刀、精铣刀。轮槽粗铣刀及半精铣刀担当着为轮槽去余量的主要任务。它们的切削加工是在半封闭状态下进行的。因此要提高切削效率必须要使之在切削加工中减少切削力和切削热,同时还要能顺畅的排屑;超临界轮槽铣刀切削刃长,切削抗力大,所以粗铣刀及半精铣刀后刀面开波刃,使切削抗力减小,排屑流畅。1. 2刀具材质的选择在加工转子轮槽时,由于转子材料为合金钢30Gr2Ni4MoV,可加工性能差,而且轮槽的等分,相对节距和精度要求较高,普通高速钢由于在强度、硬度等很多方面性能指数低,因此不能采用,而我们通常采用高钴高速钢,如M42等。并且在超临界轮槽铣刀上采用了世界上先进的涂层技术,在刀具表面涂有TiCN复合涂层,它是采用物理气相沉积技术,能成倍提高刀具寿命。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。但是缺点也很突出:(1)硬质合金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;(2)整体硬普通高速钢由于在强度、硬度等很多方面性能指数低,因此不能采用,而粉末冶金高速钢如CPM-M42等,虽然韧性、硬度、与可磨削性优于其他高速钢,但需去国外购买,且价格高于M42一倍,因此不能采用,通过综合比较,可采用M421. 3切削余量的分配超临界末级、次末级叶片型线深为71. 2mm,最大外圆尺寸为52mm,为了保证加工的顺利进行,对切削余量进行合理的分配,综合考虑各方面因素采用6把刀,即1把粗铣刀,2把半精铣刀, 1把精铣刀, 1把端铣刀及1把加深铣刀。1. 3. 1粗铣刀的设计粗铣刀采用的是玫瑰牙形的四齿螺旋结构,采用螺旋齿的目的是为了使切削平稳,让铣刀在工作时能够逐点切入,保持连贯性,等螺旋角结构切削平稳,效果最好。由于超临界末级、次末级尺寸大,因此粗铣刀的直径也较大,在刀齿强度足够的情况下,采用四齿代替三齿,这样可使切削更加平稳。1. 3. 2加深铣刀的设计粗铣后进行加深铣,铣后底面保留0. 3mm的余量,其目的是减少半精铣刀的切削面积,加深铣刀采用分体式结构,要求刀套与刀头之间配合紧密,装配后同轴度小于0. 03mm,在保证刀套强度的条件下,尽量增大铣刀直径。1. 3. 3半精铣刀的设计半精铣刀是整个切削过程中刀齿承受切削负荷最大,强度要求最高的,在保证有足够容屑空间的条件下,要尽量增大刀齿的厚度,以增加半精铣刀的强度,并且在尺寸精度上保证半精铣刀与精铣刀达到同样的精度,保证精加工的顺利进行。半精铣刀采用四齿结构,容屑槽为轴向直槽,允差0. 001mm,为了保证型线铣刀在重新刃磨后形状不发生变化,使精铣刀的切削余量能够均匀变化,因此半精铣刀的前角定为0, 0前角的采用同时也增加了各刀齿的强度,加大了加工中的安全系数。采用二把半精铣刀的目的同样是为了分担切削负荷,保证半精铣刀在加工中绝对安全,半精铣刀的切削面积是半精铣刀的二分之一。1. 3. 4精铣刀的设计精铣刀是轮槽精度的最终保证,它的设计原则同半精铣刀相同,同样是四齿结构, 0前角,刀齿进行钝化处理。所有铣刀的锥尾均采用布朗夏普9号标准。综上所述轮槽铣刀的余量分配情况如图1所示。端铣刀的设计由于低压末级轮槽尺寸过大,为了减少精铣刀的切削抗力,端铣刀在精铣完成后单独进行端面铣削,而不是装在精铣刀上共同进行,同时,所有铣刀的锥尾均采用ISO40标准,以传递较大的扭矩。以上所述轮槽铣刀的余量分配情况如图3和表1所示。本章小结1.在轮槽铣刀的设计过程中,精刀、半精刀、粗刀的余量分配是合理的。2.在粗铣刀的设计中采用的等螺旋结构,在使用中切削平稳、轻快。3.在粗铣刀、半精铣刀后刀面采用波刃型,减小切削抗力及切削热,并使排屑流畅。4.在使用中通过合理的切削用量选择,保证了加工质量,降低了加工表面粗糙度,延长了刀具的使用寿命。轮槽铣刀在使用中虽达到了预期的效果,但也还有许多方面需要今后去共同探讨、提高:1.在半精铣刀设计中,适当增加35前角,使切削阻力降低,切削轻快。2.在刀具材料的选用上,选用整体硬质合金,钢结硬质合金,粉末冶金高速钢等,以提高加工效率。轮槽铣刀和轮槽的加工目前国内生产的650MW核电机组与600MW及其以下汽轮机低压转子相比,其显著特点是叶轮轮槽全部采用大型枞树型轮槽,而且末级轮槽尺寸大、精度高。国外加工此类轮槽采用专用的数控轮槽铣床,由于现有的轮槽铣床只能加工半径R254以下的圆弧槽,而650MW汽轮机低压转子末级叶轮槽圆弧半径为R353.57,经过工艺部门研究,用数控铣床来解决这一问题,并为国内加工大型枞树型轮槽提供了理论依据。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、最为困难的地方。3.1.1 轮槽铣刀的制造由于轮槽铣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,特别是进行精铣刀、半精铣刀的齿型加工时需要用金刚石滚轮来修整砂轮或者专门的电脑修整成型面砂轮制造时有一定的困难,需要在专门的工具厂家进行加工。首先简单叙述一下实验方案确定的原则和步骤，试验总的原则是等效切削速度，等效切削厚度和等效每齿进给量的原则，即分别取枞树形铣刀轮廓型线上12个不同位置的点A-M（如图4所示）作为研究对象，采用等效速度、等效切削厚度、等效每齿进给量的原则，计算出使用12整体式圆柱立铣刀进行切削加工的加工参数，如表3所示。所谓等效切削厚度是指将成形铣刀上各点离散化，根据下面公式：其中：v为刀具点线速度、成d为成形铣刀各点直径、成n为成形铣刀转速、成d为标准刀具直径、成n为标准刀具转速。根据成形铣刀各点直径和转速，计算出线速度，再由线速度和标准刀具直径计算出标准刀具转速。所谓等效切削厚度和等效每齿进给量只是成形铣刀和标准刀具切削时厚度和方式的相似性，根据下面公式：其中ca为切削厚度、zf为每齿进给量、fv为进给量、z为齿数、n为转速、接触角度。计算步骤为：由于成形铣刀和标准铣刀是不同的，枞树形铣刀是整体式的刀具，它对材料的去除余量是由刀具本身的尺寸来保证的，而不是通过机床参数来控制的，因此成形铣刀加工过程中的侧吃刀量ea通过刀具图纸来确定，然后根据图14(b)（sin、ea和刀具半径的关系）可确定出成sin，代入公式（2），求出等效切削厚度ca，再转化到标准刀具（ea定为0.5mm）按上面的方法，逆向导出zf（这就是等效的每齿进给量），在根据公式（3）求出进给速度，所得计算结果列入表3。 表3标准刀具进行切削的加工原始参数从表1的观察可知，从A点至M点的等效加工参数，有的变化不明显、有的变化较大，根据正交试验的原则，最后制定出优化加工参数，如表4所示（C组中的C1和C2以及O组、P组参数的主要目的是，研究进一步提高侧向切深、切削速度和进给量的可能性）表4标准刀具进行切削的优化加工参数3.1.2轮槽铣刀在生产实践中的应用核电低压末级轮槽铣刀设计完成后,在生产中得到了检验,它的切削用量列于表2。在使用中,为了延长刀具的使用寿命,节约刀具,在加工到一定的长度后,定时对刀具进行刃磨,避免刀具过分磨损,导致刀具报废。各铣刀具体加工长度如下:粗铣刀:总切削长度为6m,第一次刃磨可加工1m1.2m,可刃磨56次。半精铣刀:总切削长度为6m,第一次刃磨可加工1m1.2m,可刃磨56次。精铣刀:总切削长度为7m8m,第一次刃磨2.5m,可刃磨34次。车间按以上要求指导生产,效果极佳,有些粗刀刃磨次数达10次左右,大大降低了刀具费用。5结论1.在轮槽铣刀的设计过程中,精刀、半精刀、粗刀的余量分配是合理的。2.在粗铣刀的设计中采用的等导程螺旋齿结构,在使用中切削平稳、轻快,工具厂制造方便,符合设计、制造、使用三方面的需要。3.精刀、半精铣刀的齿型分布合理,各种角度选用适当,使用中没有啃刀、打刀现象发生。4.在使用中通过合理的切削用量选择,保证了加工质量,降低了加工表面粗糙度,延长了刀具的使用寿命.3.2枞树型轮槽加工目前国内生产的650MW核电机组与600MW及其以下汽轮机低压转子相比,其显著特点是叶轮轮槽全部采用大型枞树型轮槽,而且末级轮槽尺寸大、精度高。国外加工此类轮槽采用专用的数控轮槽铣床,由于现有的轮槽铣床只能加工半径R254以下的圆弧槽,而650MW汽轮机低压转子末级叶轮槽圆弧半径为R353.57,经过工艺部门研究,用数床来解决这一问题,并为国内加工大型枞树型轮槽提供了理论依据。3.2.1机床选择由于普通铣床无法加工大型枞树型轮槽,而大型的数控铣床加工大型枞树型轮槽也存在精度问题,经分析、试验,最后采用2WFT180-NC数控铣床加工此类轮槽,经三坐标测量仪测定试件圆弧半径误差在0.01mm0.04mm之内,该数控铣床的加工精度符合低压转子轮槽的加工要求。3. 2.2分度选择分度装置使用分度头,经36面棱镜测试,该分度头装置的分度精度为15,基本上满足了转子加工精度。而重要的问题是如何确保转子轮槽的分度准确性。为提高分度头的分度精度,为此轮槽铣床添加了监测装置,在转子的一端安装了圆光栅,在加工过程中复查转子实际分度与计算机指示的误差。在转子加工分度方案中,最后在做叶轮分度切削时在叶轮外圆上铣的56个10mm宽的小槽,经检查测量这些小槽的节距误差在0.15mm之内,把它称作“监测槽”,影响轮槽分度精度因素:转子分度不到位。机床主轴的Y向出现“0”位漂移。而有了“监测槽”,可以找到轮槽的正确位置。由于转子分度值的变化在误差内是随机的,没有必要按“监测槽”找到0位,这在实际上也做不到,我们规定了主轴中心在“监测槽”的0.05mm之内即允许加工。设计要求轮槽节距公差0.13mm,这样既保证了轮槽加工定位精度,又方便了工人实际加工操作。3. 3.3刀具选择由于大型枞树型轮槽是圆弧槽,其受力面角度大、强度高、横截面几何尺寸大,有4个承力面,轮槽深度为116.21mm,其中16级轮槽只有3个承力面,轮槽深度为30mm50mm,用34种轮槽铣刀, 而加工末级轮槽使用轮槽铣刀比16级轮槽多3倍以上,轮槽加工需7刀才能加工完成,如图1所示。工艺过程转子找正(1)放置两个静压托架间距与低压转子两轴颈跨距相同。(2)钳工配合装入轴瓦,修刮轴瓦。(3)用起吊工具平吊转子,拆下轴颈保护套检查轴颈有无划伤、拉毛。(4)转子吊入托架后,测量转子最高点调整托架,使转子与机床X轴不平等度小于0.02mm/1 000mm(上下与左右要求相同)。(5)分度盘找正转子联轴器外圆跳动小于0.05mm夹紧转子(分度盘主轴为挠性)。3.2低压转子末级圆弧槽加工图2工步图(1)定叶轮坐标0点。(2)在叶轮外圆上铣56个宽10mm、深5mm、长15mm的监测槽。(3)检查“监测槽”分度准确性,相邻两槽节距差不大于0.15mm。(4)每次分度,在叶轮上铣10mm宽槽,台阶不大于0.05mm,允许加工轮槽。(5)装立铣刀,按图2输入数控程序,试铣圆弧槽,切削深度3mm,然后用圆弧样板(见图3)校验圆弧尺寸位置的正确性,数控程序按工步图编制。(6)装精铣刀,对刀。(7)装1号粗铣刀粗铣圆弧槽。(8)装2号粗铣刀粗铣圆弧槽。(9)装立铣刀加工深圆弧槽:因要加工的深度较大,分二次进刀铣削。(10)装1号半精铣刀铣圆弧齿槽。(11)装2号半精铣刀铣圆弧齿槽。(12)装精铣刀铣准圆弧齿槽。(13)装端面铣刀铣准端面。(14)加深轮槽。(15)用轮槽样柱(见图4)检验圆弧槽。(16)用轮槽测量工具测量端面至受力面尺寸公差。(17)分度。(18)重复717(直至所有轮槽加工完)。(19)清理,去毛刺。大型枞树型轮槽的加工方法是一种创新,加工精度达到了国际水平,在国内核电汽轮机生产中处于领先地位。为今后任何大型枞树型轮槽的加工积累了成功的经验。本章小结本章第一节讲述了酸奶机的机械结构设计。在考虑了功能、质量设计要求之后，对原有恒温舱结构做了一些变动，并用Pro/ENGINEER系统软件设计了恒温舱的三维立体结构图。本章第二节是模具设计。使用Pro/ENGINEER系统软件，分步解决了成型零件、浇注系统、导向机构、分型与抽芯机构、冷却系统、支承与坚固零件等问题，并且设计生成模具工程图。结论本课题源于北京川秀科技有限公司。研究的目的是解决用户制作酸奶时需要调制合适温度的原料的麻烦。经过选择比较使用了单片机控制可控硅导通角实现酸奶机变功率的方案。本课题从可控硅工作原理出发结合酸奶制作机理，设计出满足变功率功能要求的单片机控制硬件电路系统，并根据硬件结构设计出工作程序，最后制作出电路板，具体实验焊接元件，进行了程序调试运行。 多次的实验所得到结果已经基本满足了研究要求。控制面板上有LED显示，按定时键，LED一般制作酸奶需要的时间5小时开始，供用户调节制作时间，待用户确定设置的时间后，按下确定键，此时除了断电外，不任何操作不能终止酸奶机工作；另外还有三个提示灯，可以表示酸奶目前温度下需要的功率加热模式。另外还有蜂鸣器提醒用户设置时间到。 此外本课题还尝试了酸奶机壳体的机械结构与模具设计，希望对酸奶机的壳体结构有所改良，但是由于时间、资金等问题，并没有拿出比较完善的整体结构方案，也没有做出实际成品。希望能在方案设计上对后续研究者有所帮助。 调查市场可知，目前酸奶机多为恒功率型，不能进行温度控制的自动化，使用单片机控制可控硅导通角的方案设计实现了闭环温度控制，而且变功率是酸奶机小家电市场的首例。对于后续的研究开发有重要意义。1000MW超超临界汽轮机组是引进德国西门子技术，转子加工是最后也是最关键的国产化项目，尤其是槽形远远大于目前国内已加工的最大槽形，因此对开展1000MW汽轮机低压转子轮槽加工表面质量与工艺研究具有重要的实际意义。本文根据1000MW超超临界汽轮机低压转子超大型枞树形轮槽加工要求，通过调研、生产现场工艺分析、实验室切削加工试验和数值仿真研究，对1000MW汽轮机低压转子轮槽加工过程进行全面系统研究，取得以下研究成果。1.从26NiCrMoV145转子钢材料的组织相成分、力学性能、切削性能和加工表面质量的研究发现，材料加工过程中产生较大的力、热量和振动。如果仅以温度为参考点（考虑温度最高点为标准），实际生产线上现场刀具切削用量提高到262r/min左右的转速和34.73mm/min左右的进给量是可以接受的；仅从切削力为参考点（考虑切削力最高点C点和J点为标准），实际生产线上现场刀具切削用量提高到262r/min左右的转速，进给量保持在20.32mm/min，是可以接受的；从振动角度看，C点切削用量容易引起大的振动。对于精刀来说，精加工切削深度较小，因此刀具各点产生的切削力都比较小，即切削力对刀具磨损的影响比切削热的影响要小（现场观察刀具磨损也证明这一点），因此要首先要考虑热对刀具的影响，综合考虑我们认为现场刀具切削用量提高到262r/min左右的转速和20.32mm/min左右的进给量是可以接受的。加工产生热量对表面残余应力的影响最大，在不使用切削液的情况下，该种材料表面参数的残余应力多为较大拉应力，只有采用较低的切削速度、较低的进给量的情况下，才能在表面产生残余压应力。因此实际生产中应该采用切削液，以降低加工热量的影响，保证加工表面能获得残余压应力并获得较高的加工效率。2.从整体粉末冶金高速钢成形刀具磨损、切屑、加工振动和表面残应力情况看，加工中半精刀刀齿大端最高点受加工温度影响较大，刀齿有烧伤和粘结现象；从切屑和加工振动看，加工参数方案B最优；残余应力分析发现，半精加工已在加工表面形成残余压应力，这对后续精加工工序是有利的。精加工在加工表面形成残余压应力，但是在深度方向上，残余压应力在0.06mm处转变成拉应力，而在0.3mm处已经没有残余应力存在，说明刀具无法保证0.5mm处形成300MPa的压应力。从精加工和刀具参数特，精加工中刀具的作用不仅只应该是形成光亮的加工表面，而更应该从精加工刀具的参数设计考虑在加工表面形成更为有利的残余压应力，这是因为精加工时刀具的切削厚度较小，其加工过程中的切削温度和切削力相对较小，减小了表面残余拉应力形成的不利影响。由此，精加工刀具的设计可不必过多考虑刀具参数对切削热、切削力以及其对刀具失效的影响，而应该尽量考虑加工在被加工材料表面形成压应力，例如精加工刀具的前角应尽量减小，切削刃钝圆半径大，刀具的后角尽量小等。3.从镶嵌式硬质合金刀具磨损、切屑、加工振动和残余应力情况看，加工中硬质合金刀具产生较大的温度，刀具和切屑都有严重的烧伤现象，刀具切削刃还伴有崩刃现象。残余应力分析发现，硬质合金刀具半精加工产生较大的残余拉应力，原因是硬质合金刀具加工过程中产生较高的热和力，对精加工形成残余压应力不利；硬质合金刀具精加工形成残余压应力，但是残余压应力较小，原因是硬质合金刀具半精加工和精加工一致性差，增加精加工的难度，不容易使被加工材料表面形成更大的残余压应力，也增加了滚压工序的难度。4.从理论上讲，凡能减小塑性变形和降低切削温度的因素都能使加工表面的残余应力减小。从刀具设计参数角度上，采用绝对值较大的负前角和刀具后角变小有利于在已加工表面形成残余压应力。从切削条件方面讲，切削速度增加时，加工表面易形成残余拉应力，进给量增加时，残余应力层深度也随之增大，吃刀量对残余应力影响不大。从宏观来看，切削力对残余应力影响并不明显。从微观层面来看，切削过程中材料性能变化表现在材料本构关系上，12点较8点的压应力也比较小些。根据仿真预测结果可以看出，精加工后轮槽表面在深度方向0.1mm处残余压应力基本都转为零。综上所述，本文对1000MW超超临界汽轮机低压转子超大型枞树形轮槽加工工艺进行系统的研究，确定刀具的选刀和加工工艺方案，并通过分析根槽部位的残余应力分布情况，完成轮槽残余应力分布建模仿真预测研究。本文的研究对正确分析汽轮机转子复杂槽形残余应力的形成以及后续滚压设计研究具有重要的理论和实际意义。但是由于该项项目轮槽尺寸较大、形状复杂，加上时间有限，尚有一些工作需要进一