（机械工程专业论文）涡轮盘枞树形榫齿拉刀的研制与应用.pdf

哈尔滨工程人学硕士学位论文 摘要 本文从分析燃气涡轮喷气发动机涡轮盘与叶片的结构特点，工作环境等 方面入手，介绍了枞树形型面连接方法的特点，进而研究了涡轮盘枞树形榫齿 的加工刀具，榫齿拉刀的设计方法，制造工艺及其拉削特点，讨论了榫齿磨削 的加工工艺方法以及提高刀具拉削性能的途径。 在榫齿拉刀的设计方面，根据被加工榫槽型面的技术要求蜗轮盘材料的 化学成分和机械性能，确定了拉刀的材料，拉刀的结构形式，拉削方式的选 择及拉刀的分工，拉刀齿形公称尺寸和公差的确定等方面的问题。进而分析 了拉刀刀齿相对中心有偏移量时对零件榫槽的影响及刀齿偏移对齿距t 的影 响。 文中简要介绍了涡轮盘枞树形榫齿精拉刀的设计方法。 在榫齿拉刀的制造方面，本文简要介绍了拉刀制造工艺方法，着重研究 了拉刀成型磨削的方法，砂轮的修整方法以及刃磨齿形时，拉刀刀齿侧隙角和 抬高量等参数的计算等。 本文介绍的在数控平面磨床上磨削榫齿拉刀齿型，铲磨榫齿拉刀齿型后 角的加工方法为国内首创，我公司以前磨削榫齿拉刀齿型和铲磨榫齿拉刀齿 型后角是在高精度平面磨床上完成的，在数控平面磨床上磨削榫齿拉刀齿型， 铲磨榫齿拉刀齿型后角极大地提高了榫齿拉刀的加工精度和涡轮盘榫齿槽的 加工质量。 关键词：榫齿拉刀；齿形；铲磨；砂轮修整 哈尔滨工程火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i r - 仃e em o u l d i n gs u r f a c e a t t a c h m e n tm e t h o do nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ed e s i g nf e a t t i r ea n dw o r k e n v i r o n m e n to f t u r b i n ed i s ka n db l a d eo f g a s t u r b i n e e te n g i n e 。t h e nt h ed e s i g n m e t h o d 。m a n u f a c t u r ep r o c e s sa n db r o a c hc h a r a c t e r i s t i co ft h ec u t t i n gt o o lf o r f i r - t r e et e n o nt o o t ho f t u r b i n ed i s k t e n o nt o o t hb r o a c ha r es t u d i e d 。t h ep r o c e s s i n g t e c h n i cm e t h o do ft e n o nt o o t hg r i n d sa n dt h ea p p r o a c ho fi m p r o v i n gt o o l s b r o a c h i n gp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d 。 b a s e do nt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ft h et o n g u e a n d g r o o v em o u l d i n g s u r f a c ea n dt h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o n sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e t u r b i n ed i s ki nd e s i g n i n go ft e n o nt o o t hb r o a c h ，s o m ep r o b l e m ss u c ha st h e m a t e r i a l sa n dt h es t r u c t u r a ls t y l e so fb r o a c h ，t h ec h o i c e so fb r o a c h i n gm e t h o d s a n dd i s t r i b u t i n gw o r ko fb r o a c ha n dt h ec o n f i r m a t i o no ft h en o m i n a ld i m e n s i o n s a n dt h et o l e r a n c e so ft h eb r o a c ht o o t hf o r m sc a nb ed e f i n e d 。a n dt h e nt h e i n f l u e n c e st op a r tt o n g u e a n d - g r o o v ea n dd i s t a n c eb e t w e e nc u r i n gt e e t htw h e ni t e x i s t so f f s e t sf r o mt h et o o t ht ot h ec e n t e ra r ea n a l y z e d 。 t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o d so ft h ef i r - t r e et e n o nt o o t h a c c u r a t eb r o a c ho f t u r b i n ed i s k 。 i nt h em a n u f a c t u r eo ft h et e n o nt o o t hb r o a c h ，t h i st h e s i sh a sb r i e f l y i n t r o d u c e dt h em a n u f a c t u r ep r o c e s sm e t h o d sa n dr e s e a r c h e dt h em o l d i n gg r i n d i n g m e t h o d so fb r o a c h ，f i n i s h i n gm e t h o d so ft h eg r i n d i n gw h e e la n dt h ec o m p u t a t i o n o fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha sb a c k l a s ha n g l ea n dr a i s ea m o u n to fc u t t e rt o o t hw h e n s h a r p e n i n gt y p e 。 t h em a c h i n i n gm e t h o do fg r i n d i n gt e n o nt o o t hb r o a c ht y p ea n dr e l i e f g r i n d i n gt h er e l i e fa n g l eo ft e n o nt o o t hb r o a c ht y p eo nn u m e r i c a lc o n t r o ls u r f a c e 2 r i n d i n gm a c h i n ea st h i st h e s i sh a si n t r o d u c e di si n i t i a t ei no u rc o u n t r y 。g r i n d i n g t e n o nt o o t hb r o a c ht y p ea n dr e l i e fg r i n d i n gt h er e l i e fa n g l ea r ef i n i s h e do nh i g h p r e c i s i o ns u r f a c eg r i n d e ri no u rc o m p a n y 。i ti m p r o v e sg r e a t l yt h em a c h i n i n g p r e c i s i o no ft e n o nt o o t hb r o a c ha n dt h em a c h i n i n gq u a l i t yo ft e n o nt o o t hs p a c eo f t u r b i n ed i s ko nn u m e r i c a lc o n t r o ls u r f a c eg r i n d i n gm a c h i n e 。 k e yw o r d s ：t h et e n o nt o o t hb r o a c h ；t h et o o t hp r o f i l e ；t h es h o v e lr u b s t h eg r i n d i n gw h e e lr e p a i r sa n dm a i n t a i n s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源和研究背景 1 1 1 课题来源 本课题来源于航空发动机w j 5 a 、汽轮机、航空6 8 发动机涡轮盘榫齿槽 加工用拉刀的研制项目( 项目号：d a g j 0 4 0 3 ) 。旨在解决航空发动机涡轮盘 榫齿槽加工用拉刀在制造和使用过程中出现的各种技术问题。 1 1 2 课题研究背景 在过去的一个世纪里，无论是航空工业、铁路运输业、海上运输业还是 二 业汽轮机制造业的发展，均与其动力核心部件涡轮盘和叶片的制造技术水 平的不断提高是分不开的。在2 l 世纪以至未来，涡桨、涡喷、汽轮机等动力 社备必将得到更为广泛的应用，其技术水平也会提高到一个崭新的高度。 图1 1 榫齿应用示意图 哈尔滨j 二程人学硕士学位论文 样齿是涡轮螺旋桨发动机等设备的涡轮叶片与蜗轮盘相结合的部分，榫 齿在高温条件下工作，不仅承受很大的离心力、弯曲应力、剪切力等综合作用， 而且叶片叶身是否能保持规定的位置和方向也取决于榫齿的精度。 榫齿拉刀( f i r t r e eb r o a c h ) 的制造技术是生产用于能源和航空动力 涡轮盘的高精度榫槽型面的核心技术之一。 图1 2 拉刀实物 而国内刀具制造行业，生产榫齿加工刀具的企业凤毛麟角，只是几个航 空发动机和汽轮机的生产企业具备榫齿加工刀具的生产能力，对榫齿加工刀 具更是缺少系统深入的研究，国内榫齿加工刀具的制造水平与欧美各国的差 距正在逐渐拉大。 因此，选取榫齿加工刀具作为自己的研究对象，以期将榫齿加工刀具的 研究引向深入。 深入研究榫齿加工刀具，可以进一步提高榫齿加工刀具的质量，从而生产 出高质量的样齿，对推进我国航空发动机及汽轮机工业的发展具有十分重要 的意义。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 榫齿拉刀的研究与发展 1 2 1 国外榫齿拉刀研制状况 在世界各国，尤其是美国、法国等航空大国，榫齿拉刀的研制与生产一 直处于领先地位。 主要表现为： 1 ) 先进的工艺装备 美、法等国的榫齿拉刀生产企业在刀具生产的整个过程中均使用高精度 的数控机床进行榫齿拉刀的生产，如数控铣床、数控齿型磨床、数控刃具磨 床、以及精密的检验检测设备等。 2 ) 先进的配套技术 先进的冶金技术、高速钢热处理技术和刀具表面处理技术，是提高被加 工加工榫齿的尺寸精度和表面质量的有力保证，性能优越的刀具材料、先进 的热处理技术和良好的刀具表面处理，使榫齿拉刀的切削性能和刀具耐用度 得到成倍的提高。 3 ) 完善的质量保障体系 美、法等国的样齿拉刀生产企业均已通过了i s o9 0 0 1 标准认证。美国 k i n g s f o r d 工具公司为汽车、航空、国防、农业等行业设计生产枞树形成型 拉刀、锯齿状成型拉刀、渐开线成型拉刀等各类高精度拉刀，也设计生产立 式和卧式拉床及配套夹具，该公司拥有o k u m ah o w a8 5 2 v 型3 轴数控加工中 心、d a n o b a tr t l 一2 1 0 0 型数控花键磨床、d a n o b a tr t l 一1 2 0 0 型数控成型磨床、 d i a f o r m e 1 b 型数控成型磨床、d i a f o r m bs e r i e s 型数控砂轮修整器、 n o r m a cf o r m a s t e r 型数控砂轮修整器等数控设备。 k i n g s f o r d 工具公司与r i c h t e r 精密工业公司合作开发了专用拉刀涂层 专利技术。 _ ：1 ：发了专用拉刀测角仪( b r o a c hr a d i u sa n df a c ea n g l eg a u g es e t ) 。 美国拉刀及机床公司由被称为现代拉刀之父的j l a p o i n t e 先生始建于 1 9 1 9 年，公司拥有许多目前拉刀生产中工e 在使用的专利技术，生产各种高精 度拉刀，以及相关的拉床夹具、拉床、数控拉刀刃磨床。 3 哈尔滨上程大学硕士学位论文 该公司拥有数控拉刀刃磨床、万能数控拉刀刃磨床、数控面拉刀刃磨床 等设备。 公司生产型面拉刀( 用于加工零件外圆弧、涡轮叶片榫槽) 等各种类型 拉刀。 拥有先进的成型磨削技术，刀具在l a p o i n t eh u d s o n 拉刀磨床上进行生 产，该设备的性能和可靠性在国际上是得到公认的。 精密的齿型检测手段，作为质量控制的标准，h a p o i n t eh u d s o n 拉刀制 造公司为所生产的每件拉刀同时加工一件石墨试件，所有的齿型均与一标准 模板或放大图相比较，在刀具寿命最长的前提下无任何偏差或变形才判定为 合格。 同本n a c h i 公司在新的榫齿拉刀生产车间引入了智能工艺控制系统。 质量控制采用齿型控制系统，为保证拉刀齿型，出厂前先用用户提供的 钢或石墨材料在自己的拉床上进行试拉，试拉后的试件在投影仪进行检测。 作为拉刀质量的保证，n a c h i 安装了齿升自动测量系统( t h er i s e a u t o m e a s u r i n gs y s t e m ) 。 1 2 2 国内榫齿拉刀研制状况 榫齿连接方法主要用于航空发动机、汽轮机的叶片与涡轮盘的连接上， 因此具备制造榫齿拉刀生产能力的厂家主要集中在国内的几个大型航空发动 机生产厂家，如西安航空发动机制造公司、哈尔滨航空工业公司、成都发动 机( 集团) 有限公司、株洲南方工模具公司、沈阳黎明发动机制造公司。 西安航空发动机制造公司是国内生产枞树形榫槽、燕尾榫槽等各种特形 拉刀的著名生产厂家。该公司应用数控高精度平面磨床进行枞树形榫槽、燕 尾榫槽拉刀的磨削，生产工艺成熟，生产的枞树形榫槽、燕尾榫槽拉刀精度 高，能够较好地满足涡轮盘榫齿加工的需要。 成都发动机( 集团) 有限公司也生产枞树形榫槽拉刀，为本公司及兰炼厂 和上海汽轮机厂等厂家生产加工航空发动机、汽轮机用的榫槽拉刀，生产的 榫槽拉刀单件有的重达8 0 余公斤，高度达1 2 0 m m ，是拉刀加工中现有设备的 极限重量和高度，公差尺寸在0 0 0 3 m m 范围，他们采用“勤测量”、“勤冷却” 4 哈尔滨工程人学硕士学位论文 的方法，保证了产品质量。在加工超过1 m 长，精度要求高的大型拉刀时，通 过自制超l 米长的斜板，将拉刀放在上面进行锥体加工，提高了精度：新丌 发的方箱夹具，解决了多角度榫齿铣刀无法加工的难题。 该公司在加工涡轮盘用榫槽拉刀的生产过程中出现了拉刀齿型符合图纸 要求，拉刀拉不出合格盘的现象，公司面临着2 3 0 台发动机出不了厂，全年 军品任务完不成的严峻局面，通过按照涡轮盘的合格投影图来修配拉刀，几 十次修理、试拉，终于确保了每个盘合格装配。为了提高产品质量和劳动生 产率，他们还给1 6 v 精密磨床安装了修f 器，提高工效2 3 倍。 沈阳黎明发动机制造公司及株洲南方工模具公司采用普通商精度平面磨 床进行枞树形榫槽、燕尾榫槽等各种特形拉刀的生产，但制造水平和生产工 艺较为落后。 特形及成形拉刀是贵阳工具厂长期致力发展的产品，开发成功的榫槽拉 刀是为航空、船舶、发电、能源等行业提供的专用刀具。近年来，为适应汽 车、摩托车以及各行业发展的需要，贵阳工具厂开发了一系列适应这些行业 需要的新的特形及成形拉刀，并成功应用，取得了良好的社会效益。 1 2 3 我公司榫齿拉刀研制状况 在哈尔滨航空工业集团公司，榫齿加工的研究主要集中在航空发动机的 研制、生产领域，近年来我们陆续完成了航空发动机w j 5 a 、汽轮机、航空6 8 发动机涡轮盘榫齿槽加工用拉刀的研制生产任务，目前正在进行美国a b 公司 涡轮盘榫齿拉刀的研制和生产工作。 1 2 4 国内外榫齿拉刀研制状况的对比 在榫齿拉刀加工工艺方面，国内外榫齿拉刀加工工艺路线及工艺方法基 本相同，都要经过刨削、铣削、热处理、人工时效、磨削等冷、热加工工序。 在工艺装备方面，国内在榫齿拉刀精加工工序虽采用了数控设备，但都 不是专用的拉刀成型磨削设备，其他刃磨、铣齿等工序，用的全是普通的机 床。在国内要加工出高质量的榫齿拉刀，不仅需要操作者有丰富的实践经验， 较高的技术水平，还要有很强的责任心，以弥补在工艺装备方面的不足。缺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点是加工周期长，表面质量不高，几何参数的可重复性和尺寸精度的一致性 较差。 1 3 本论文所要进行的工作 剑目前为止，国内外的研究人员和工程技术人员对绝大多数刀具的切削 原理、制造工艺、应用技术等方面进行了广泛深入的研究，但对于拉削刀具， 只是对圆孔拉刀。键槽拉刀，花键拉刀等常用的拉刀的设计、制造及其应用 进行了分析和研究，而对于较为复杂，应用领域仅局限在航空发动机、汽轮 机生产领域的榫齿拉刀的制造和应用方面的研究很少。 本论文通过从拉刀的设计、制造、应用的各个方面，深入研究榫齿加工 j 具的制造工艺和应用技术，研究进一步提高棒齿加工刀具质量，生产高质 量的榫齿的制造工艺和加工方法。 本论文所要进行的工作列举如下： ( 1 ) 通过采用理论联系实际的研究方法，首先根据存在的问题或影响产 品质量的因素，进行有针对性的分析。 在制造的过程中，刀具榫齿型面裂纹是榫齿拉刀制造过程中所要解决的 的首要问题。 榫齿拉刀在制造的过程中，如热处理、刃磨、齿型磨削的过程中出现微 裂纹，在使用过程中拉刀有时也出现崩刃等失效形式，这时刃部经认真检查 会发现存在微裂纹，经磁力探伤，在荧光下可见刃部有微小裂纹，严重时肉 眼可见，长度约2 1 5 m m 。 ( 2 ) 针对在拉刀设计、制造和使用过程中存在的问题，采取相应的解决 措施。 要想从根本上解决刀具榫齿型面裂纹问题，首先就要从拉刀材料方面入 手，严格控制材料的碳化物等级。 1 ) 严格对拉刀用料进行理化分析，碳化物偏析小于或等于3 级。 2 ) 热处理过程中严格执行热处理工艺规范，保证有足够的回火次数( 3 次) 、回火时间( 1 小时) 并每次都要冷却到室温( 2 5 。c ) 。 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 ) 减少磨削进给量，并进行充足连续的冷却。冷却液除了可以降低磨削 温度外，润滑和及时清除脱落的砂轮末等污物的作用。3 。 4 ) 对月具进行时效处理，振动时效主要用于降低和均化工件的残余内应 力防止工件变形和开裂；人工时效将零件加热到摄氏1 5 0 1 8 0 ，然后保 温1 2 小时以上，从而达到去除残余应力，稳定工件尺寸的目的。 5 ) 采用新的刀具材料，针对国内热处理工艺水平较低的实际情况，采用 淬火区间较大的粉末冶金高速钢代替钴高速钢。 粉末冶金高速钢力学性能各向同性。可减少热处理变形和应力，并使磨 削性能得到显著改善，完全避免了碳化物的偏析。 ( 3 ) 对改进后的拉刀进行试拉。 分析拉刀几何参数对榫齿加工的影响和切削参数对榫齿加工的影响，并 进一步对拉削质量进行分析。 通过试拉，检查拉削出的榫齿齿型的表面光洁度及尺寸精度，从而验证 拉月的加工质量。试拉后，首先在幕板直径1 2 0 0 m m 以上的投影仪上将试件型 面放大5 0 倍，检查拉刀齿形是否落在产品公差带内，如果在投影幕板上试件 齿形没有完全落在产品公差带内，就必须对拉刀进行全面细致的分析，从而 找出影响加工质量的原因，并采取相应的解决措施。 ( 4 ) 对拉刀进行失效分析。 分别对拉刀拉削时突然断裂和拉刀崩刃以及刀刃迅速磨损等几种拉刀的 失效形式进行深入分析，进而找出解决这些问题的方法。 7 哈尔滨= 程大学硕十学位论文 第2 章榫齿拉刀的设计 2 1 蜗轮盘榫齿的技术要求 涡轮转子是涡轮螺旋桨型航空发动机、汽轮机等的主要部件之一，由于涡 轮是存高温和高速旋转下工作，在涡轮盘与叶片之间有很大的离心力，为了保 证涡轮盘与叶片连接牢固，涡轮盘与叶片采用了枞树形榫槽型面的连接方法， 为了使涡轮盘榫槽和叶片榫头的每个齿都能均匀地承受载荷，避免出现应力 集中现象，并使叶片安装符合设计要求，必须使槽型的齿距和齿厚严格地控制 在公差范围内，工作面不应有翘曲，相应地榫槽对称型面相对中心线的偏移也 应尽可能地小。因此必须严格控制角度公差，特别是工作面的斜角，以及保证 圆弧与工作面、非工作面的圆滑连接：同时对于榫槽型面的表面光洁度也提出 了较高的要求。 涡轮盘枞树形榫槽型面和主要尺寸如图2 1 所示。 图21 涡轮盘枞树形榫槽型面和主要尺寸 涡轮盘枞树形榫槽型面的主要尺寸具体列举如下： 1 ) 工作面之间的齿距公差为0 o l m m ； 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 ) 型面对于对称中心线的允许偏差量为0 0 0 5 r i l l 】： 3 ) 棒槽工作面对涡轮盘中心线的不平行度在榫槽长度上不大于0 0 2 0 0 5 m m ； 4 ) 榫槽工作面的角度公差为1 0 1 5 ； 5 ) 在放大5 0 倍的投影仪幕板上检查榫槽型面必须在规定的公差带内。 蜗轮盘是采用高温合金g h 3 3 a 制造的。g h 3 3 a 属镍基合金，n i 含量大于 7 0 ，具有热稳定性好、高温强度和硬度高、耐腐蚀、抗磨损等特点，是典型 的难加工材料。“，切削加工性非常差，热处理后硬度d = 3 3 3 8 ，相当于 h b 2 5 5 3 4 1 ，浚高温合金经过晶粒细化，其显微组织、碳化物、枝晶间距也 得到了细化，大大抑制了缩孔和显微偏析，机械性能也得到了提高“3 。这种 材料的特点是当温度增高时，它的强度改变很小，而且具有较大的韧性；由 于该材料导热性差，切削时有冷作硬化现象，被加工材料容易粘附在刀刃上， 所以，切削加工性能差，加工蜗轮盘所用的刀具的耐用度也很低。 2 2 拉刀材料的选择 加工涡轮盘榫齿槽是通过9 个件号，1 0 件拉刀来完成的，以加工涡轮盘 榫齿的精拉刀1 b 。6 1 7 5 0 2 0 7 为例，刀具材料一直采用钴高速钢w 2 m o g c r 4 v c 0 8 热处理硬度h r c 6 7 6 9 。 钴高速钢有着高的硬度、红硬性和韧性，因而使拉刀具有很高的耐磨性， 但如果毛坯的碳化物等级低于3 级，碳化物的不均匀性将会影响碳和合金元 素在奥氏体中的溶解程度，影响钢的强度、硬度和热硬性，降低了刀具的切 削性能，则在钢材热处理、磨削、使用过程中极易产生微裂纹，造成刀具崩 刃，甚至折断的严重后果”1 。 为此，我们在钴高速钢毛坯入厂时严格按照技术文件的要求对毛坯进行 化学分析和金相试验。 通过对毛坯进行化学分析，可以确定钢种和确定其成分元素含量是否在 规定的范围之内。 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 金相试验可以确定毛坯的碳化物的不均匀度，取样部位在试样截面四分 之一处，沿纵截面观察，并与级别评定参考图( 见图2 2 ) 进行比较，从而 得出毛坯的碳化物等级。3 。 图22 高速钢原材料碳化物不均匀度参考图 该参考图依次为高速钢试样在1 0 0 倍电子显微镜下的显微图片，其评定 要点具体列举如下： 级：碳化物呈细小颗粒状均匀分布，无带状出现： ：级：碳化物呈带状，带的宽度1 2 棚； i 级：碳化物呈明显带状，带的宽度2 4 m m ； 四级：碳化物呈宽带状，带的宽度4 6 m m ； 五级：碳化物网破碎，少量残余网状呈不明显分叉形式； 六级：碳化物网破碎，部分残余网状呈较明显分叉形式； 七级：碳化物呈较完整变形的破碎网状，在网角处有堆积现象； 八级：碳化物呈稍变形的完整网状，并有堆积。 即使高速钢的碳化物不均匀度为1 3 级，由于钴高速钢的淬火区间较 小，如不能严格按照热处理工艺进行，拉刀也极易出现微裂纹，在磨削和 使用过程中，裂纹扩大，就会造成刀具崩刃，甚至报废。 因此，我们试验性地用粉末冶金高速钢代替钴高速钢，以期避免上述刀 具失效现象的发生。 粉术冶金高速钢的主要工艺过程是：把己加入合金元素的预炼高速钢， 用感应炉熔化，然后用气体喷雾制粒。钢水喷出后迅速固化成均匀的颗粒。 然后把颗粒装入一个大型的可压缩圆桶，进行热等静压，形成致密毛坯，然 后进行锻造或轧制”1 。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种方法的最大特点是多种合金元素能在钢材内得到均匀分布，从而解 决了原来铸锭法炼钢的一个固有难题，即合金元素在钢内的偏析“3 。偏析造 成产品的不一致性，会影响材料的使用性能。此外，粉末冶金方法可以使钢 中的合金元素含量大大增加，这在传统的铸锭炼钢工艺中是做不到的“0 1 。若 不采用粉末冶金法，不可能达到如此高的合金含量。也许用如此高合金含量 的钢铸出了钢锭，也许这个钢锭在冷却和凝固时没有产生裂纹。但是内部结 构不均匀的问题还是无法避免，最终钢锭将形成大块的碳化物偏析，由于存 在碳化物偏析，在今后的刀具机械加工、热处理及使用过程中，在残余应力 的作用下极易产生裂纹。 传统的铸锭工艺限制了合金元素的含量。粉末高速钢工艺的不同之处在 于，喷雾制粒时迅速凝固，形成了特别细的碳化物，直径最大3 ，平均1 。 而铸锭工艺中形成的碳化物直径达到4 0 帅。 由于其力学性能各向同性，可减少热处理变形和应力，并使磨削性能得 到显著改善，完全避免了碳化物的偏析，从而提高了钢的硬度与强度，能达 到h r c 6 9 5 7 0 ，0 。为2 7 3 3 4 3 g p a 。 j 下足出于粉末冶金高速钢具有以上优良的使用性能，为了解决涡轮盘榫 齿拉刀难于采购碳化物等级3 级以上的高速钢w 2 m 0 9 c r 4 v c 0 8 ( m 4 2 ) 、热处理 淬火裂纹、磨削裂纹、拉削过程中刀齿崩刃等问题，我们改用粉末冶金高速 钢制造涡轮盘榫齿拉刀，经过一段时间的使用，效果良好，基本杜绝了热处 理淬火裂纹，磨削裂纹，拉削过程中崩刃等问题。 我们采用瑞典进口的a s p 2 0 3 0 粉末冶金高速钢加工榫齿拉刀，a s p 2 0 3 0 钢的匀净结构确保热处理过程中尺寸及形状的稳定性，并使可磨削性及韧性 得到显著改善。 粉末冶金高速钢热处理时淬火温度在1 1 5 0 。c 1 1 8 0 。c 之间，回火温度 5 6 0 。c ，三次回火，每次至少一小时，每次都要冷却到室温( 2 5 。c ) “。 只有严格按照粉末冶金高速钢热处理工艺的具体要求进行生产，严格控 制热处理的工艺流程、加热温度和时间才能充分发挥粉末冶金高速钢的优良 ，胜能。 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 2 3 拉刀的结构设计 涡轮盘的拉削是在卧式拉床上进行的，拉床型号为l 6 2 0 1 ，额定拉力为 2 0 吨，最大拉力为2 6 吨，工作滑块的最大行程为1 6 0 0 m m ，拉削时采用半自动化 式兴具，刀具部分采用刀盒装配式结构，将同一把的1 0 段拉刀按拉削顺序装 配在3 个刀盒里，并由刀柄和刀盒连接而成，分3 个工步完成拉削。刀盒结构 见图2 3 。 2 4 拉削方式的选择 图2 3 刀盒结构 加工枞树形榫齿采用以下两种拉削方式： 1 ) 成型法 拉刀每个齿切下的金属层和被拉削表面的最后型面相似，如图2 4 所示， 成型法的优点是拉刀校正齿的型面精度将决定被拉削零件型面的加工精度， 因此容易获得较高的精度和光洁度，但由于需对每个刀齿单独进行铲磨故 制造难度较大。为了避免磨削时碰伤后齿，势必加大齿距，增加拉刀长度，该方 法适于加工复杂型面的精拉工步，如枞树形榫齿精拉刀1 b t 6 1 7 5 0 2 0 7 。 1 2 哈尔滨工程人学硕士学位论文 巡 弗曩j 7 7 莩憨 鎏 1 二乡 妊膏+ 心 图2 4 成型法 2 ) 渐切法 拉刀每个齿切下一定的金属层。同时都参加零件型面的形成工作。如图 2 5 和图2 6 所示，拉刀齿型均已进行了修f ，从而减少了刀齿侧刃和被加工 零件型面之间的摩擦，以避免金属粘附在刀齿两侧的副切削刃上，从而提高刀 具的耐用度。 笪墨堂塞 图2 5 渐切法 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 迎。 一 心少 拉刃中心蠢 图2 6 渐切法 如图2 5 的修正方法的特点是在刀齿侧面与零件型面之间形成侧隙角， 拉刀的制造可以简化，只需利用专用的角度垫板或夹具，将尾部抬高一定尺寸 进行磨削即可。 图2 5 一直修正到刀尖部分，切削条件较好，但刃磨时砂轮型面需要修j f 加工后零件型面的精度和光洁度均较差，适宜于粗拉工步。 图2 6 在副切削刃上留有宽度为f 并与零件型面相同的窄边，适用于精 拉工步。 以上图2 4 、图2 5 和图2 6 三图分别表示成型法；渐切法，修整至刀尖 部分；渐切法，修整后有窄边三种拉削方式。 其中a 。b - 涡轮盘榫齿工作面和非工作面与节线之间的夹角：n ，b ， 一工作面和非工作面刀刃的侧隙角；s ：一齿升；f 、一副刀刃上的窄边宽度“。 因此，涡轮盘枞树形榫槽型面的拉削方式采用成型法与渐切法相结合的 办法。 涡轮盘上的枞树形榫槽型面的拉削分成五道工步，即第一、第二、第三、 第四、第五、第六、第七、第八把拉刀完成第一、第二道、第三道工步，第 八、第九把拉刀完成第四道、第五道工步。 1 4 三氧 茎一 孰， 荔卜 e 图27 涡轮盘枞树形榫槽的拉削图形 柑拉梯形槽第一段( 渐切法) ；2 - 粗拉梯形楷第二段( 渐切法) ：3 - 拉削槽底( 渐切浊) ：4 粗拉枞树形榫槽齿型( 渐切法) ：5 - 精拉枞树形榫槽齿型( 成型法) 。 雾蛩琳 斟爆 则岈 勘逍 ，i ， | |l | 图2 ，8 涡轮盘枞树形榫槽的拉削上步 1 5 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图2 9 枞树形榫槽的公差带图 如图2 9 所示为枞树形样槽的全部公差带图及第一和第二齿的放大图。 在涡轮盘图纸中，第一对齿的工作面可选为基准面，该面上的对称节点 即为基准点，由于对称节点之间的距离( 节距) 具有公差，如第一对齿的节 距为1 4 6 8 4 ”“f i l m ，故两侧节线各有两个极限位置，基准点之间距离分别为 1 4 6 8 4m m 和1 4 7 2 4m m 。为了便于拉刀的设计与计算，在每侧各选定一条理 论节线，基准点之间的距离可取其中间值。 取a 。= 1 4 7 2 r a m ，a 产1 1 0 9 8 m m ，a 产7 4 7 6 m m 。 首先画出榫槽的对称中心线，然后根据节线与中心线之间的夹角巾= 2 0 ， 以及节距a 。= 1 4 7 2 r a m 画出基准点、基准面和理论节线，同时画出理论节线的 两个极限位茕。 其次可根据a0 = 7 5 。1 57 、0 0 = 5 0 。1 5 ，榫槽宽度k - 2 7 4 4 ，t 。= 2 7 0 2 ，槽底 圆弧半径心产o 8 5 ，艮棚8 ；齿顶高h 。= l _ 4 5 ，h 。f 1 4 ；齿距1 # 5 3 0 5 ，i f 5 2 8 5 等 画出第一齿和第二齿的公差带放大图。 2 5 拉刀齿形参数的计算 拉刀的齿型，尤其是校准齿的齿型将直接影响拉削后零件的型面加工精 度与表面光洁度。要确定拉刀齿型的尺寸和公差应以涡轮盘榫槽的全公差带 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 为依据，保证加工出来的样槽符合设计图纸的要求，也就是说，涡轮盘榫齿 槽在投影仪幕板的放大投影应全部落在零件的公差带内，而且要考虑到加： 出来的零件尺寸拉削后收缩和扩张的影响，以及拉刀有尽可能多的刃磨次数 及使用寿命，同时也要考虑到刀齿在制造时相对于中心线的偏移对所拉削零 件的齿形的影响，一般可以根据允许的偏移量来计算拉刀齿形的最大尺寸。拉 刀的公称尺寸应尽量取零件尺寸的上差。 如表2 1 中的数据显示：角度，齿型上的r 值均采用了零件图的中差， 但齿厚采用的为上极限偏差。m 尺寸的设计无法直接从零件图中得出结论， 需先进行理论上的计算，或用c a d 画图可得出拉刀的m 尺寸与拉削零件的m 尺寸i 司的换算关系。 由表2 1 中的数据可以得出榫齿型面内滚棒间尺寸同外滚棒间尺寸的换 算关系。经换算可知滚棒间尺寸采用的为零件图纸的上差。 表2 1 涡轮盘榫槽和精拉刀的公称尺寸和公差 丁步 零件公称 名称尺寸和公差 拉刀公称尺寸和公差拉川技术条件 节趴：节距： a 1 46 8 4 o “ - 1 4 7 2 m m a ，= 1 l0 6 2 “a 产1 1 0 9 8 m m a = e * 74 4 “a 3 - 74 7 6 m m 精 曲趴：齿距： 拉 t ：5 2 9 5 o0 1t = 5 2 9 5 00 0 3 枞 2 t = 1 05 9 0 0 l2 t = 1 0 5 9 0 0 0 3 工作型面对于对称中心线 树 撕形角：齿形角： 的偏移不大于00 0 5 ，对称 形 d = 7 5 。1 5 on ：7 5o 土3 7 齿槽的k 值( 滚棒顶面全拉 胜 0 f 5 0 。1 5 e 。= 5 0 。3 刀底面的测量尺寸) 相差不 槽 槽宽：拉月刀齿齿厚的计算尺寸取为 大于0 0 0 5 齿 t - 2 7 4 4ou lt - + 2 t 3t = 2 7 3 9 00 0 5 型 齿根高h 。：公差用滚棒测量尺寸的允差规定，m 。 h 。哪= l4 5槽宽的计算尺寸为：5 = 5 2 9 5 2 7 3 9 - 2 5 5 6 h “_ l i i 4第一个槽宽的计算值取为： 槽底圆弧半径： 齿顶高的计算尺寸取为：41 2 0 o l r = o8 5u i 。 槽顶圆弧半径：0 7 8 5 0 0 l 2 6 拉刀刀齿偏移量对榫槽加工影响的分析 拉刀刀齿偏移量对榫槽加工影响的分析，从刀齿偏移对齿厚的影响和刀 齿偏移对齿距的影响两个方面分析了刀齿偏移对拉刀尺寸精度的影响。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 o 1 刀齿偏移对齿厚的影响 根据零件工作图，齿距t = 5 2 9 5 0 o l m m ，可以画出零件工作面的公差带 然后根据齿厚值画出非工作面的公差带。 其次根据拉刀齿距t = 5 2 9 5 0 0 0 3 ，理论齿厚t = 2 7 3 9 0 0 0 5 ，并耿负 偏差，滚棒测量尺寸也取负偏差，画出拉刀齿的部分公差带。 然后考虑刀齿偏移时可能出现的各种不利情况，均取最大偏移量为 o 0 0 5 m m ，如图2 1 0 ，列出四种不同的刀齿偏移情况。c 、d 、i 、k 为拉刀齿的 极限点的位置，b 、e 、h 及l 为拉刀齿偏移后的极限点的位置。 从所画出的刀齿偏移图可以看出b c a c ，d e d f ，h i g i ，k l 1 0 时，圆整成整数。 按照选定的p 。，再计算同时工作的齿数z 。： z 。= 【p 。+ l ( 略去小数) ”“ 为避免拉削过程中产生周期性振动的作用，拉刀允许有不等齿距，所以 齿距一般也不规定公差。 经过反复验算，选取齿距为2 0i e r 1 ，为了提高刀齿强度，将两侧刀齿的前 刃面交错排列。 图2 1 3 双圆弧直线形容屑槽结构图 所以双圆弧直线形容屑槽的参数计算如下： g = ( o 2 5 o 4 ) p n 取齿背宽为5 m m ； h = ( 0 2 0 o