（机械工程专业论文）粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 切削加工是装备制造业的基础工艺，刀具设计与制造是汽车工业、家电制造业、航 空航天、能源工业、模具工业等发展的关键技术。现代切削技术经过近百年的快速发展， 到2 0 世纪末，随着数控机床、数控系统、刀具材料、涂层技术等制造技术的全面进步， 达到了新的水平，使切削加工进入了高速切削的新阶段，其主要技术特征表现为切削速 度有5 - l o 倍的提高。高速切削技术的出现，对制造领域又提出了高要求。一是机床本 身刚性、精度高，二是装夹系统刚性、精度高。三是刀具的材料性能和加工精度要高。 四是冷却效果要好。正是各种刀具材料和切削技术的全面发展，使切削加工的不同领域、 不同工序的效率和总体切削水平有了显著的提高，开创了切削加工的新阶段，为制造业 的发展和制造技术的进步奠定了基础。本课题研制开发用于加工涡轮盘槽的粉末冶金高 速钢榫齿拉刀，正符合目前材料和刀具的发展方向，刀具的材料采用了粉末冶金高速钢， 刀具的尺寸、形位精度非常高。 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， 介绍了机树形型面连接方法的特点，进而研究了涡轮盘机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涡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，从工程实际出发给出了涡轮盘极树形榫齿 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。 设计制造的榫齿拉刀己投入生产应用，取得了满意的效果。 关键词：榫齿拉刀；铲磨；砂轮修整；粉末冶金高速钢；设计 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 d e s i g n & r e s e a r c ho fp o w d e rm e t a l l u r g yh i g h s p e e ds t e e l h i g h a c c u r a c yt u r b i n ed i s ht e n o n t o o t hb r o a c h a b s t r a c t c u t t i n go p e r a t i o ni st h eb a s i so fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y ，a n dd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f c u r i n gt o o la r et h ec r i t i c a lt e c h n i q u e st h a ti n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n to ft h ei m p o r t a n tf i e l d s o fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ys u c ha sa u t o m o b i l e s ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，a e r o s p a c e ，e n e r g ya n d d i e - m a k i n g a f t e ra r o u n d10 0y e a r sr a p i dd e v e l o p m e n t ，a r r i v i n ga tt h ee n do ft h e2 0 t h c e n t u r y ，w i t ht h ea d v a n c e m e n ti nc n cm a c h i n e ，c n cs y s t e m ，t 0 0 1m a t e r i a l sa n dc o a t i n g t e c h n o l o g y ，e t c ，m o d e mc u t t i n gt e c h n i q u e sh a v ee n t e r e di n t oan e ws t a g eo fh i 曲一s p e e d c u t t i n gw h i c hi sc h a r a c t e r i z e db y5 10t i m e si n c r e a s eo fc u t t i n gs p e e d w i t ht h ei n t r o d u c t i o n o fh i g h - s p e e dc u t t i n g ，t h eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o r m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sp r e s e n t e d f o ro n e t h i n g ，m a c h i n ei t s e l fi so fh i 曲r i g i d i t ya n da c c u r a c y f o ra n o t h e r ，t h ec l a m p i n gs y s t e mi so f t h eh i g hr i g i d i t ya n da c c u r a c y ；w h a t sm o r e ，t h ep r o p e r t i e so ft o o lm a t e r i a l sa n dm a c h i n i n g a c c u r a c ya r eg o o d n el a s tp o i n t ，c o o l i n ge f f e c ti sg o o d b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n ti nb o t h t o o lm a t e r i a la n dc u t t i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tf i e l d so fc u t t i n go p e r a t i o n a n dd i f f e r e n tw o r k i n gp r o c e d u r eo fc u t t i n go p e r a t i o na n dt h eg e n e r a lc u t t i n gt e c h n o l o g ya r e s u b s t a n t i a l l yi m p r o v e d i tm a k e st h ec u t t i n go p e r a t i o ne n t e ri n t oan e ws t a g e ，a n das o l i d f o u n d a t i o nh a sb e e nl a i df o rt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dm a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e p o w d e rm e t a l l u r g yh i 曲一s p e e ds t e e lc e m e n t e dc a r b i d eh i g h a c c u r a c yt u r b i n ed i s h t e n o nt o o t hb r o a c h ，t h eb r o a c h i n gt o o li sd e v e l o p e df o rm a c h i n i n gt h eg r o o v e so nt h ev a n e so f t u r b i n ed i s ht e n o nt o o t hi nt h i ss t u d y ，w h i c hr e p r e s e n t i n gt h ed e v e l o p i n go r i e n t a t i o no fc u r r e n t t o o lm a t e r i a l sa n dt o o l s s u b - m i c r o nc e m e n t e dc a r b i d et o o lw i t hh i g hg e o m e t r i c a la c c u r a c y a n d h i g hp o s i t i o na n ds h a p ea c c u r a c yi sa d o p t e df o rt h ei n v e s t i g a t i o n 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 t r e e m o l d i n gs u r f a c ea t t a c h m e n t m 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 u r ea n dw o r ke n v i r o n m e n to ft u r b i n ed i s ka n d b l a d eo fg a s t u r b i n ej e te n g i n e t h e nt h ed e s i g nm 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 h c 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 rf i r t r e et e n o nt o o t ho ft u r b i n ed i s k t e n o nt o o t hb r o a c ha r e s t u d i e d t h e p r o c e s s i n gt e c h n i q u em 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 f i m p r o v i n gt o o l sb 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 l d i n gs u r f a c ea n dt h e c 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 et u r b i n ed i s ki nd e s i g n i n go ft e n o n t 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 em 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 e c h o i c e so fb r o a c h i n gm e t h o d sa 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 e n o m i n a ld i m e n s i o n sa 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 r lb ed e f i n e d a n dt h e nt h e i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 i n f l u e n c e st op a r t ：t 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 te x i s t s o 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 n m e t h o d so ft h ef i r - t r e et e n o nt o o t ha c c u r a t eb r o a c ho ft u r b i n ed i s ka c c o r d i n gt op r o d u c t i o n 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 yi n t r o d u c e dt h e m 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 gm 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 no fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha s b 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 ns h a r p e n i n gt y p e t h i st h e s i sh a s i n t r o d u c e dt h a tt 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 fg r i n d i n g t 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 eg r i n d i n gm a c h i n ei s i n i t i a t ei no u rc o u n t r y g 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 fg r i n d i n gt h er e l i e fa n g l e a r ef i n i s h e do nh i g hp 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 e m a c h i n i n gp r e c i s i o no f t 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 t h eb r o a c hh a sb e e np u ti n t ou s a g ei np r o d u c t i o na n do b t a i n e ds a t i s f y i n ge f f e c t 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 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 d m a i n t a i n s ；p o w d e rm e t a l l u r g yh i 曲- s p e e ds t e e l ；d e s i g n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 捡盔迨金高速铟遇整垄推选撞卫鲍遮! 土生盟剑 作者签名： 遵堑 日期：坦星年上月l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学专业学位硕士学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：遣堑 导师签名：必 日期：生! 星年l 月卫日 日期：丝墨年上三月二_ 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 刀具在装备制造业的重要作用 1 1 1 我国刀具的发展现状 目前，我国切削加工与刀具技术的水平与工业发达国家比较落后约2 0 年，缩小这 个差距，光有工具行业的努力是不够的，还必须有用户行业增加对刀具的投入，充分利 用刀具在提高效率、降低成本、缩短交货期、加快新产品开发中的作用。由于我国机床 工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的认识，长期以来重主机、轻 工具，在发展战略上数控刀具与数控机床的发展严重脱节，使我国工具技术的发展和行 业水平与现代制造业的要求相差甚远。据2 0 0 2 年中国机械工业年鉴统计，工具行业2 9 个重点骨干企业2 0 0 2 年完成工业销售产值1 4 3 亿元，仅相当于s a n d i v i k 公司2 0 0 2 年 投入研发费用的8 6 。9 5 以上的国内工具企业的现状停留在传统的金属切削刀具制造 水平上。 1 1 2 作用及地位 切削加工是装备制造业的基础工艺，刀具的设计与研制是汽车工业、家电制造业、 航空航天、能源工业、模具工业等发展的关键技术。以汽车工业为例，世界上生产汽车 的大国也都是刀具生产的大国，美、德、日的汽车产量占世界汽车产量的6 0 - 7 0 ，其刀 具产值也占6 0 一7 0 ，其汽车刀具的消耗量占本国刀具市场总额的3 5 - 4 0 。2 0 0 1 年在先 进切削加工技术的带动下，金属切削刀具作为数控机床必不可少的配套工艺装备，显示 出高效率、高精度、高可靠性和专业化的特点。工具行业各企业为了适应制造技术进步 对切削加工技术的要求，进行产业结构调整以使企业转成制造业，开发先进制造技术的 基地。伴随制造技术的发展，对工具产品的技术要求越来越高，涉及的技术领域越来越 广。高性能刀具的开发不仅涉及新刀具材料、涂层技术工艺、优化设计技术、专用制造 工艺，而且包括配套的适应技术，刀具已经成为技术含量和附加值很高的专业化产品。 但是制造业缺少了工具行业的支持，将成为无源之水、无米之炊。制造业只有依靠工具 行业的专业力量才能不断提升各行各业的制造技术水平。 国外有数据表明，刀具占制造成本为2 5 - - 4 ，但它却直接影响占制造成本2 0 的 机床费用和3 8 的人工费用，因此，进给速度和切削速度每提高1 5 - 2 0 可降低制造成 本1 0 - 1 5 ，说明即使使用好的刀具会增加刀具的成本，但由于效率提高使机床费用和 人工费用有很大的降低，这正是工业发达国家制造业所采取的经营策略之一。目前，我 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 国由于普通机床及服役超期的机床占多数，加上人工费用较低，刀具对制造成本的影响 到不了这个程度，但它投入少、见效快的特点很适合我国企业的现状，同样可以收到很 好的效果。 1 1 3 推进我国刀具快速发展的方法 1 ) 加快新型刀具材料的开发 回顾机械加工发展的历史，可以看出刀具材料的发展起着重大的推动作用瞳1 。在2 1 世纪初刀具材料的发展将有两个重要的趋势，一是硬质合金刀具应用范围继续扩大，碳 氮化钛基硬质合金( 金属陶瓷) 、超细颗粒硬质合金、梯度结构硬质合金及硬质合金与高 速钢两种粉未复合的材料等将代替相当一部分高速钢刀具，包括钻头、立铣刀、丝锥等 简单通用刀具和齿轮滚刀、拉刀等精密复杂刀具，高速钢刀具的比例进一步减少。这样， 硬质合金将在刀具材料中占主导地位，覆盖大部分常规的加工领域。二是超硬刀具材料 的使用将明显增加，c b n 由于硬度高、化学稳定性好、热膨胀系数小、导热率高等优点， 将成为高速加工黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。随着 其韧性的进一步改善，它在切削刀具中的比例将有很大的提高。此外，c b n 还是对黑色 金属实现超高速切削，从本质上改善切削过程最有希望的刀具材料。p c d 和单晶金刚石 是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。随着汽车、航 空航天、电子、军工等部门对这些材料需求的增加，p c d 的应用也将更加广泛。 2 ) 加快涂层技术的开发 刀具涂层技术自从问世以来，对刀具性能的改善和加工技术的进步起着非常重要的 作用，涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过5 0 。在2 1 世纪初， 涂层刀具的比例将进一步增加，有望在技术上突破c b n 涂层技术，并且实用化，使c b n 的优良性能在更多的刀具和切削加工中得到应用，甚至精密复杂刀具和成形刀具，这将 全面提高加工黑色金属的切削水平。此外，纳米级超薄超多层涂层和新型涂层材料的开 发应用的速度将加快，涂层将成为改善刀具性能的主要途径。 3 ) 加快多功能及专用刀具的开发 为了发挥以车削加工中心和镗铣类) j n - r 中心为代表的数控加工技术的优势，提高加 工效率，对复杂零件的加工要求在一次装夹中进行多工序的集中加工，并淡化传统的车、 铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，是当前提高数控机床效率、加快产品开发的 有效途径。为此，也对刀具提出了多功能的新要求，要求一种刀具能完成零件不同工序 的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，还可减少刀具的数量和库存量，有利于管理和 降低制造成本。较常见有多功能车刀、铣刀，还有镗铣刀、钻铣刀、钻一铣螺纹一倒角等 大连理工大学专业学位硕士学位论文 各种多功能刀具。与此同时，在批量生产线上，针对工艺需要开发的专用刀具或智能刀 具，可以提高加工效率和精度，减少投资。有的专用刀具可将零件的加工时间降至原来 的十分之一以下，效果十分显著。应用结构复杂、具有多刀组合并可自动进给或调整精 度的专用刀具，已成为衡量生产线技术水平的重要因素。在上世纪9 0 年代新建的轿车 变速箱同步器齿轮加工线上，用筒式拉刀拉齿代替原来的插齿，一台双工位的拉床可代 替几台插齿机，加工一个齿轮只要1 3 秒，比原工艺提高几倍，产品质量稳定，还节省 了厂房面积。开发通用的多功能刀具和针对用户需要的专用刀具应成为未来工具产品的 重要组成部分。 1 2 国内外榫齿拉刀的设研制与发展 1 2 1 国外榫齿拉刀的研制状况 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 地位口1 。 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、法等国的榫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 t r t l - 1 2 0 0 型数控成型磨床、d i a f o r m e l b 型数控成型磨床、d i a f o r m ”b ”s 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，开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 ) 。 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 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正在使用的专利技术，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。该公司拥有数控拉刀刃磨床、万能数控拉刀刃磨床、 数控型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，l a p o i n t eh u d s o n 拉刀制造公司为所 生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。 日本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 is ea 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、成都友动机( 集团) 有限公司、株洲南方工模 具公司等，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 在沈阳黎明航空发动机有限公司，榫齿加工的研究主要集中在航空发动机的研制、 生产领域，成功完成了各种发动机涡轮盘榫齿槽加工用拉刀的研制生产任务，是特形拉 刀的著名生产厂家。我公司应用专用数控高精度平面磨床进行树形榫槽、燕尾榫槽拉刀 的磨削，生产工艺成熟，生产的树形榫槽、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。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 我公司生产的榫槽拉刀最重单件重达7 0 余公斤，高度达1 4 0 r a m ，长度1 0 0 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，生产中采用“勤测 量 、“勤冷却 的方法，保证了产品质量。 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。缺点是d i d - r _ 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 粉末冶金高精度榫齿拉刀的现状分析和研究方向 1 3 1 国内外水平的比较 目前，我国使用的粉末冶金高精度榫齿拉刀主要是国外公司生产的，而我国生产的 拉刀，因加工设备和加工技术等原因，主要以普通高速钢为主，且产品精度低，在加工 粉末冶金高精度榫齿拉刀方面更是空白。 1 3 2 国内产品问题的分析及研究内容 国内生产加工粉末冶金高速钢刀具存在的问题主要有以下几点： ( 1 ) 粉末材料的开发是个难题。 ( 2 ) 粉末冶金毛坯生产困难。刀具为整体粉末冶金，特点是长度较长，且厚度薄。 ( 3 ) 刀具生产厂的加工设备落后，加工精度低。 ( 4 ) 我国的刀具专业生产厂都是以加工普通高速钢刀具和硬质合金焊接刀具为主，产品 精度低，缺乏加工整体粉末冶金刀具磨削加工方面的专业知识。 ( 5 ) 我国的刀具生产厂与粉末冶金材料生产脱节。 ( 6 ) 企业管理落后，对市场的敏感度不足。 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 1 4 课题立项的背景、意义、目标 1 4 1 课题的背景及意义 在过去的一个世纪里，无论是航空工业、铁路运输业、海上运输业还是工业汽轮机 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 1 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。 榫齿是航空发动机等设备的涡轮叶片与涡轮盘相结合的部分，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。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。 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 的榫齿，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。 1 4 2 课题的目的 本科题研制开发的粉末冶金高精度榫齿拉刀是用于涡轮盘的加工，是保证产品质量 的根本。研制开发整体粉末冶金高精度拉刀的主要目的，一是，通过该产品的开发成功 宣传公司的技术实力和公司向高、精、尖产品发展的方向。二是，此刀具如能开发成功， 不仅能节约大量的成本费用，也为公司带来可观的销售利润。三是，打破粉末冶金高精 度拉刀长期被进口刀具垄断的格局。我公司先后从瑞士、德国等国家引进了先进的生产 设备，具备生产该款刀具必需的硬件设施，具有几十年的加工经验和强有力的技术支持， 这便是我公司的优势。 1 4 3 课题所要达到的目标 使开发出的整体粉末冶金高精度榫齿拉刀一是在产品精度上达到进口刀具的设计 要求，二是使用寿命达到现有刀具的水平，价格低于国外进口刀具，三是为我国航空工 业的发展做出重要贡献。 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 5 小结 本章主要介绍刀具在我国装备制造业的重要作用，简要说明了国内外榫齿拉刀制造 与研制的基本状况，并阐述了本课题所要达到的目标。 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 2 刀具材料的选择 2 1 对刀具材料的特性要求 刀具在工作时，要承受很大的压力。同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在 刀具、切屑、工件相互接触表面产生的强烈摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受 到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损和破损h 1 。因此刀具材料应满足下面 一些要求： 2 1 1 高的硬度和耐磨性 硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件 材料的硬度大，切削金属所用刀具切削刃的硬度，一般都在h r c 6 0 以上。 耐磨性是材料抵抗磨损的能力。一般说来，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。 组织中硬质点的硬度越高，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨 性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、显微组织及摩擦区的温 度有关。 2 1 2 足够的强度和韧性 要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击振动的条件下工 作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性，不同的刀具材料的 强度和断裂韧度是不同的。 2 1 3 高的耐热性 耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。它是指刀具材料在高温下保持硬度、 耐磨性、强度和韧性的性能。刀具材料的高温硬度越高，则刀具的切削性能越好，允许 的切削速度越高。 除高温硬度外，刀具材料还应具有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗粘结和抗扩 散的能力，即刀具材料应具有良好的化学稳定性。 2 1 4 良好的热物理性和耐热冲击性能 刀具材料的导热性愈好，切削热愈容易从切削区散走，有利于降低切削温度。刀具 在断续切削或使用加热切削时，常常受到很大的热冲击，因而刀具内部会产生裂纹而导 致断裂。刀具材料抵抗热冲击的能力可用耐热冲击系数来反应。导热系数大，使热量容 大连理工大学专业学位硕士学位论文 易散走，降低刀具表面的温度梯度；热膨胀系数小，可减少热变形；而弹性模量小，可 以降低因热变形而产生的交变应力幅度；它们均有利于材料耐热冲击性能的提高。 2 1 5 良好的工艺性 为便于刀具制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如锻造性能、热处理性能、 高温塑性变形性能、磨削加工性能等等。 2 1 6 经济性 经济性是刀具材料的重要指标之一。 2 2 刀具材料的发展情况及发展趋势 百余年来，刀具材料由碳素钢、高速钢、硬质合金、涂层刀具材料、陶瓷而至超硬 刀具材料的发展使切削速度提高了1 0 0 多倍，而且主要新刀具材料出现的周期也越短， 例如，从高速钢发展到硬质合金大约经过了1 0 年就有新刀具材料问世伟1 。 实践证明，以高的切削效率切削难加工材料的理想刀具材料应该同时具有金刚石那 样高的硬度和耐磨性，立方氮化硼或陶瓷那样高的热稳定性和化学惰性，硬质合金那样 高的强度和抗冲击性能，但在可预见的将来还不能找到具有这样理想性能的刀具材料。 目前使用的主要刀具材料仍然是硬质合金和高速钢，但其内部构成比有明显变化，传统 的非涂层牌号及品种将会减少，耐磨涂层品种和牌号及其在柔性加工和集成制造系统中 的应用将进一步增加。同时这两类刀具材料会受到陶瓷及超硬刀具材料的激烈竞争，在 相当长的时期内，各种刀具材料将仍然是相互补充，相互竞争。 2 3 常规刀具材料的基本性能 2 3 1 高速钢 1 8 9 8 年由美国机械工程师泰勒( f w t a y l o r ) 和冶金工程师怀特( m w h i t e ) 发明的 高速钢至今仍是一种常用刀具材料。高速钢是一种加入了较多w 、m o 、c r 、v 等合金元 素的高合金工具钢，其含碳量为0 7 1 0 5 。高速钢具有较高耐热性，其切削温度可 达6 0 0 ，与碳素工具钢及合金工具钢相比，其切削速度可成倍提高。高速钢具有良好 的韧性和成形性，可用于制造几乎所有品种的刀具，如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、 小直径铣刀等。但是，高速钢也存在耐磨性、耐热性较差等缺陷，已难以满足现代切削 加工对刀具材料越来越高的要求；此外，高速钢材料中的一些主要元素( 如钨) 的储藏资 源在世界范围内日渐枯竭，据估计其储量只够再开采使用4 0 6 0 年，因此高速钢材料 面临严峻的发展危机。 粉末冶金高速钢涡轮盘榫齿拉刀的设计与研制 2 3 2 陶瓷 与硬质合金相比，陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此，加工钢材时， 陶瓷刀具的耐用度为硬质合金刀具的1 0 2 0 倍，其红硬性比硬质合金高2 6 倍，且化 学稳定性、抗氧化能力等均优于硬质合金。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低、 承受冲击载荷能力差，这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。 陶瓷刀具材料可分为三大类：氧化铝基陶瓷。通常是在a 1 。0 。基体材料中加入t i c 、 w c 、z i c 、t a c 、z r 0 2 等成分，经热压制成复合陶瓷刀具，其硬度可达9 3 9 5 h r c ，为提 高韧性，常添加少量c o 、n i 等金属。氮化硅基陶瓷。常用的氮化硅基陶瓷为 s i 3 n 4 + t i c + c o 复合陶瓷，其韧性高于氧化铝基陶瓷，硬度则与之相当。氮化硅一氧化 铝复合陶瓷。又称为赛阿龙( s i a l o n ) 陶瓷，其化学成分为7 7 s i 。n 。+ 1 3 a i ：0 。，硬度可 达1 8 0 0 h v ，抗弯强度可达1 2 0 g p a ，最适合切削高温合金和铸铁。 2 3 ，3 金属陶瓷 金属陶瓷与由w c 构成的硬质合金不同，主要由陶瓷颗粒、t i c 和t i n 、粘结剂n i 、 c o 、m o 等构成。金属陶瓷的硬度和红硬性高于硬质合金，低于陶瓷材料；其横向断裂强 度大于陶瓷材料，小于硬质合金；化学稳定性和抗氧化性好，耐剥离磨损，耐氧化和扩 散，具有较低的粘结倾向和较高的刀刃强度。 金属陶瓷刀具的切削效率和工作寿命高于硬质合金、涂层硬质合金刀具，加工出的 工件表面粗糙度小；由于金属陶瓷与钢的粘结性较低，因此用金属陶瓷刀具取代涂层硬 质合金刀具加工钢制工件时，切屑形成较稳定，在自动化加工中不易发生长切屑缠绕现 象，零件棱边基本无毛刺。金属陶瓷的缺点是抗热震性较差，易碎裂，因此使用范围有 限。 2 3 4 超硬材料 人造金刚石、立方氮化硼( c b n ) 等具有高硬度的材料统称为超硬材料。金刚石是世 界上已知的最硬物质，并具有高导热性、高绝缘性、高化学稳定性、高温半导体特性等 多种优良性能，可用于铝、铜等有色金属及其合金的精密加工，特别适合加工非金属硬 脆材料。1 9 5 5 年，美国g e 公司采用高温高压法成功合成了人造金刚石，1 9 6 6 年又研制 出人造聚晶金刚石复合片( p c d ) ，自此人造金刚石作为一类新型刀具材料得到迅速发展。 但由于金刚石中的碳在高温下易与铁元素作用而迅速溶解，因此金刚石刀具不适合加工 铁基合金，从而大大限制了金刚石在金属切削加工中的应用。 立方氮化硼( c b n ) 是硬度仅次于金刚石的超硬材料。虽然c b n 的硬度低于金刚石， 但其氧化温度高达1 3 6 0 ，且与铁磁类材料具有较低的亲和性。因此，虽然目前c b n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 还是以烧结体形式进行制备，但仍是适合钢类材料切削、具有高耐磨性的优良刀具材料。 由于c b n 具有高硬度、高热稳定性、高化学稳定性等优异性能，因此特别适合加工高硬 度、高韧性的难加工金属材料。如采用c b n 可转位刀片干式精车淬硬齿轮，每个齿轮的 加工成本可降低6 0 ；采用配装球形c b n 刀片的立铣刀精铣大型硬质磨具，磨削时间可 比传统工艺减少8 0 。c b n 材料的不足之处是韧性较差的问题尚待解决。 2 4 粉末冶金高速钢 高速钢又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。 它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达 1 0 , - 一2 5 左右。它在高速切削产生高热情况下( 约5 0 0 ) 仍能保持高的硬度，h r c 能在6 0 以上。这就是高速钢最主要的特性红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在 室温下虽有很高的硬度，但当温度高于2 0 0 时，硬度便急剧下降，在5 0 0 。c 硬度已降 到与退火状态相似的程度，完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切 削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥- i , t 碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削 工具。 2 4 1 我国高速钢发展的现状 我国的高速钢生产经历了从无到有的发展过程，特别是