發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作在高溫、高速旋轉(zhuǎn)條件下，渦輪盤與葉片之間產(chǎn)生的離心力很大，因此對(duì)盤與葉片之間的連接要求很高。而在渦輪盤機(jī)械加工中，工作量zui大、難度zui高的是渦輪輪盤榫槽的加工。榫槽的精度要求非常高、尺寸公差要求很嚴(yán)格，榫槽型面的表面質(zhì)量要求也很高。特別是近幾年新型槽型不斷增加，原拉刀的設(shè)計(jì)方法已滿足不了需求，針對(duì)異形的榫槽需采取特殊的拉削方案。如某級(jí)渦輪盤由于直徑較大，需在外徑上拉削加工數(shù)百個(gè)特型榫槽，為確保渦輪盤每個(gè)榫槽與葉片的裝配精度，使發(fā)動(dòng)機(jī)推力不受影響，需研究制定特型榫槽*拉削設(shè)計(jì)方案，以滿足科研生產(chǎn)需求，延長(zhǎng)拉刀使用壽命，提高生產(chǎn)效率。
　　
　　零件概述
　　
　　1零件特型榫槽結(jié)構(gòu)
　　
　　被拉削零件材料為GH4169鎳基變形高溫合金，型面精度要求非常高，工作面輪廓度很嚴(yán)。被加工零件槽型見(jiàn)圖1所示。
　　
　　在渦輪盤直徑φ700mm的外圓上連續(xù)拉削160多個(gè)槽，拉削榫槽數(shù)量多，槽口小，型腔大，型腔寬度大約是槽口寬度的2倍。拉削長(zhǎng)度：10mm；拉削深度：7mm。若按常規(guī)設(shè)計(jì)型腔開(kāi)槽拉刀，拉刀的強(qiáng)度受制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)拉削加工成型。
　　
　　2零件材料理化性能分析
　　
　　零件材料為GH4169鎳基變形高溫合金，其主要化學(xué)成分和鍛件性能如表1、表2所示。



　　
　　該材料主要特點(diǎn)是具有良好的高溫性能，在切削時(shí)塑性變形功大，切削力大，導(dǎo)熱性差，切削區(qū)溫度高，加工硬化嚴(yán)重，易造成切削粘刀，形成積屑瘤，加快刀具磨損，使刀具壽命降低，影響加工表面質(zhì)量及精度[1]。
　　
　　拉刀設(shè)計(jì)方案及拉削方式
　　
　　在金屬拉削加工過(guò)程中，拉刀切削部分的工作條件往往是十分惡劣的。它不但要承受很大的拉削抗力和很高的切削溫度，而且還要經(jīng)受沖擊載荷和機(jī)械摩擦[2]。因此對(duì)拉刀提出更嚴(yán)格的要求。
　　
　　1拉刀設(shè)計(jì)方案
　　
　　拉刀設(shè)計(jì)中zui重要的是確定拉削方案，它將直接影響拉刀的結(jié)構(gòu)、拉刀制造的工藝性、拉削后的精度和光潔度、拉刀的耐用度和生產(chǎn)率的高低。
　　
　　1.1方案一：?jiǎn)蚊纨X拉削
　　
　　零件槽口寬3.7mm，粗開(kāi)槽刀給精拉刀單面留較小的拉削余量，那么粗拉削槽口寬3.5mm，開(kāi)槽刀側(cè)面有側(cè)隙角，因此開(kāi)到槽底寬為3.1mm，剖面線為型腔拉削部分，單面拉削余量大約2mm，如圖2所示。
　　
　　前面說(shuō)過(guò)槽底開(kāi)槽寬3.1mm，考慮拉削時(shí)留有空刀，粗拉型腔時(shí)拉刀寬取2.8mm，在此寬度上要開(kāi)刀齒容屑槽深1.5mm，刀體厚只有1.3mm,采用單面拉削，即先拉左邊槽，再拉右邊槽，沿P方向橫向進(jìn)刀，由于單面拉削受力不均，產(chǎn)生“讓刀”，拉削余量大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)拉削成型，如圖3所示。
　　
　　1.2方案二：雙面開(kāi)錯(cuò)齒拉削
　　
　　兩面沿橫向T方向同時(shí)進(jìn)刀拉削，雖然受力均勻，刀齒容屑槽深1.05mm，刀體厚只有1mm,容屑系數(shù)小，沒(méi)有足夠的容屑空間，拉刀強(qiáng)度低，易打刀劃傷零件及生產(chǎn)不安全隱患，重復(fù)刃磨使用性差，如圖4所示。
　　
　　雙面開(kāi)錯(cuò)齒拉削和偏置前角拉削3種拉削方案，經(jīng)分析研究確定采用偏置前角拉削方案。
　　
　　1.3方案三：偏置前角拉削
　　
　　采用3把偏置前角拉刀解決了上述前2種方案存在的問(wèn)題。垂直拉刀底面方向上開(kāi)拉刀齒距及容屑槽，不但增加拉刀強(qiáng)度，同時(shí)增大容屑系數(shù)。該方案需要8把拉刀，1~3把開(kāi)槽拉刀，4~6把偏置前角粗拉齒型拉刀，7~8把精拉齒形拉刀，如圖5所示。
　　
　　2拉削方式
　　
　　在設(shè)計(jì)拉刀中，拉削方式的優(yōu)劣將影響到拉刀的結(jié)構(gòu)，拉刀的制造工藝性，拉削后的零件型面的幾何精度、粗糙度以及拉刀調(diào)試時(shí)間的長(zhǎng)短。
　　
　　2.1漸切法
　　
　　粗開(kāi)槽刀與粗拉齒型刀采用漸切法。這種拉削方式是將拉刀齒形修整，形成每個(gè)刀齒兩側(cè)表面具有側(cè)隙角[3]，這樣給拉刀創(chuàng)造了zui有利的拉削條件，使之減少粘附，減少刀齒與被加工零件型面的摩擦。優(yōu)點(diǎn)是制造比成形法簡(jiǎn)單，齒距小，拉刀長(zhǎng)度短，拉刀切削刃有側(cè)隙角，減少了拉刀齒側(cè)面與被加工表面之間的磨擦，以避免金屬粘符在刀齒兩側(cè)副切削刃上，提高了拉刀的耐用度。
　　
　　2.2成形法
　　
　　拉刀每個(gè)齒切下的金屬層與被拉削表面zui后型面相似。優(yōu)點(diǎn)是拉刀定型齒的型面精度決定被拉型面的加工精度，因此容易獲得較高的幾何精度。根據(jù)上述原因，確定拉削方式為精刀用成形法，粗拉型面用漸切法。
　　
　　2.3拉削順序的確定
　　
　　由于此槽型面尺寸小，在數(shù)控拉床6m長(zhǎng)的zui大行程一次完成型面的粗精拉削工作，前半部分安裝粗拉刀（1~6把），后半部分安裝成型精拉刀（7~8把）。目的是消除由于零件材料受拉削力的影響，產(chǎn)生材料的“彈性變形”，如圖6所示。
　　
　　2.4拉削余量分配
　　
　　拉刀余量分配的是否合理直接影響到拉削后零件型面幾何精度、尺寸精度、及表面粗糙度高低，同時(shí)拉削余量的大小也是確定拉刀主要尺寸的依據(jù)。要留有適當(dāng)?shù)木嗔?，余量過(guò)大，將使拉刀齒數(shù)增多，拉刀過(guò)長(zhǎng)，但余量過(guò)小，則精拉不足以消除粗拉時(shí)分度誤差造成的偏移以及殘留的刀痕。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將粗拉齒刀給成型精刀單面留有一定的余量。
　　
　　拉刀的設(shè)計(jì)
　　
　　設(shè)計(jì)開(kāi)槽刀首先根據(jù)型面深度、齒距、齒升量確定拉刀總長(zhǎng)，考慮拉刀制造精度，開(kāi)槽拉刀的長(zhǎng)度應(yīng)≤600mm，粗開(kāi)槽拉刀3把，刀體25mm×30mm，開(kāi)槽拉刀參數(shù)見(jiàn)表3。


　　
　　粗開(kāi)齒型刀是完成與zui終精加工型面相似并給精拉削留有適當(dāng)余量的拉刀，此刀設(shè)計(jì)是拉削整體設(shè)計(jì)重要的步驟。精拉余量大，拉削時(shí)，拉削力較大，零件型面變形大，零件尺寸精度達(dá)不到，不易合格，如果精拉余量留小，由于粗精拉刀裝夾定位誤差及其他原因，易造成精拉余量不足使型號(hào)轉(zhuǎn)接不圓滑，零件表面質(zhì)量差。根據(jù)上述原因分析，粗開(kāi)齒型拉刀給型面精拉刀單面留適當(dāng)?shù)睦饔嗔?。這樣定3把粗開(kāi)齒型拉刀。
　　
　　1（第4~6把）齒型開(kāi)槽拉刀——偏置前角拉削
　　
　　刀齒是垂直拉刀高度方向開(kāi)的，刀齒深不受槽寬限制，增加足夠的容屑空間，有效提高拉刀強(qiáng)度，重復(fù)刃磨使用性好，延長(zhǎng)拉刀使用壽命，如圖7所示。
　　
　　在拉刀設(shè)計(jì)中，拉刀相鄰兩齒的高度差稱為齒升，一般情況下，齒升方向是垂直拉刀底面或垂直拉刀側(cè)面，形成切屑容在容屑槽內(nèi)，偏置前角齒升方向是與拉刀底面成50°的夾角，左右兩側(cè)同時(shí)拉削加工，見(jiàn)圖8（a）、（b）所示。圖8（a）為*刀齒型面，進(jìn)刀量是沿著H′方向進(jìn)升的，齒升量零點(diǎn)幾mm，在H′進(jìn)升的同時(shí)，H方向也隨著增高，但不切屑（開(kāi)槽已拉削完），刀寬也隨著加寬，垂直40°方向的尺寸（從*齒到zui后一齒）是變化的，經(jīng)過(guò)十幾個(gè)齒的逐漸拉削，圖8（b）為zui后刀齒型面，完成*把拉刀粗開(kāi)齒型。后2把類同，完成整個(gè)型腔粗拉削加工。由于是多刃拉削，刀脖強(qiáng)度差，拉刀須進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。
　　
　　2拉刀強(qiáng)度驗(yàn)算
　　
　　拉刀工作時(shí)，主要承受拉伸應(yīng)力，可按下式進(jìn)行校驗(yàn)：
　　
　　Fmax÷Amin≤σN/m2[4]，式中，F(xiàn)max為拉刀工作時(shí)的zui大拉削力（N）；Amin為拉刀上的危險(xiǎn)截面面積（m）；σ為拉刀材料的許用應(yīng)力（N/m2）。
　　
　　從拉削方案圖中可看出，第5把齒型開(kāi)槽拉刀所承擔(dān)拉削余量較大，需在危險(xiǎn)截面處進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，拉刀材料為W2Mo9Cr4VCo8（M42）,許用應(yīng)力σ約35~40kg/mm2,經(jīng)查資料，單齒單位長(zhǎng)度上的拉削力18.6kg/mm。
　　
　　zui大拉削力:Fmax=18.6×5.97144（切削刃總長(zhǎng)，mm）×3.275（同時(shí)工作齒數(shù)）=363.7502676kg；
　　
　　危險(xiǎn)截面：Amin=3.3mm×4.23mm=13.959mm；
　　
　　危險(xiǎn)截面拉刀強(qiáng)度：
　　
　　Fmax÷Amin=363.7502676kg÷13.959mm2=26.058kg/mm2＜σ=35~40kg/mm2。
　　
　　經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，危險(xiǎn)截面拉刀許用應(yīng)力僅小于拉刀材料許用應(yīng)力大約1/3，拉刀強(qiáng)度足夠，可進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖9所示。
　　
　　3精刀的設(shè)計(jì)
　　
　　精刀是zui終零件成型的拉刀，是拉刀設(shè)計(jì)zui關(guān)鍵的部分[5]，設(shè)計(jì)精拉刀時(shí)要考慮如下3方面。
　　
　?。?）能拉削出高質(zhì)量的型面。在精刀拉削時(shí)，精刀是zui后的成型刀具，它的精度高低直接影響到零件的質(zhì)量，所以精刀要求有較高的設(shè)計(jì)精度，保證能拉削出合格的零件型面及尺寸精度。
　　
　?。?）拉刀zui大輪廓尺寸的確定。在拉削時(shí)，由于零件受到不同方向拉削力的作用，即使*符合零件型面尺寸的拉刀也不一定加工出合格的零件型面，所以設(shè)計(jì)拉刀時(shí)，要根據(jù)零件型面不同方向受力情況加一定量的補(bǔ)嘗數(shù)值來(lái)確定拉刀的設(shè)計(jì)尺寸。
　　
　　（3）拉刀制造的工藝性。由于精刀是采用成形法拉削，需要對(duì)每個(gè)齒單獨(dú)進(jìn)行鏟磨，鏟磨時(shí)為了不碰傷后邊刀齒，便于砂輪的退出，要增大齒距，刀齒間的距離不能小于12mm。精拉刀第7~8把，齒距取12mm,同時(shí)能確保拉刀正常拉削，鏟磨后拉刀切削刃處要有足夠大的拉削后角，使之不產(chǎn)生積屑瘤，如有拉削刃與鏟方向平行，還需要調(diào)整鏟磨方向。
　　
　　拉削試驗(yàn)
　　
　　1選用設(shè)備及工藝參數(shù)
　　
　　設(shè)備：數(shù)控高速拉床；
　　
　　拉削速度：1.5m/min；
　　
　　冷卻油:嘉實(shí)多。
　　
　　2試驗(yàn)結(jié)果分析與討論
　　
　　特型榫槽拉刀的設(shè)計(jì)，開(kāi)槽3把，偏置前角齒型粗拉刀3把，精拉型面2把，經(jīng)拉削試件，在投影板進(jìn)行投影放大效果驗(yàn)證。結(jié)果表明：型面轉(zhuǎn)接圓滑，無(wú)接刀痕，表面精度高，滿足設(shè)計(jì)要求。偏置前角拉刀可重復(fù)修磨使用，降低刀具成本。但整個(gè)型面投影比槽型zui大型面（單面）大0.02mm，這是在設(shè)計(jì)中考慮材料的回彈、拉刀的制造與裝夾等誤差，將精拉刀第8把的第二段型面尺寸加大一定量的“補(bǔ)償值”。對(duì)于型面（單面）大0.02mm，解決的方法是通過(guò)修磨前刃面，使拉刀型面尺寸減小，再拉削投影檢查，直到投影檢查合格。圖10為拉削零件示意圖，在難加工材料直徑φ700mm多的外圓上，連續(xù)拉削160多個(gè)槽，拉刀刃口鋒利，拉削平穩(wěn)，安全可靠，加工精度高，拉刀壽命長(zhǎng)，生產(chǎn)效率高。
　　
　　試驗(yàn)表明：對(duì)拉削GH4169材料
　　
　　特型榫槽時(shí)，槽型淺、小，受拉削力小，彈性變量趨于零，所以在成型精拉刀設(shè)計(jì)中，不必加大型面尺寸的“補(bǔ)償值”。
　　
　　結(jié)束語(yǔ)
　　
　　對(duì)特型榫槽的“型腔”拉削，采用偏置前角兩方向齒升拉削去余量，改變了傳統(tǒng)單一方向齒升拉削，解決了型腔大，槽口小，拉屑無(wú)法排除及提高拉刀強(qiáng)度疑難問(wèn)題，從而使拉刀使用安全、可靠，可重復(fù)修磨使用，延長(zhǎng)了刀具使用壽命，滿足了零件設(shè)計(jì)精度要求，葉片與榫槽裝配互換性好。
　　
　　該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：由于拉刀在拉削過(guò)程中，切屑不可能從拉刀的齒間槽排出,而是要全部容納在齒槽中，隨著拉刀移動(dòng)，將拉屑帶出已加工表面，因此采用偏置前角拉削，有效提高拉刀強(qiáng)度，解決該特型榫槽拉屑排除問(wèn)題，對(duì)容屑槽的設(shè)計(jì)顯得格外重要。這種新穎的拉刀設(shè)計(jì)和制造是國(guó)內(nèi)外拉刀領(lǐng)域中的創(chuàng)新，該設(shè)計(jì)方案有推廣價(jià)值。

　　（來(lái)源：中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工裝制造廠）