图1 叶根轮槽型线图

1 加工难点分析

1. 加工方法及刀具的选择问题。由于枞树型叶根轮槽形状复杂且精度要求高，通常采用成型法加工，主要方法包括成形拉削和成形铣削两种。轮槽拉削效率较高，但需在专业拉床设备上完成，适合盘状叶轮的加工，且轮槽拉刀价格昂贵，制造及修磨难度较大。对于整锻转子，目前尚不具备轮槽拉削的工艺条件和能力。采用成形铣削加工，是目前行业内最常用的加工方法。根据轮槽的大小及形状一般采用3刀或4刀的加工方法(如图2所示为4刀铣削方法，其中包括：开槽、粗铣头部型线、粗铣型线和精铣，粗铣头部型线主要是针对头部比较大的轮槽)。其主要原因是由于轮槽最窄处尺寸较小，铣刀对应部位因刀具容屑槽等结构尺寸的限制，刀具的结构强度和容屑能力受到限制，如直接采用成型粗铣进行粗加工，由于切削量大，容易因切削抗力、振动过大及切屑阻塞导致刀具断裂。因此，对于大部分生产厂家，为确保安全大多采用3刀或4刀的加工方法。但是，上述加工方法，无论是刀具成本还是加工成本都相对较高，特别是生产周期较长，不适合我公司生产周期的要求，需要寻求既能缩短加工时间，降低生产费用，又能确保加工质量的方法。因此，直接采用2刀加工——成型粗、精加工的方法成为了必然的选择，关键是如何可靠地防止粗加工时的断刀问题。
2. 刀具寿命与精度问题。从表1中可以发现，叶根槽的轮廓度公差范围在0.07～0.10，主、次工作面间的间距误差范围在0.0091～0.013，产品精度要求很高，对于成形铣削加工而言，除设备及装夹精度外，刀具精度是加工精度的主要的影响因素。实际操作时，在确保刀具精度的同时还希望刀具具有尽可能长的切削寿命和多的修磨次数，以降低刀具成本。一般来说，影响刀具使用寿命的因素主要包括以下几个方面：
   1. 刀具公差带的设置。对于精加工刀具，在考虑刀具装夹跳动因素的前提下，刀具公差带设置应使刀具具有尽可能大的轮廓，以使刀具有更多的修磨余量，从而增加修磨次数，降低成本。
   2. 选择合理的刀具铲背量。较大的铲背量虽然可改善切削性能，但是，由于产品公差带较窄，较大的铲背后角使得修磨时刀具尺寸变化相对较大，导致刀具修磨次数的减少。而过小的铲背后角，会使刀具与工件被加工表面的磨擦加剧，从而加快刀具磨损，造成加工表面的质量及刀具寿命下降。
   3. 刀具材料及表面镀层的性能对刀具的寿命及加工质量也有较大影响。
   4. 刀具振动对刀具寿命和加工精度也会产生较大的影响。影响刀具振动的因素很多，包括机床主轴刚性、夹具及整个工艺系统刚性、刀具的几何角度、切削参数等。因此，在确定加工方法及刀具切削参数时要进行充分的试验与分析。1000MW给水泵汽轮机转子轮槽的加工对我公司来说是一个新的挑战，对技术人员和操作人员也是一种新的考验。本文根据转子轮槽的结构特征和所分析的加工难点问题，对轮槽铣刀进行一定的改进设计。

图3 公差带图解

2 刀具选择与设计

1. 断刀解决方法。断刀问题主要出现在粗加工过程中，因此对粗铣刀采用了后波刃形式，这样可使切屑成细丝状，从而使切削力减小30%~40%，同时切屑也容易在切削液的冲刷下被排出，防止因切屑堵塞引起刀具断裂。同时设计了一定的前角和螺旋角，使刀具更锋利，切削过程更平稳，可防止刀具因切削力、振动过大引起断裂。
2. 公差带设置。叶根槽的轮廓度公差范围在0.07～0.10mm，机床径向跳动0.005mm，刀具跳动0.005mm，为确保机床及刀具跳动不会引起工件尺寸超差，将刀具安全裕度的最小极限设为0.01mm，刀具公差设为0.01，使刀具轮廓尺寸尽可能大，如图3，这样可以在保证轮槽加工精度的同时，提高刀具寿命。
3. 铲背量的确定。为了保证工件表面质量和提高刀具寿命，铲背量的大小以修磨3次，总修磨量到0.45mm～0.6mm为依据进行确定。
4. 材料及镀层选择。刀具材料采用粉末高速钢CPM，其韧性、硬度、可磨削性好。镀层采用复合多层涂层TiCN，其抗粘结、耐热性、耐磨性好。
5. 刀具参数确定。在经过多次对工件进行分析，最后确定各型号铣刀的主要参数如表2所示。

   
   图4 标准叶根样块

3 工艺过程设计

4 结束语