CN102089106A - 切削树形沟槽的方法和旋转切削刀具 - Google Patents

Abstract

在树形沟槽的切削工序中，在粗糙切削工序中，通过使用粗糙切削刀具(20)以及切削锥形沟槽(2)，在计划沟槽形状(10)的第一窄部(11)、第二窄部(12)以及第三窄部(13)内进行切削，使得留下特定的切削公差。在以下半精加工工序中，通过使用半精加工刀具，对除了已经切削的三个窄部(11至13)之外的部分进行切削。由于工件材料(1)不与形成倒置圣诞树形的半精加工刀具的对应于三个窄部(11至13)的三个直径减小部分接触，所以在半精加工刀具的所有部分中抗冲击较弱的三个直径减小部分上不施加负载，且因此可使切削进给更快。此外，通过进行精加工工序，可高效地切削树形沟槽。

Description

切削树形沟槽的方法和旋转切削刀具

技术领域

本发明涉及一种切削树形沟槽的方法和一种旋转切削刀具，且具体涉及一种切削用于在转子外周上安装涡轮叶片的树形沟槽的方法和用于该切削方法的旋转切削刀具。

背景技术

通常，在制造用于发电机的涡轮转子的情况下，必须在转子的轴上形成涡轮叶片的基部插入其中的沟槽。通常，该沟槽具有杉树形轮廓或圣诞树形轮廓并通过凹割设有多个。该类树形沟槽相对于沟槽中心大致双侧对称，加工成使沟槽沿沟槽深度方向逐渐变窄，呈其中沟槽的宽度增加和减小的倒置的圣诞树形，并形成使得其中沟槽宽度变得较小的窄部与沟槽宽度变得较大的宽部交替。为了在单个过程中加工该类树形沟槽，可使用例如圣诞树形切具(参见例如专利文献1。)但是，由于在单个过程中形成复杂沟槽，在圣诞树形切具上施加重型负载并要求足够的耐用性。因此，已知其中不在单个过程中而通过多个工序形成树形沟槽的方法。

例如，图12中所示的已知树形沟槽形成工序包括四个工序：“锥形沟槽工序”、“T槽工序”、“半精加工工序”以及“精加工工序”。首先，在锥形沟槽工序中，通过锥形刀具110在工件材料1内切削锥形沟槽。接着，在T槽工序中，通过T槽刀具111在锥形沟槽的底部内切削T槽部分。然后，通过半精加工刀具112切削树形沟槽，使得相对于最终计划的沟槽形状留下特定的切削公差。最后，通过精加工刀具113一次切削留下的切削公差，沿完成的形状进行加工。这样，在工件材料1内形成树形沟槽。

专利文件1：日本公开专利公开第2001-71210导

在图12所示已知树形沟槽切削工序中，在半精加工工序中，通过朝向径向向内方向减窄的半精加工刀具112的直径减小部分分别形成完成形状内的窄部，但是，由于直径减小部分具有减小的直径，所以在切削期间在直径减小部分上可能施加负载，且直径减小部分可能断裂。为了防止负载施加到直径减小部分上，有不能使切削进给更快的问题，因此不能快速切削树形沟槽。此外，还有必须进行四个工序来形成一个树形沟槽的问题，这是耗时且低效的。

发明内容

作出本发明以解决上述问题，且本发明的目的是提供一种切削树形沟槽的方法和能够高效地切削树形沟槽的旋转切削刀具。

本发明提供一种切削树形沟槽的方法，树形沟槽是用于将涡轮叶片安装在转子外周上的沟槽，树形沟槽加工成使得树形沟槽相对于沟槽的中心双侧对称，且树形沟槽在沟槽宽度增加和减小的倒置圣诞树形内沿沟槽深度方向逐渐变窄，且树形沟槽交替地包括沟槽宽度变窄的窄部和沟槽宽度变宽的宽部，该方法的特征在于，该方法包括：在沿沟槽深度方向在横截面观察所要形成的树形沟槽的计划形状的情况下，粗糙切削步骤，该粗糙步骤切削其中沟槽宽度朝向沟槽深度方向变窄的锥形形状，同时对将变成窄部的部分留下特定的切削公差；半精加工步骤，该半精加工步骤进行切削使得对将变成宽部的部分留下特定的切削公差，同时避开已经留下切削公差的将变成窄部的部分；以及精加工步骤，该精加工步骤切削对将变成窄部的部分留下的切削公差和对将变成宽部的部分留下的切削公差。

附图说明

图1是树形沟槽5的剖视图。

图2是树形沟槽切削工序的流程图。

图3是示出粗糙切削工序的内容的示意性视图。

图4是粗糙切削刀具20的侧视图。

图5是由图3中的点划线51圈住部分的放大视图。

图6是示出半精加工工序的内容的示意性视图。

图7是半精加工刀具30的侧视图。

图8是沿轴向从尖端侧看的半精加工刀具30的视图。

图9是由图6中的点划线52圈住部分的放大视图。

图10是示出精加工工序的内容的示意性视图。

图11是示出评价试验结果的表。

图12是已知树形沟槽切削工序的流程图。

具体实施方式

此后，顺次参照附图解释作为本发明实施例的切削树形沟槽5的方法和用于该切削方法的各种类型的旋转切削刀具(20，30)。图1所示的树形沟槽5是用于在用作发电机的转子的外周上安装涡轮叶片的沟槽。

首先，解释树形沟槽5的形状。如图1所示，在工件材料1内形成的树形沟槽5相对于沟槽中心双侧对称，并形成使得沟槽宽度沿沟槽深度方向逐渐变窄，呈其中沟槽宽度增加和减小的倒置圣诞树形。在树形沟槽5的内周表面上，沿沟槽深度方向各窄部之间的间距形成第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13，使得各窄部的沟槽宽度逐渐增加。此外，在第一窄部11与第二窄部12之间形成第一宽部15，在第二窄部12与第三窄部13之间形成第二宽部16。第二宽部16的沟槽宽度比第一宽部15的沟槽宽度窄。此外，沿垂直于沟槽深度方向呈凸缘形状突出并形成倒置T形的T槽部分18形成在树形沟槽5的沟槽底部内。

接着，解释具有上述形状的树形沟槽5的切削工序。如图2所示，树形沟槽切削工序包括粗糙切削工序(S10)、半精加工工序(S11)以及精加工工序(S12)。此后，将按顺序详细解释这三个工序的内容。

首先，将解释粗糙切削工序(S10)。如图3所示，在假设在工件材料1内最终形成计划沟槽形状10(由双点划线表示)的情况下，则首先使用粗糙切削刀具20切削锥形沟槽2。将锥形沟槽2切削成锥形形状，使得锥形沟槽2沿计划沟槽形状10的沟槽深度方向朝向其尖端侧逐渐减小，并以直线方式切削后端侧。在计划沟槽形状10的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内进行切削，使得留下特定的切削公差50(参照图5)。

这里，与图12所示的已知工序相比，在已知锥形沟槽工序中，仅在工件材料1内形成锥形沟槽，且不对计划沟槽形状的各窄部进行切削，并在随后的半精加工工序中，对各窄部和宽部进行切削。另一方面，本实施例的粗糙切削工序具有的特征在于，通过切削锥形沟槽提前切削将成为第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13的各部分。

接着，将解释粗糙切削刀具20的构造。如图4所示，粗糙切削刀具20由柱形柄部21和切削刃部分22构成，切削刃部分沿柄部21的轴向方向设置在尖端部分上并形成大致锥形形状，其中直径以锥形方式朝向尖端侧变小。切削刃部分22由锥形部分24和直部分25构成，锥形部分24沿轴向形成在尖端侧上，直部分25沿轴向形成在后端侧上。

接着，将解释粗糙切削刀具20的各部分与锥形沟槽2的切削形状之间的关系。如上所述，在如图3所示的粗糙切削工序中，在计划沟槽形状10的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内进行切削，使得留下特定的切削公差50(参照图5)。具体来说，如图5所示，一边形成锥形沟槽2一边进行切削，使得在第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13的三个点留下特定的切削公差50。在该情况下，如果将三个点通过单个锥形连接，则能够使用已知常规锥形刀具(锥形端铣刀)110(参照图12)进行切削。但是，实际上，由于第三窄部13的沟槽宽度变得比所需要的宽，所以不能够一次性进行切削，使得在上述三个点处留下特定的切削公差50。

在本实施例的粗糙切削刀具20中，通过图4所示的锥形部分24和直部分25形成切削刃部分22。例如，即使不能通过单个锥形连接上述三个点，也可通过单个锥形连接三个点中的两个点。具体来说，在通过直部分25切削计划沟槽形状10的第一窄部11从而留下特定的切削公差50的情况下，可通过锥形部分24切削第二窄部12和第三窄部13，从而留下特定的切削公差50。

例如，当从侧面观察粗糙切削刀具20时，假设尖端的外周部分为点A，锥形部分24与直部分25之间边界的外周部分为点B，且柄部分21与切削刃部分22之间边界的外周部分为点C。在该情况下，如图5所示，通过连接点C和点B的直线部分进行切削，使得对第一窄部11留下特定的切削公差50。因而，可通过连接点A和点B的锥形直线部分进行切削，使得对第二窄部12和第三窄部13留下特定的切削公差50。因此，在粗糙切削工序中，使用粗糙切削刀具20，可在单个过程中形成锥形沟槽20，同时在第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13的三个点留下特定的切削公差50。

接着，将解释半精加工工序(S11)。如图6所示，在假设在工件材料1内最终形成计划沟槽形状10(由双点划线表示)，其中在粗糙切削工序(S10)中已形成锥形沟槽2(参照图3)的情况下，通过半精加工刀具30(参照图7)切削已形成倒置圣诞树形的初步精加工沟槽3。初步精加工沟槽3是呈倒置圣诞树形的沟槽，其中对计划沟槽形状10的所有部分留下特定的切削公差50。

接着，将解释半精加工刀具30的构造。如图7所示，半精加工刀具30由柱形柄部31、柱形本体部分32和切削刃部分33构成，柱形本体部分32沿柄部31的轴向设置在尖端部分处且直径比柄部31的直径大，切削刃部分33沿本体部分32的轴向设置在尖端部分并具有四个切削刃，形成使得切削刃呈其中宽度增加和减小的倒置圣诞树形朝向尖端侧逐渐变窄。凸缘部分35径向向外延伸，使得凸缘部分35与刀架(图中未示出)的插入孔的开口端接触和配合，凸缘部分35设置在柄部31与本体部分32之间。

如图7和图8所示，切削刃部分33包括四个切削刃单元71至74。切削刃单元71至74各形成使得切削刃单元71至74沿轴向从后端侧在其直径增加和减小的同时朝向尖端侧逐渐变小。如图7所示，在切削刃单元71至74上，形成第一直径减小部分41、第二直径减小部分42和第三直径减小部分43，各直径减小部分之间有间隔，沿轴向从后端侧朝向尖端侧使得其直径逐渐减小。此外，第一直径扩大部分45设置在第一直径减小部分41与第二直径减小部分42之间，第二直径扩大部分46设置在第二直径减小部分42与第三直径减小部分43之间，且它们的直径逐渐变小。

此外，如图7所示，沿垂直于轴向方向突出的圆形突出部分48设置在切削刃部分33的尖端上。当沿轴向从尖端侧观察切削刃部分33时，形成L形的各沟槽67(参见图7和图8)分别设置在切削刃单元71与72之间、切削刃单元72与73之间、切削刃单元73与74之间以及切削刃单元74与71之间，使得各沟槽67平行于轴向。

此外，如图7所示，依次以台阶形式形成以减小与工件材料1的接触摩擦并改进碎屑去除的多个缺口61形成在第一直径减小部分41、第一直径扩大部分45、第二直径扩大部分46以及突出部分48上，使得多个缺口61彼此平行。通过沿径向向内减小其直径防止第二直径减小部分42和第三直径减小部分43与工件材料1接触，因此在它们上不形成缺口61。

接着，将解释半精加工刀具30的各部分与初步精加工沟槽3的切削形状之间的关系。如图6所示，在半精加工工序中，如上所述，在单个过程中进行切削，从而对计划沟槽形状10的所有部分留下特定的切削公差50。此时在粗糙切削工序(S10)中已形成的锥形沟槽2内(参照图3和图5)，在计划沟槽形状10的所有部分中，在第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内已通过粗糙切削刀具20进行切削，使得留下特定的切削公差50。换言之，在半精加工工序中，无需切削已经切削的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13。因此，可仅切削第一宽部15、第二宽部16以及T槽部分18，使得留下特定的切削公差50。

在如图9所示通过半精加工刀具30进行切削的情况下，第一直径减小部分41对应于计划沟槽形状10的第一窄部11，第二直径减小部分42对应于计划沟槽形状10的第二窄部12，且第三直径减小部分43对应于计划沟槽形状10的第三窄部13。此外，第一直径扩大部分45对应于计划沟槽形状10的第一宽部15，第二直径扩大部分46对应于计划沟槽形状10的第二宽部16，且突出部分48对应于计划沟槽形状10的T槽部分18。

因而通过半精加工刀具30的直径扩大部分45切削计划沟槽形状10的第一宽部15，使得留下特定的切削公差50，通过第二直径扩大部分46切削计划沟槽形状10的第二宽部16，使得留下特定的切削公差50，并通过突出部分48切削计划沟槽形状10的T槽部分18，从而留下特定的切削公差50。计划沟槽形状10的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内已经切削成使得留下特定的切削公差50。

因此，半精加工刀具30的第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43不与工件材料1接触。于是，不在第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43上施加负载，这些部分在半精加工刀具30的所有部分中抗震性相对弱。因而，可抑制在加工期间产生的震颤噪声和振动，且可不必考虑切削期间半精加工刀具30可能断裂。此外，由于通过抗冲击相对强的第一直径扩大部分45、第二直径扩大部分46以及突出部分48进行切削，通过半精加工刀具30的切削进给可以更快。因此，可高效地进行半精加工工序的作业。

接着，将解释精加工工序(S12)。如图10所示，通过形成倒置圣诞树形的精加工刀具40沿计划沟槽形状10对在半精加工工序(S11)中已经形成初步精加工沟槽3的工件材料1进行切削，从而一次性切去特定的切削公差50。这样，树形沟槽5的切削工序结束。

如上所述，在根据本实施例的树形沟槽5的切削工序中，在粗糙切削工序(S10)中，通过使用粗糙切削刀具20以及切削锥形沟槽2，在计划沟槽形状10的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内进行切削，使得留下特定的公差50。因而，在以下在半精加工工序(S11)中，通过使用半精加工刀具30，可切削除了已经切削的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13之外的部分。换言之，已经切削的第一窄部11、第二窄部12和第三窄部13不与形成倒置圣诞树形的半精加工刀具30的第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43的各直径减小部分接触，从而减小在半精加工刀具30的所有部分中抗冲击相对弱的第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43上的应力集中，且不在各直径减小部分上施加负载。于是，可将毛刺减少到最少，可增强抗断裂性并可进行稳定的加工。此外，能够延长半精加工刀具30的刀具寿命。此外，能够抑制加工期间产生的震颤噪声和振动。

此外，由于通过抗冲击相对强的第一直径扩大部分45、第二直径扩大部分46以及突出部分48进行切削，通过半精加工刀具30的切削速度可以更快。因此，可高效地进行半精加工工序的作业，且因此可高效地进行树形沟槽5的切削。此外，在粗糙切削工序(S10)中进行现有技术中在半精加工工序(参照图12)中进行的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13的切削，在半精加工工序(S11)中进行现有技术中在T槽工序(参照图12)中进行的T槽部分18的切削，从而能够将工序数量从现有技术中的4个减少到3个。于是，可高效地进行树形沟槽5的切削。

接着，为了评估根据本实施例的树形沟槽5的切削工序，在半精加工工序中在使用半精加工刀具30(本发明的产品)的新型方法与使用半精加工刀具112(已知产品)的已知方法之间进行比较。在该比较测试中，分别测量在新型方法中在半精加工工序中使用半精加工刀具30情况下的切削进给与在已知方法中在半精加工工序中使用半精加工刀具112情况下的切削进给。下表1中示出每个刀具的条件(切削刃的直径和数量)和切削条件(切削速度、每个切削刃的进给以及旋转速度)。

[表1]

具体来说，对本发明产品的设置是直径为20.5毫米，切削刃的数量是四个刃，切削速度是每分钟20毫米，每个切削刃的进给为每个刃0.03毫米，且旋转速度为310.6min^-1。另一方面，对已知产品的设置是直径为20.5毫米，切削刃的数量是四个刃，切削速度是每分钟20毫米，每个切削刃的进给为每个刃0.02毫米，且旋转速度为310.6min^-1。

如图11和表1所示，在使用已知产品的情况下切削速度(mm/min)为每分钟24.8毫米，而使用本发明产品的情况下切削速度(mm/min)为每分钟37.3毫米。在使用已知产品的方法中，在半精加工工序中，必须通过半精加工刀具112切削树形沟槽，使得对最终计划沟槽形状的所有部分留下特定的切削公差。由于半精加工刀具112的直径减小部分具有减小的直径，所以在切削期间可在各直径减小部分上施加负载。因而，为了防止负载施加在直径减小部分上，不能增加切削进给。

另一方面，在使用本发明产品的方法中，在粗糙切削工序中，计划沟槽形状10的第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13内已经切削成留下特定的切削公差50。因此，已经切削的第一窄部11、第二窄部12和第三窄部13不与本发明产品的半精加工刀具30的第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43的各直径减小部分接触，从而不在半精加工刀具30的所有部分中抗冲击相对弱的第一直径减小部分41、第二直径减小部分42以及第三直径减小部分43上施加负载。因而，认为通过半精加工刀具30的切削进给可能更快，因为仅通过抗冲击相对强的第一直径扩大部分45、第二直径扩大部分46以及突出部分48进行切削。

在上述实施例中，作为本发明的“旋转切削刀具”的粗糙切削刀具20、半精加工刀具30和精加工刀具40可以是例如端铣刀或侧切具。

显然可对本发明进行各种类型的变型。例如，在上述实施例中，在粗糙切削工序中，提前切削第一窄部11、第二窄部12以及第三窄部13的所有窄部，使得留下特定的切削公差50，但是，可切削位于沟槽宽度显著窄的沟槽底侧上的至少两个窄部。因此，能够防止负载施加在位于直径显著小的半精加工刀具20的尖端侧上的至少两个直径减小部分。

工业应用

本发明的切削树形沟槽的方法和旋转切削刀具并不限于树形沟槽，且可应用于对通过凹割设置成多个的沟槽形状进行切削的情况。

Claims (5)

1.一种切削树形沟槽的方法，所述树形沟槽是用于将涡轮叶片安装在转子外周上的沟槽，所述树形沟槽加工成使得所述树形沟槽相对于所述沟槽的中心双侧对称，且所述树形沟槽在沟槽宽度增加和减小的倒置圣诞树形内沿沟槽深度方向逐渐变窄，且所述树形沟槽交替地包括所述沟槽宽度变窄的窄部和所述沟槽宽度变宽的宽部，其特征在于，所述方法包括：

在沿所述沟槽深度方向在横截面内观察所要形成的所述树形沟槽的计划形状的情况下，

粗糙切削步骤，所述粗糙步骤切削其中所述沟槽宽度朝向所述沟槽深度方向变窄的锥形形状，同时对将变成所述窄部的部分留下特定的切削公差；

半精加工步骤，所述半精加工步骤进行切削使得对将变成所述宽部的部分留下特定的切削公差，同时避开已经留下所述切削公差的将变成所述窄部的所述部分；以及

精加工步骤，所述精加工步骤切削对将变成所述窄部的所述部分留下的所述切削公差和对将变成所述宽部的所述部分留下的所述切削公差。

2.如权利要求1所述的切削树形沟槽的方法，其特征在于：

所述树形沟槽是在所述沟槽的底部内具有凸缘型T槽部分的沟槽，

在所述半精加工步骤中切削将变成所述T槽部分的部分，同时留下特定的切削公差，以及

在所述精加工步骤中切削对将变成所述T槽部分的所述部分留下的所述切削公差。

3.如权利要求1或2所述的切削树形沟槽的方法，其特征在于：

所述窄部包括朝向所述沟槽深度方向依次形成的第一窄部、第二窄部和第三窄部，所述第二窄部具有比所述第一窄部窄的沟槽宽度，且所述第三窄部具有比所述第二窄部窄的沟槽宽度，

所述宽部包括第一宽部、第二宽部和第三宽部，所述第一宽部形成在所述第一窄部与所述第二窄部之间，且所述第二宽部形成在所述第二窄部与所述第三窄部之间并具有比所述第一宽部窄的沟槽宽度，

在所述粗糙切削步骤中，在沿所述沟槽深度方向在横截面内观察所述计划形状的情况下，进行

第一加工，在所述第一加工中，沿平行于所述沟槽深度方向进行切削直到将变成所述第一窄部的部分，同时对将变成所述第一窄部的所述部分留下所述特定的切削公差，以及

第二加工，在所述第二加工中，在对将变成所述第二窄部的部分和将变成所述第三窄部的部分留下所述特定的切削公差的同时，从将变成所述第一宽部的部分到将变成所述树形沟槽的底部的部分进行切削，切削成连接将变成所述第二窄部的所述部分与将变成所述第三窄部的所述部分的锥形，对所述部分中的每个留下所述切削公差，

且在所述半精加工步骤中，

切削将变成所述第一宽部的所述部分和将变成所述第二宽部的部分，使得留下所述特定的切削公差，同时避开将变成所述第一窄部的所述部分、将变成所述第二窄部的所述部分以及将变成所述第三窄部的所述部分。

4.一种用于如权利要求3所述切削树形沟槽方法的所述粗糙切削步骤中的旋转切削刀具，其特征在于：

所述旋转切削刀具包括：

刀具本体，所述刀具本体可绕轴线旋转；以及

切削刃部分，所述切削刃部分设置在所述刀具本体的尖端上；

所述切削刃部分包括：

柱形部分；以及

锥形部分，所述锥形部分设置在所述柱形部分的尖端上并具有直径沿轴向朝向尖端减小的锥形形状，

通过所述柱形部分进行所述第一加工，以及

通过所述锥形部分进行所述第二加工。

5.一种用在如权利要求3所述的切削树形沟槽的方法的所述半精加工步骤中的旋转切削刀具，所述刀具的直径朝向刀具尖端侧逐渐减小，使得所述直径对应于所述树形沟槽的所述沟槽宽度的变化而增加和减小，其特征在于，所述旋转切削刀具包括：

第一直径减小部分，所述第一直径减小部分不与在所述粗糙切削步骤中加工成留下所述切削公差的将变成所述第一窄部的部分接触；

第二直径减小部分，所述第二直径减小部分不与在所述粗糙切削步骤中加工成留下所述切削公差的将变成所述第二窄部的部分接触；

第三直径减小部分，所述第三直径减小部分不与在所述粗糙切削步骤中加工成留下所述切削公差的将变成所述第三窄部的部分接触；

第一直径扩大部分，所述第一直径扩大部分切削将变成所述第一宽部的所述部分，使得留下所述特定的切削公差；以及

第二直径扩大部分，所述第二直径扩大部分切削将变成所述第二宽部的所述部分，使得留下所述特定的切削公差。

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