CN103418822A - 汽轮机转子轮槽粗铣刀及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮机转子轮槽粗铣刀及其制造工艺，该铣刀包括整体结构的刃部和柄部，所述刃部周向均匀分布有若干个呈螺旋型线布置的切削刃；所述刃部沿铣刀轴向分层三阶设置，切削刃包括交错布置的主刃和副刃，主刃为贯穿第一阶部分和第二阶部分的全刃、采用开分屑槽的尖齿后波刃结构，副刃第一阶部分为高度低于主刃第一阶部分的凸台、第二阶部分采用不开分屑槽的尖齿后角结构；刃部的第三阶部分为可修磨部分。本发明有利于解决大直径位置金属去除量大、切削行程长、易崩刃的不足，增强刀具的安全性和可靠性；使用铣刀加工过程平稳、效率高，具有优异的抗崩刃性能，适用于各类V型粗开槽；刀具的重复利用率高，可再生修磨3~5次，节约刀具费用。

Description

汽轮机转子轮槽粗铣刀及其制造工艺

技术领域

本发明涉及金属切削刀具技术领域，具体是一种抗崩刃性能优异的汽轮机转子轮槽粗铣刀及其制造工艺。

背景技术

传统汽轮机转子轮槽加工一般分为三个工步：粗加工（V型粗铣刀又称波刃锥度铣刀、半精加工（圣诞树半精铣刀）和精加工（圣诞树精铣刀）。其中，粗加工的切削余量最大，占轮槽加工余量的80%以上，是决定加工效率的关键工步。后波刃锥度铣刀广泛应用于机械、航空和船舶等装备行业。制造该类铣刀的刀具材料主要有两大类：高速钢和硬质合金。高速钢后波刃锥度铣刀在铣削时生产效率低，走刀慢，增大进给量会增大切削力进而产生振动，刃口易磨损，耐用度不高。在转子轮槽粗加工中，后波刃高速钢锥度铣刀的下刀方式一般是采用2～3次下刀，需要多次切削才能完成粗加工，该类铣刀已经无法满足生产对高效加工的-需求。而硬质合金具有红硬性好、硬度高、更耐磨等特点，但是由于硬质合金材料脆性较大，在使用过程中，切削刃易破损而使得刀具安全性和可靠性降低，缩短刀具寿命。另外，硬质合金材料价格昂贵，成本高，所以设计时需要考虑该铣刀的修磨次数，提高材料的重复利用率。

市面上的普通硬质合金后波刃锥度铣刀属于标准刀具，如图4、5所示，一般采用全主刃结构，后波刃采用铲齿5的结构，法向前角α’绝大多数为正前角。相比于高速钢后波刃锥度铣刀，无论从切削参数还是下刀方式，硬质合金后波刃锥度铣刀都具有更高的加工效率。但是，采用现有技术制造的硬质合金铣刀由于几何参数、结构以及加工工艺等原因使得刀具在使用过程中容易崩刃，导致刀具耐用度低，安全性和可靠性明显不如高速钢铣刀。这些问题严重制约了转子轮槽的加工效率，影响加工过程的安全性，也限制了该类铣刀的大范围推广应用。

以上问题的出现对硬质合金后波刃锥度铣刀提出了更加严格的技术要求，有必要进行优化设计，提升刀具的抗崩刃性能。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种汽轮机转子轮槽粗铣刀及其制造工艺，该铣刀具有优异的抗崩刃性能，明显提高了加工效率及切削过程中的安全性和可靠性。

本发明所采用的技术方案是：

汽轮机转子轮槽粗铣刀，包括整体结构的刃部和柄部，所述刃部周向均匀分布有若干个呈螺旋型线布置的切削刃；所述刃部沿铣刀轴向分层三阶设置，切削刃包括交错布置的主刃和副刃，主刃为贯穿第一阶部分和第二阶部分的全刃、采用开分屑槽的尖齿后波刃结构，副刃第一阶部分为高度低于主刃第一阶部分的凸台、第二阶部分采用不开分屑槽的尖齿后角结构；刃部的第三阶部分为可修磨部分。

所述切削刃的前角采用负前角，其法向前角为-2°～ -8°。

所述切削刃的第一阶后角为6°～ 8°，第二阶后角为12°～15°。

所述相邻切削刃之间的容屑槽是等螺旋角的螺旋槽，等螺旋角为25°～35°。

所述切削刃前端的钝化刃口半径为为0.025 ～ 0.035mm。

所述可修磨部分的轴向长度大于15mm，铣刀加工时的砂轮切出位置至刃部末端的距离为5mm～10mm。

所述主刃上的分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm。

所述铣刀采用超细晶粒硬质合金材料制得，刃部表面涂层为PVD纳米复合涂层。

所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀的制造工艺，包括以下具体步骤：

（1）毛坯准备：根据铣刀图纸要求，将刃部加工成具有前端锥度切削刃和后端圆柱状可修磨部分的毛坯，并预成型刃部周向的螺旋容屑槽，对刃部的前刀面和后刀面留有余量，柄部各尺寸精磨准确，并符合国家标准；

（2）粗磨容屑槽：在刃部表面粗加工出主刃和副刃，为精磨前刀面稍微留些余量，表面光洁度Ra3.2；

（3）精磨主刃的前刀面：表面光洁度Ra0.4；

（4）粗磨切削刃的第二阶部分：使得主刃和副刃第二阶后角为12°～15°，表面光洁度Ra3.2；

（5）精磨切削刃的第一阶部分：使得主刃和副刃的第一阶后角为6°～ 8°，且副刃的第一阶部分为高度低于主刃第一阶部分的凸台，表面光洁度Ra0.4；

（6）在主刃表面开分屑槽；后波刃采用尖齿结构，分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm；

（7）将刃口钝化：刃口钝化半径为0.025～0.035mm；

（8）抛光：将刃口及前刀面表面光洁度<Ra0.4。

本发明所产生的有益效果是：

本发明的汽轮机转子轮槽粗铣刀采用双层结构，重新分配大端部位每齿的实际切削余量，使大部分金属去除量由副刃承担，明显改善分屑槽刃口应力状态，有利于保护切削刃；主刃开分屑槽使切屑细小，利于排屑；副刃不开分屑槽，保证刃口强度，对提高刃口抗崩刃性能有利。刃口法向前角设置为负前角，有利于减小前刀面拉应力，而增加压应力；PVD纳米多层复合涂层AlTiN，具有良好的硬度和抗氧化性能，涂层残余应力控制为压应力，为实现高效加工提供保证， 25°～35°螺旋角使得切削刃逐步切入，利于切削过程的平稳。

本发明的汽轮机转子轮槽粗铣刀具有优异的抗崩刃性能，在生产使用过程中切削平稳、切削力小、能有效提高加工效率，可以广泛范围地运用在各种锥度、直径的铣刀上和V型粗开槽加工工艺中。在高进给速度的切削场合下，刀具振动小，排屑通畅。同时，与市面上普通硬质合金后波刃锥度铣刀相比较，加工效率提高一倍，刀具耐用度提高1倍，可与国外进口铣刀性能相媲美，价格仅仅只有其1/3。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明

图1 为本发明的汽轮机转子轮槽粗铣刀的结构示意图；

图2 为本发明铣刀法向剖面的几何参数示意图；

图3为图2的A局部放大示意图；

图4为现有技术后波刃锥度铣刀法向剖面几何参数示意图；

图5为图4的B局部放大示意图；

图中标号表示：1-主刃、2-副刃、3-砂轮切出位置、4-柄部、

-第一阶部分、

-第二阶部分、

-第三阶部分、5-铲齿、α-法向前角、β-后角、r-钝化刃口半径。

具体实施方式

本发明是一种汽轮机转子轮槽粗铣刀，包括整体结构的刃部和柄部4，本具体实施方式中，汽轮机转子轮槽粗铣刀采用超细晶粒硬质合金材料制得，刃部表面涂层，该涂层为PVD纳米复合涂层。本具体实施方式中，刀具材料为超细颗粒硬质合金，该超细颗粒硬质合金的硬度HV(30)≥1500、抗弯强度≥4000MPa、断裂韧性≥10 MPa∙m^(1/2)；涂层为PVD纳米复合涂层，该涂层材料为AlTiN、涂层厚度为2～3μm，抗氧化温度>900℃、涂层残余应力控制为压应力。

刃部周向均匀分布有若干个呈螺旋型线布置的切削刃，相邻切削刃之间的容屑槽是等螺旋角的螺旋槽，等螺旋角为25°～35，本具体实施方式中，容屑槽（螺旋槽）采用右旋设计。

刃部沿铣刀轴向分层三阶

、

和

设置。刃部的第三阶部分

为汽轮机转子轮槽粗铣刀的可修磨部分，使得本发明的汽轮机转子轮槽粗铣刀在使用一段时间磨损后，还可以可重磨利用。本具体实施方式中，第三阶部分

（即可修磨部分）的轴向长度大于15mm，铣刀加工时的砂轮切出位置3至刃部末端的距离为5mm～10mm，使得汽轮机转子轮槽粗铣刀重复利用率高，可再生修磨3～5次，节约刀具费用。

切削刃包括交错布置在刃部的第一阶部分

、第二阶部分

和第三阶部分

前半（刃部从前端至砂轮切出位置3之前的部分）上的主刃1和副刃2。具体的：主刃1为贯穿第一阶部分

和第二阶部分

的全刃、采用开分屑槽的尖齿后波刃结构；副刃2的第一阶部分

为高度低于主刃1的第一阶部分

的凸台、第二阶部分采用不开分屑槽的尖齿后角结构。刃部的第二阶部分

采用开分屑槽的主刃1和不开分屑槽的副刃2相结合的方式，重新分配各齿间的金属去除量，使得刀具大直径位置的大部分切削余量由副刃2承担，保护主刃1的分屑槽刃口。

主刃1和副刃2的具体参数如下：切削刃的前角采用负前角，其法向前角α为-2°～ -8°。切削刃的第一阶部分

的后角β1为6°～ 8°，第二阶部分

的后角β2为12°～15°。切削刃的刃口进行钝化处理，即切削刃前端钝化刃口半径r为为0.025 ～ 0.035mm。主刃1上的分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm。

本发明的创新之处在于：根据汽轮机转子轮槽粗铣刀的大端直径D与小端直径d的比值，分配第一阶部分

和第二阶部分

的比例，设计全刃结构的主刃1和半刃结构的副刃2，使得第一阶部分

的切削齿数量是第二阶部分

的切削齿数量的2倍。这种结构有利于解决大直径位置金属去除量大、切削行程长、易崩刃的不足，增强刀具的安全性和可靠性。该铣刀加工过程平稳、效率高，具有优异的抗崩刃性能，同时能提高刀具耐用度，适用于各类V型粗开槽。经过切削实验和生产现场使用，与普通结构的硬质合金锥度铣刀相比，刀具耐用度提高1倍以上。

本发明汽轮机转子轮槽粗铣刀的制造工艺，包括以下具体步骤：

（1）毛坯准备：根据铣刀图纸要求，将刃部加工成具有前端锥度切削刃和后端圆柱状可修磨部分的毛坯，并预成型刃部周向的螺旋容屑槽，对刃部的前刀面和后刀面留有余量，柄部4各尺寸精磨准确，并符合国家标准；具体的：准备汽轮机转子轮槽粗铣刀的硬质合金毛坯准备，其目的是减少磨削余量，增加磨削效率，提高砂轮寿命。

（2）粗磨螺旋容屑槽：在刃部表面粗加工出主刃1和副刃2，为精磨前刀面稍微留些余量，表面光洁度Ra3.2；

（3）精磨主刃1的前刀面：使得主刃1的法向前角α为-2°～ -8°，表面光洁度Ra0.4；

（4）粗磨切削刃的第二阶部分：使得主刃1和副刃2第二阶后角β2为12°～15°，表面光洁度Ra3.2；

（5）精磨切削刃的第一阶部分：使得主刃1和副刃2的第一阶后角β1为6°～ 8°，且副刃2的第一阶部分为高度低于主刃1前半部分的凸台，表面光洁度Ra0.4；

（6）在主刃1表面开分屑槽；后波刃采用尖齿结构，分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm；

（7）将主刃1的刃口钝化：刃口1钝化半径r为0.025～0.035mm；

（8）抛光：将主刃1的刃口及前刀面表面光洁度<Ra0.4。

本具体实施方式中：在此步骤后，还要在硬质合金制得的刃部表面制备PVD纳米复合涂层，涂层材料为AlTiN、厚度2～3μm、抗氧化温度>900℃，涂层残余应力控制为压应力。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1. 汽轮机转子轮槽粗铣刀，包括整体结构的刃部和柄部，所述刃部周向均匀分布有若干个呈螺旋型线布置的切削刃；其特征在于：所述刃部沿铣刀轴向分层三阶设置，切削刃包括交错布置的主刃和副刃，主刃为贯穿第一阶部分和第二阶部分的全刃、采用开分屑槽的尖齿后波刃结构，副刃第一阶部分为高度低于主刃第一阶部分的凸台、第二阶部分采用不开分屑槽的尖齿后角结构；刃部的第三阶部分为可修磨部分。

2.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述切削刃的前角采用负前角，其法向前角为-2°～ -8°。

3.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述切削刃的第一阶后角为6°～ 8°，第二阶后角为12°～15°。

4.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述相邻切削刃之间的容屑槽是等螺旋角的螺旋槽，等螺旋角为25°～35°。

5.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述切削刃前端的钝化刃口半径为为0.025 ～ 0.035mm。

6.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述可修磨部分的轴向长度大于15mm，铣刀加工时的砂轮切出位置至刃部末端的距离为5mm～10mm。

7.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀，其特征在于：所述主刃上的分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm。

8.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀的制造工艺，其特征在于：所述铣刀采用超细晶粒硬质合金材料制得，刃部表面涂层为PVD纳米复合涂层。

9.根据权利要求1所述的汽轮机转子轮槽粗铣刀的制造工艺，其特征在于：包括以下具体步骤：

（1）毛坯准备：根据铣刀图纸要求，将刃部加工成具有前端锥度切削刃和后端圆柱状可修磨部分的毛坯，并预成型刃部周向的螺旋容屑槽，对刃部的前刀面和后刀面留有余量，柄部各尺寸精磨准确，并符合国家标准；

（2）粗磨容屑槽：在刃部表面粗加工出主刃和副刃，为精磨前刀面稍微留些余量，表面光洁度Ra3.2；

（3）精磨主刃的前刀面：表面光洁度Ra0.4；

（4）粗磨切削刃的第二阶部分：使得主刃和副刃第二阶后角为12°～15°，表面光洁度Ra3.2；

（5）精磨切削刃的第一阶部分：使得主刃和副刃的第一阶后角为6°～ 8°，且副刃的第一阶部分为高度低于主刃第一阶部分的凸台，表面光洁度Ra0.4；

（6）在主刃表面开分屑槽；后波刃采用尖齿结构，分屑槽为圆弧形，波距为1.5mm～2.0mm，波深为0.2～0.3mm；

（7）将刃口钝化：刃口钝化半径为0.025～0.035mm；

（8）抛光：将刃口及前刀面表面光洁度<Ra0.4。

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