CN1136289A - 一种沿一条主轴延伸的涡轮叶片型面的铣削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种从一个工件(5)铣削一种具有一个凸的吸入侧(3)和一个凹的压力侧(4)的沿一个主轴(1)延伸的涡轮叶片型面(2)的方法。吸入侧(3)利用一个所属的绕一个所属转轴(6)旋转的铣刀(7)来铣削，该铣刀(7)具有一个圆环形的、平的端面(8)、它是一种带有至少一个切削刃(9)的旋转装置，其中，铣刀(7)和工件(5)大致垂直于主轴相对运动，其中，切削刃(9)位于端面(8)内，而端面(8)与要铣削的吸入侧(3)相切并且该吸入侧与一条与主轴(1)成锐角的接触线(10)接触。压力侧(4)利用一个所属的铣刀(15)来铣削，该铣刀绕一个所属的旋转轴(16)旋转，该转轴与一个垂直于主轴(1)的平面(17)成锐角相交，其中，工件(5)和铣刀(15)与主轴成锐角而相对运动。

Description

一种沿一条主轴延伸的涡轮 叶片型面的铣削方法
本发明涉及一种从一个工件铣削一种具有一个凸的吸入侧和一个凹的压力侧的、沿一个主轴延伸的涡轮叶片型面的方法。
本发明尤其涉及用于所谓的滚筒叶片的涡轮叶片型面的铣削，它具有如下形式的涡轮叶片型面、即该型面沿一条主轴无变化，而且除此之外也不扭曲，并且广泛用于蒸汽涡轮机中。这样的滚筒叶片除本身的涡轮叶片型面外，通常还具有用来使型面固定在其上的底部和用来实现一定的密封功能及阻尼功能的顶部。滚筒叶片应用在许多装置中。滚筒叶片大都由简单的成型工件、即毛坯铣削而成。其中，毛坯具有简单的外形，例如由一个大锭截得；它通常是一个棱柱，且沿要制造的滚筒叶片的主轴是直的。并且垂直于主轴方向的截面为矩形或平行四边形。
在文献GB-PS 625 771、GB-PS 635 775和GB-PS 703 796中，出现过有关用于滚筒叶片的、沿一个主轴呈直的，即尤其是不扭曲的涡轮叶片型面的概述。一种在其中所概述的涡轮叶片型面的特征是，它由一束直线构成，这些线的总和组成与涡轮叶片型面相对应的表面。一种如在滚筒叶片中所存在的、沿一条主轴呈直的涡轮叶片型面是一个这种所概述的涡轮叶片型面的简单例子，其中，组成直的涡轮叶片型面的直线都平行于主轴。此外，也有复杂的型面，尤其是在垂直于主轴的截面内具有沿主轴线性变化的、并且扭曲的型面。这种扭曲的型面的形成来自下面简单的模型：一种沿一条主轴呈直的或线性变化的、不扭曲的型面将用一束如在“Mikado”游戏中使用的棒代表。其第一端终止于一个底座上，而第二端由一个模型人的手面压在基座上的棒束，可通过该手面的扭转和/或移动变形并扭曲成多种多样的形式，而没有一根棒折断，并且在棒的数量足够多时，这些棒的总体始终还构成一个一体的，看上去封闭的型面。每个可由这种方式产生的型面都是由一组直线或与上述文献中所描述的相一致的线组成的型面的一个例子。应该注意，实际上，每个型面的局部、即在各点的足够小的周围区域内都同由一组直线组成的和尤其是平的型面近似。对于由一组直线组成并沿一条主轴延伸的涡轮叶片型面或涡轮叶片型面的部分而言，一般可以确认，这些线分别与主轴成锐角，这不仅基于这样的涡轮叶片型面是由直的涡轮叶片型面形成的，也基于该涡轮叶片型面在大致垂直于主轴的横截面内始终比在平行于主轴的纵截面内弯得更明显。
一种具有一个凸的吸入侧和一个凹的压力侧的、沿一条主轴延伸的涡轮叶片型面的铣削方法曾在专利说明书DE 25 44 612 C3中出现过。按照该方法，涡轮叶片型面按下面方式铣削，铣刀呈圆形或螺旋形环绕主轴而绕工件移动并有一个切削刃旋转布置的端面，这些切削刃在要制造的涡轮叶片型面的表面的每个点上都与相关的涡轮叶片型面的切面构成一个锐角。其中，压力侧和吸入侧用一个铣刀来加工。在铣刀相对于要加工的涡轮叶片型面为空间定位的条件下，铣削过的工件表面具有凹槽状结构，并且需要昂贵的再加工以获得涡轮叶片型面。因此，仅需要一个铣刀来加工涡轮叶片型面的方法所显示的优点大大地受限，因为，对被铣削的工件需要至少一种再成型的切削加工。
在由G.Spur和T.Stoeferle所著，由慕尼黑和维也纳Carl Hans-er出版社于1979年出版的“制造技术手册”第一卷第三册的第七段中曾对已公开的铣削方法及所适合的机床进行过一般性概述，但没对铣削涡轮叶片型面所存在的特殊问题作出说明。在437页的7.2.1段及438页的图示中，介绍了一种圆柱形型面的铣削方法，用该方法可直接获得所希望的，尤其是没有宏观可见凹槽结构的型面。所提到的该段还包括对铣刀的基本构造的概述，尤其可参见463页及下页的第7.6段，以及对铣床基本构造的说明。
鉴于已公开的通过铣削来加工带有一个凸的吸入侧和一个凹的压力侧的涡轮叶片型面的方法所存在的缺点，本发明的目的在于，要确定相应的方法，它至少使叶片型面的吸入侧或压力侧具有至少不需要再成型加工的表面。
鉴于吸入侧的制造，为达到上述目的，给出了从一个工件铣削一种具有一个凸的吸入侧和一个凹的压力侧的、沿一条主轴延伸的涡轮叶片型面的方法，其中，吸入侧借助一个附设的绕一个所属转轴旋转的铣刀来铣削，该铣刀有一圆环形的、平的端面，它是一种带有至少一个切削刃的旋转装置，在该方法中，铣刀和工件大致垂直于主轴相对运动，其中，位于端面内的切削刃及端面与要铣削的吸入侧相切，而吸入侧与一个同主轴成锐角的接触线接触。
相应地，与上面专利中介绍的方法不同，具有一个位于端面内的切削刃的铣刀按下面方式对正，即在接触线上，它的端面大致与吸入侧相切。由此，铣削不再主要由端面而主要由侧面完成，当然，铣刀在工件上形成的铣削轨迹实际上具有一个平的区域。在以往的方法中不可避免地形成的凹槽结构可因此而避免，并可基本上直接在吸入侧获得所希望的表面，必须进行的再加工仅限于为使表面达到光滑而进行的磨削，成型再加工不再绝对需要了。
本发明所提出的铣刀的定位意味着，铣刀与吸入侧相切的接触线，与线组中的一条直线对应，这些组线在铣刀接触位置的区域内与所希望的涡轮叶片型面相近似。当所加工的涡轮叶片型面事实上由一组直的线构成时，这种近似性最佳。即便是这种情况和近似性相应地不够完美，它依然是非常有益的，因为由方法引起的与涡轮叶片型面的偏差保持在非常小的范围内。
为在由铣刀在工件上形成的铣削轨迹内获得特别宽的、光滑的区域，铣刀按如下方式定位是有益的，即接触线为一条完全处在端面内的、连接端面外缘两点的弦。由接触线所确定的该铣削轨迹的、光滑的区域通过这种方式变得尤其大。如果接触线大致与端面的一个内边相切延伸、即当它几乎到达端面的内边上时，这尤其有益。端面的外边是由切削刃的背向铣刀转轴的端部确定的；而端面的内边是由切削刃的朝向铣刀转轴的端部形成的。相应地，铣削吸入侧时铣刀布置的种类及方式主要取决于所采用的铣刀的几何形状。其中铣刀在端面上所具有的切削刃数量并不十分重要；铣刀可根据专业人员提供的鉴定意见而进行选择。
许多涡轮叶片型面在本身的吸入侧和压力侧之间具有过渡区，尤其在其前部和后部区域，它们本身是凸的。这些过渡区最好按照前面所述的方法同吸入侧一起被铣削。
本方法对于其吸入侧是由一组直线组成的、每条线都与主轴成锐角的涡轮叶片型面的加工特别有利，其中，接触线始终位于一条直线上。在铣削涡轮叶片型面时，铣刀的端面必须尽可能好地与涡轮叶片型面重合于接触线上；这点对于一种由一组直线组成的涡轮叶片型面而言，尤其有利的方式是接触线始终处在直线中的一条上。由于涡轮叶片型面在要加工的吸入侧是凸的，这意味着，端面一定要与待加工的压力侧相切。由此，残留的余量保持很小。
本方法尤其适合加工滚筒叶片的吸入侧，在该叶片中，所有的直线都平行于主轴。其中，由于余量可完全避免，可能进行的再加工仅仅以降低其表面粗糙度为目的。
考虑到涡轮叶片型面的压力侧的加工，为达到这一目的，提出一种从一个工件铣削一个带有一个凸的吸入侧和一个凹的压力侧的涡轮叶片型面的方法，其中，压力侧借助一个所属的绕一个所属转轴旋转的、与一个垂直于主轴的截面成锐角相交的铣刀来铣削，其中，工件和铣刀与主轴成锐角而相对运动。
铣削压力侧的方法是基于所采用的铣刀的转轴以如下方式向待加工的涡轮叶片型面倾斜，即产生一个具有椭圆截面的铣削轨迹。凹的压力侧由此在任何情况下都可铣削得非常近似，因此，鉴于残留的一定量的余量这个不可避免的事实，仅在很小的范围内需要成型再加工。与已公开的铣削压力侧的方法、尤其是轧辊铣削法相比的另一优点在于，能够采用一把沿转轴方向相对较短的铣刀并因此可夹紧和支承在距要加工的压力侧较小的间隔内；由此，可获得一种相对稳固的且几乎不振动的倾斜装置，它使得如同按照本方法可达到的一样，保证了压力侧表面的高质量。
铣削压力侧的方法在特殊方式下，也适合于与更前面所述的铣削吸入侧的方法相组合，通过这种组合，可在工件一次夹紧后使涡轮叶片型面完全铣削。不过，如果对于吸入侧和压力侧采用不同的可摆动的铣刀，就需要驱动铣刀的装置，不过采用普通的铣床毫无问题。提供一台铣床可至少放弃一台其它的用来成型加工铣削过的带有一定余量的涡轮叶片型面的机床，这特别经济。
采用具有比压力侧的最小曲率半径更小半径的铣刀来铣削压力侧是十分有利的。由于采用了一种具有倾斜转轴的铣刀来铣削压力侧，形成了一个具有椭圆截面的铣削轨迹，该轨迹在局部区域具有比铣刀更大的曲率半径。由此可使压力侧外形与部分相互重叠的椭圆形铣削轨迹相近似并由此使余量保持很小。
由铣刀在压力侧上形成一个下面这样的铣削轨迹是十分有利的，即该轨迹在一条接触线上与压力侧接触，并具有基本上与压力侧在接触线上的曲率半径相同的曲率半径。通过这种方式，所述的型面和铣削轨迹曲线不仅在轨迹方面，也在其一阶导数和二阶导数方面相互重合，由此，达到与要加工的涡轮叶片型面良好的近似。
在不影响本方法其它方面的情况下，整个压力侧最好按下面方式铣削，由铣刀形成数个铣削轨迹，它们部分相互重叠。尤其在上文所述的设置中，完全不需要特别多的铣削轨迹，而最多四个就足够了。这一点尤其适合于下面场合、即压力侧具有基本上保持为相同的曲率半径，例如基本上呈圆柱形的。
铣削压力侧的这种方法也特别适合于铣削其压力侧由一组其中每一条都与主轴成锐角的直线组成的涡轮叶片型面，并且在此，铣刀始终沿直线中的一条移动。其中所带来的优点与上文所描述的铣削由一组直线组成的涡轮叶片型面的吸入侧的优点相当。因此可实现，铣削轨迹沿接触线与要加工的涡轮叶片型面完全重合，这对避免余量过大特别重要。
铣削压力侧的这种方法用来铣削由一组直线组成的压力侧也具有特别的优点，其中，所有直线都平行于主轴，因此压力侧沿主轴是直的。其特别的优点在于，铣削轨迹与压力侧的重合不仅源于每条铣削轨迹的接触线处在要加工的压力侧，也源于沿这些接触线的每一条，铣削轨迹的曲率与要加工的压力侧的曲率重合。出现的余量因此非常小，而该方法尤其经济，这一点不仅就其本身而言，而且也鉴于当然始终必要的再加工。
应补充一点，为加工直的涡轮叶片型面，无论铣削吸入侧还是铣削压力侧，可通过下面方式得到一种简化，即不必使要加工成涡轮叶片型面的工件相对于主轴翻倒。只需要铣刀相对于工件绕主轴旋转，工件与铣刀之间的相对运动必须是垂直于主轴的平动。
下面借助于附图对本发明的实施例作进一步说明。为突出某些特征，部分图是示意的和/或失真的，附图中：
图1为垂直于主轴的毛坯的截面图及用来铣削吸入侧的铣刀；
图2和图3为铣削吸入侧时各不同时刻的铣削过程；
图4为加工完的涡轮叶片型面视图；
图5为型面的截面图；
图6为在铣削吸入侧的过程中清楚表现某些特征的简图；
图7为图6中轮廓的另一侧视图；
图8为带有一个处于铣削压力侧位置的铣刀的叶片型面视图；
图9为图8所示装置的截面图；
图10为描述带有多个铣削轨迹的要铣削的压力侧的简图。
图1、2和3示出了铣削一个直的涡轮叶片型面2的吸入侧3时的不同阶段，其中，涡轮叶片型面2环绕(以十字代表的)主轴1并相对于铣刀7运动。初始的而且最终要加工的涡轮叶片型面2被某一余量包围，它同涡轮叶片型面2一起构成工件5。为简单起见，余量表示成具有一定厚度的一层，不过它的形状对本方法的实施影响是次要的。涡轮叶片型面2有一个凸的吸入侧3和一个位于其对面的凹的压力侧4；从下面的事实可对吸入侧3和压力侧4的名称有更清楚的理解，即，在(涡轮)工作时，在涡轮叶面型面上吸入侧3和压力侧4之间形成一个压力差，其中较高的压力处于压力侧4。在吸入侧3和压力侧4之间存在过渡区13和14，其中，过渡区13为叶片前部，在工作时工作介质从此流入，而过渡区14为叶片后部，工作时，工作介质由这里喷出。该过渡区13和14一般是凸的，因此最好同吸入侧3一起铣削。它的铣削用一个铣削吸入侧3时所选的、并因此而附带的铣刀7来完成，该铣刀绕一个所属的转轴6旋转，并在过渡区13和14及吸入侧3上铣削。该铣刀不但在朝向涡轮叶片型面2的端面8上，而且在或多或少垂直于端面8的侧面上都具有切削刃9，侧面的切削刃铣掉了工件5的去料并由此在工件5上露出了吸入侧3。有关铣刀7在工件5上方进刀的细节已经基本上解释过了，并可借助于其它图示还将得到更详细地说明。按照图1至3，铣刀7从叶片后部14开始，并经过吸入侧3铣到叶片前部13。在所示的场合下，叶片前部具有近似于圆柱形的型面，因此可以不用其它铣刀，而用为吸入侧3选定的铣刀7铣削。叶片前部13直到压力侧4的过渡区在此基本上全部露出。
图4示出了一个已加工完的涡轮叶片型面的垂直于主轴1的视图；图5示出了图4中V-V线处叶片型面2的截面。主轴1、吸入侧3和压力侧4可清楚地看出。
图6和7给出了符合本发明的铣削吸入侧3的几何关系，其中，图6示出了铣刀7的选型图和垂直于主轴1的工件5，而图7是同一装置的平行于主轴1的图6中VI-VI线处的截面视图。图6和图7之间的关系也在图7中通过线VI-VI给出，在图6中清楚地再现了该装置的视图。按照这些图并借助一个柱状的并绕所属转轴6旋转的铣刀7，即可从工件5铣削出叶片型面2的吸入侧3。在此，成型加工基本上借助于所示出的四个大致垂直于旋转轴6的铣削刃9完成。通过铣刀7的旋转，使切削刃9形成一个具有外缘11和内缘12的圆环形端面8。其中，外缘11由切削刃9的背向转轴6的一端给出、而内缘12由朝向转轴6的一端给出。为获得一个光滑的表面，铣刀7的端面8还要这样与要加工的吸入侧3对齐，即它在接触线10上与吸入侧3相切。通过这种方式可避免超过接触线10的宽度，从而在铣削过程中在吸入侧3上留有余量。为避免这一点，使接触线10完全在端面8内且不被内缘12中断也具有意义；在这种情况下，可能的铣削宽度减少一半，因为只有接触线10通过的这块才能获得所希望的铣削效果。为使接触线尽可能变宽、使它像图6所示那样与端面8的内缘12相切是有益的。这样可使接触线10变得特别宽，从而在吸入侧3上产生一个特别宽的光滑的铣削轨迹。不过，由于所描述的铣削方法的优越性不能在凹的压力侧4上实现，反正铣刀7在吸入侧3上完全移过后需要将其卸下，因此建议，为获得尽可能宽的铣削轨迹，铣刀沿大致垂直于主轴1的方向在吸入侧上移过。最后应注意，为清楚起见，在图6和7中吸入侧3被示为圆柱形，不过这不影响本发明所提出的准则用于形状复杂的吸入侧3，尤其如图5中所给出的。
从图8、9和10中，可以看出按照本发明的涡轮叶片型面2的凹的压力侧的铣削过程。图8示出了涡轮叶片型面2和铣削压力侧4所使用的铣刀15的配置在垂直于主轴1方向的视图，图9示出了垂直于主轴1的图8中涡轮叶片型面2在IX-IX线处的截面图，而图10示出的是在其压力侧上具有多个铣削轨迹19的涡轮叶片型面2。首先涉及的是图8和9。图8示出的不仅仅是涡轮叶片型面2，而且是带有顶部22和底部23的总的涡轮叶片21。从图8中还可清楚地看出，涡轮叶片型面相对于主轴1是直的。为铣削压力侧，绕转轴16旋转的、在垂直于转轴16的方向上其半径明显小于图9中可看出的压力侧4的曲率半径的铣刀15按下面方式设置、即转轴16同一个垂直于主轴1延伸的平面17(图8中用线示出)构成一锐角，并大致沿主轴1方向在铣削的压力侧上移过。通过这种方式产生一个在垂直于主轴1方向上具有一个椭圆截面的铣削轨迹19，其中，形成截面的椭圆的长轴与沿接触线20的压力侧4平行，铣削轨迹19与压力侧4重合于该接触线上。此外，铣刀15的半径及转轴16和平面17之间的夹角最好这样来确定，即使椭圆形铣削轨迹19在接触线20上的曲率半径与压力侧4在接触线20上的曲率半径相一致。通过这种方式可使残留的余量24很小，另外，总的压力侧4可由较少的铣削轨迹19完全包容。有关细节在图10中给出，它同时也是垂直于主轴1方向的涡轮叶片型面2的截面。压力侧4在所示的场合下为圆柱形，因此在压力侧4的各个点处其曲率半径均为相同的一个值，即压力侧4的半径18，它因此相当于其最小曲率半径，如图10所示，压力侧4将被完全铣削，其中，三个以椭圆表示的铣削轨迹19相互部分重叠在压力侧4上。如已经提及的，每条铣削轨迹必须在接触线20上，在该接触线上，它与压力侧4重叠，因此具有与压力侧4本身相同的曲率半径(在这点上图10可看作一个示意图，对该图而言，不适用于满足上述要求)。在压力侧4上铣削轨迹之间残留的余量24实际上很少。其实通过铣刀15的适当尺寸及仍可保持相当少的铣削轨迹19的数量，可使产生的余量24借助简单的且一般总归要进行的最后加工所必须的磨削工艺来去除。
为简明扼要起见，已参照附图对本发明中有关一种沿主轴直线延伸的涡轮叶片型面、即一种用作滚筒叶片的涡轮叶片型面的生产进行了说明。在这个说明中没有涉及到其它涡轮叶片型面所当然涉及的防护要求方面的限制。尤其考虑到涡轮叶片型面是由直线束构成的，所做出的说明不必进行修改，这仅仅说明，表示吸入侧铣刀端面的布置或所要生产的涡轮叶片型面压力侧上的铣削轨迹的接触线，应与构成涡轮叶片型面的直线中的一条相重合。对于其它的涡轮叶片型面，请参阅上述其它实施例采用由直线构成的表面对涡轮叶片型面的近似。
总之，本发明能够对涡轮叶片型面进行特别经济合理的铣削。本发明尤其适用于在四轴或五轴的数控铣床上进行。

Claims (12)

1、一种从一个工件(5)铣削一种具有一个凸的吸入侧(3)和一个凹的压力侧(4)的沿一个主轴(1)延伸的涡轮叶片型面(2)的方法，其中，吸入侧(3)利用一个所属的绕一个所属转轴(6)旋转的铣刀(7)来铣削，该铣刀(7)有一个圆环形的、平的端面(8)，它是一种带有至少一个切削刃(9)的旋转装置，其中，铣刀(7)和工件(5)大致垂直于主轴(1)而相对运动，其特征在于，切削刃(9)位于端面(8)内，而端面(8)与所要铣削吸入侧(3)相切，并且吸入侧(3)与一条与主轴(1)成锐角的接触线(10)接触。
2、按照权利要求1所述的方法，其中，端面(8)具有一个外缘(11)和一个内缘(12)，而接触线(10)为一条连接外缘(11)的两个点的、完全处在端面(8)之内的弦。
3、按照权利要求2所述的方法，在该方法中，接触线(10)大致与内缘(12)相切。
4、按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，涡轮叶片型面(2)在吸入侧(3)和压力侧(4)之间具有凸的过渡带(13，14)，它们将同吸入侧(3)一起被铣削。
5、按照上述任一项权利要求所述的方法，在该方法中，吸入侧(3)由一组直线组成，它们中的每一条都与主轴(1)成锐角，其中，接触线(10)总是处在这些直线中的一条上。
6、按照权利要求5所述的方法，其中，所有的直线都平行于主轴(1)。
7、尤其按照上述任一项权利要求所述的、从一个工件(5)铣削一种具有一个凸的吸入侧(3)和一个凹的压力侧(4)的、沿一个主轴(1)延伸的涡轮叶片型面(2)的方法，其特征在于，压力侧(4)利用一个所属的铣刀(15)来铣削，该铣刀可绕一个所属的转轴(16)旋转，该转轴与一个垂直于主轴(1)的平面(17)成锐角相交，其中，工件(5)和铣刀(15)与主轴(1)成锐角而相对运动。
8、按照权利要求7所述的方法，在该方法中，压力侧(4)有一个最小曲率半径(18)，而用来铣削压力(4)的铣刀(15)的半径小于该最小曲率半径(18)。
9、按照权利要求8所述的方法，在该方法中，由铣刀(15)在压力侧(4)上形成一个铣削轨迹(19)，它与压力侧(4)在一条接触线(20)上接触，并且该轨迹在接触线(20)上具有一个曲率半径，它基本上与压力侧(4)在接触线(20)上的曲率半径相同。
10、按照权利要求7至9中任一项所述的方法，在该方法中，在铣削压力侧(4)过程中，由铣刀(15)形成多个铣削轨迹(19)、尤其最多形成五个铣削轨迹(19)、它们相互间部分重叠。
11、按照权利要求7至10中任一项所述的方法，在该方法中，压力侧(4)由一组直线组成，它们中的每一条都与主轴(1)成一个锐角，在该方法中，铣刀(15)始终沿这些直线中的一条移动。
12、按照权利要求11所述的方法，在该方法中，所有的直线都与主轴(1)平行。
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