1 引言

大型汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片葉根槽一般為七叉型葉根槽，為保證其嚴(yán)格的型線與尺寸精度要求，國(guó)外制造加工時(shí)一般均采用8片組裝式成型；加之目前末級(jí)長(zhǎng)葉片材料與原來(lái)相比硬度提高，再采用一般高速鋼鏟齒成型銑刀已難以滿足加工要求，國(guó)外一般采用高速鋼(如Mo高速鋼)的正前角尖齒成型銑刀)圖1為叉型葉根銑刀的裝配簡(jiǎn)圖，共8把刀片裝配在φ100的心軸上，圖2為叉型葉根槽銑刀左刀片的型線簡(jiǎn)圖(圖中前角末畫(huà)出)。

圖1 葉根槽銑刀裝配簡(jiǎn)圖

圖2 葉根槽銑刀左刀片型線簡(jiǎn)圖

在銑刀的制造過(guò)程中有三大難點(diǎn)：

一是整體結(jié)構(gòu)的選擇。國(guó)外一般采用低溫焊接技術(shù)將粉末冶金高速鋼(Mo高速鋼)刀片焊接在刀體上的焊接結(jié)構(gòu)，低溫焊接主要是為了防止溫度過(guò)高致使刀片退火，硬度降低，切削性能下降。但目前由于我們還未能完全掌握刀具低溫焊接技術(shù)，可采用硬質(zhì)合金鑲齒結(jié)構(gòu)替代。可以保證鑲齒刀具在切削過(guò)程中的可靠性。

二是刀具的刃磨。首次刃磨成型，特別是刃口使用磨損以后的重磨是最大的難點(diǎn)。刃磨包括前刀面的刃磨(產(chǎn)生刀具的前角)和后刀面的刃磨(產(chǎn)生刀具的后角)。前刀面的刃磨不存在問(wèn)題。前刀面是一個(gè)幾何平面，刃磨通常可在一般的刀具磨床上進(jìn)行，同時(shí)也可將銑刀盤外徑刃磨或重磨出來(lái)，甚至可以粗磨(僅此而已)后刀面以減少后刀面的精磨余量。事實(shí)上，刀具在切削過(guò)程中的磨損主要在后刀面上，刀具制造時(shí)首次磨好前刀面后，重磨時(shí)一般不再刃磨。

而后刀面是刀具后角的一條直線邊繞著刀刃型線(即為叉型葉根型線)且始終與前刀面夾角為后角值運(yùn)動(dòng)形成的一個(gè)包絡(luò)曲面，用一般的刀磨不可能形成這樣一個(gè)恒定后角值的后刀面，而后刀面或后角對(duì)成型銑刀減少切削抗力保證葉根精度又是至關(guān)重要的，這也是稱為尖齒成型銑刀的根本原因。

觀察圖2中的刀具角度放大圖可以看出，后刀面分為三部分，即0.2mm倒棱邊部分，稱為第一后刀面；8°后角部分，稱為第二后刀面；15°后角部分，稱為第三后刀面(見(jiàn)圖3)。第三后刀面加工時(shí)的磨損較小，可在制造時(shí)磨出，重磨時(shí)一般不再磨削；第一后刀面可在第二后刀面磨出后自然形成。關(guān)鍵是第二后刀面(或8°后角)的重磨。后角的刃磨一般認(rèn)為采用數(shù)控多坐標(biāo)刀具磨床，但數(shù)控磨床價(jià)格昂貴，不一定能完全滿足這種專用刀具的刃磨要求。

1.第一后刀面 2.第二后刀面 3.第三后刀面
圖3 葉根槽銑刀后刀面示意圖

采用根據(jù)平面連桿機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)制造的機(jī)械式仿形磨床，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜，甚至可以自行設(shè)計(jì)制造。本文主要介紹的就是這種仿形磨床的原理、主要結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)和刃磨方法。

三是刀具制造或重磨后的檢測(cè)。由于刀具是圓盤齒狀型線結(jié)構(gòu)，再加之前角和后角的影響，很難用樣板、坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、萬(wàn)工顯等來(lái)直接測(cè)量。刀具首次制造時(shí)的測(cè)量可以采用試切法，即用制造好的成型銑刀在試驗(yàn)工件(如一塊方形鋼板)上進(jìn)行試切削，然后通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)工件叉型槽(模擬真實(shí)葉片葉根槽)的精度來(lái)間接驗(yàn)證銑刀型線的正確性；但后續(xù)制造特別是頻繁的刃口用鈍重磨后的檢測(cè)不再可能都通過(guò)試切法來(lái)確認(rèn)或檢測(cè)刀具型線和尺寸精度的正確性。結(jié)合一些制造廠的成熟經(jīng)驗(yàn)，本文介紹一種快捷、簡(jiǎn)便有效，可以自制的檢測(cè)裝置。

2 仿形磨削裝置與刀具后角的成型原理

1) 仿形磨削裝置原理簡(jiǎn)介

仿形磨削裝置必須解決兩個(gè)問(wèn)題：成型銑刀型線的形成和后角的形成。

該仿形磨削裝置的基本原理圖見(jiàn)圖4。

1～5.平面連桿(機(jī)構(gòu)) 6.磨頭 7.磨頭軸承
8.靠模子 9.刀具(上方)，靠模板(下方) 10.刀具托架轉(zhuǎn)軸
圖4 葉根槽銑刀仿形磨削裝置原理示意圖(俯視圖)

該裝置巧妙運(yùn)用了六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，鉸鏈A和鉸鏈B固定在磨削裝置的床身上，而鉸鏈C、D、E、F都是可以在水平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的；放置在中間連桿3上的刀具托架又可以在水平面內(nèi)繞放置在連桿3中部的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)刀具側(cè)部型線的磨削，刀具及靠模板裝在刀具托架上，靠模板可以測(cè)前后作一定的調(diào)整移動(dòng)和微量的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整，磨削時(shí)靠模板(型線尺寸與刀具設(shè)計(jì)型線相同，裝在托架的底部)始終與固定在床身上的硬質(zhì)合金靠模子的圓弧(與砂輪圓弧相同)接觸，并盡可能使砂輪圓弧與刀具刃口垂直。刀具連同可繞其轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸裝在托架的最上方(見(jiàn)圖5)。

1.心軸與調(diào)整套筒 2.翻蓋式心軸軸承座
3.軸向進(jìn)刀刻度盤 4.磨削操作手柄 5.刀具托架
6.徑向進(jìn)刀旋鈕 7.靠模板 8.分度銷孔 9.鉸鏈
10.連桿 11.分度銷鎖緊支架
圖5 葉根槽銑刀仿形磨削裝置示意圖(前視圖)

通過(guò)旋轉(zhuǎn)刀具心軸兩端的手柄可以在小范圍內(nèi)沿心軸軸線方向調(diào)整刀具，以實(shí)現(xiàn)刀具磨削時(shí)的軸向進(jìn)刀；刀齒是一個(gè)齒一個(gè)齒依次進(jìn)行磨削的，磨削時(shí)，刀具前刀面上靠近刀齒型線邊緣的部分支撐在一頭帶舌尖的撐齒上(見(jiàn)圖6)，撐齒4固定在床身上，其舌尖高度正好處于磨頭水平中心位置(初始位置，此時(shí)磨削的刀具后角為零)時(shí)的高度。磨頭相對(duì)連桿機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)是獨(dú)立的，砂輪片磨削部分非常薄僅0.4mm厚，磨削刃為圓弧狀(與靠模子圓弧相同)，以消除非圓弧磨削刃形狀對(duì)型線精度造成的誤差，砂輪中心高度可在45mm范圍內(nèi)調(diào)整，用以形成刀具的后角以及滿足不同的刀具后角要求，如砂輪直徑為
φ175mm，最大刀具后角可磨至31°。

1.磨頭安全罩 2.砂輪 3刀具
4.撐齒 5.靠模塊 6.磨頭架
圖6 葉根槽銑刀磨削裝置示意圖(俯視圖)

總之，通過(guò)水平面(設(shè)為X-Y平面)內(nèi)的六連桿機(jī)構(gòu)，可以獲得刀具在X-Y平面的2個(gè)移動(dòng)自由度，通過(guò)刀具托架在中間連桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以獲得刀具在水平面內(nèi)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，通過(guò)刀具繞刀具心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以獲得刀具繞X軸或Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此刀具具有除沿Z軸移動(dòng)外的5個(gè)自由度，可滿足刀具沿型線各方向磨削的要求；樣板的可移動(dòng)和少量可轉(zhuǎn)動(dòng)，以及刀具沿心軸軸線方向的可調(diào)整移動(dòng)，可以滿足磨削前的找正調(diào)整以及磨削中的進(jìn)刀調(diào)整；通過(guò)六連桿機(jī)構(gòu)并借助樣板和靠模子獲得了刀具的型線。通過(guò)磨頭砂輪中心的升高獲得了刀具的后角，中心高度的不同形成了不同的刀具后角(見(jiàn)圖7)。

1.砂輪 2.撐齒 3.刀具
圖7 刀具后角形成示意圖

2) 刀具后角的計(jì)算

從圖7a中可以看出，磨頭中心高度與刀尖及撐齒尖部高度重合，此時(shí)刀具后角為零；如圖7b所示，當(dāng)砂輪中心升高<值后，過(guò)刀尖所作砂輪外圓的切線與過(guò)刀尖所作鉛垂線的夾角即為所磨刀具的后角α(圖中γ為刀具前角)。

sinα=h/(D/2)
α=arcsin(2h/D)

通常，如果砂輪直徑為f175mm，砂輪中心高度在0～45mm范圍內(nèi)可調(diào)，因此后角α=arcsin(2×45/175)=31°，即后角在0～31°范圍內(nèi)可調(diào)，最大可磨后角為31°。由此可見(jiàn)，可磨后角的大小是由砂輪直徑與砂輪中心可調(diào)高度決定的，砂輪中心可調(diào)范圍越大，砂輪直徑越小，可磨刀具后角越大，一般情況下。0～30°的后角范圍已經(jīng)足夠，實(shí)際上由于受到刀具本身的限制，用較大的砂輪磨削太大的后角或多齒刀齒將會(huì)和刀具發(fā)生干涉。如果葉片葉根槽銑刀要磨削的后角為8°，由上式可計(jì)算出砂輪中心僅需調(diào)整升高(175/2)×8°=12.2mm。

由圖中同時(shí)還可以看出，磨削后的刀具后刀面事實(shí)上是一個(gè)空間圓弧曲面。

3 仿形磨削裝置的技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1) 技術(shù)參數(shù)

a. 磨頭與砂輪

磨頭及砂輪的直徑、轉(zhuǎn)速、所磨后角范圍參見(jiàn)表1。

表1

不同的轉(zhuǎn)速通過(guò)電機(jī)軸端的塔式皮帶輪來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不同的砂輪直徑、不同的轉(zhuǎn)速范圍所對(duì)應(yīng)的砂輪外圓周的磨削線速度同時(shí)列于表1中。

b. 最大刀具尺寸

可磨最大葉根槽銑刀的外徑值應(yīng)為φ500mm以上，最大旋轉(zhuǎn)刀具寬度為200，最大允許刀具重量需在50kg以上。

c. 刀具托架

心軸直徑φ100mm，托架心軸軸向調(diào)整量10mm以上，托架旋轉(zhuǎn)分度銷數(shù)量12個(gè)。

d. 靠模板

靠模板調(diào)整行程為10mm以上，靠模板旋轉(zhuǎn)角度精調(diào)整范圍：±35'。

2) 磨頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖8為磨頭部分的實(shí)物圖片。磨頭總體結(jié)構(gòu)應(yīng)使磨頭砂輪初始位置中心與刀具中心在同一水平面內(nèi)；磨頭砂輪中心高度應(yīng)在鉛垂方向可調(diào)(行程45mm)，調(diào)整方法可采用在磨頭電機(jī)端尾部設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈9，由垂直升降手柄6進(jìn)行調(diào)節(jié)。可將后角與砂輪升降量的關(guān)系換算出來(lái)，并用刻線刻在后角指示板上以方便后角磨削時(shí)砂輪中心高度的調(diào)整。

1.靠模子 2.撐齒支座 3.吸塵口 4.砂輪 5.安全罩
6.砂輪升降手柄 7.磨頭水平行程調(diào)節(jié)手柄
8.砂輪升降鎖緊手柄 9.砂輪升降旋轉(zhuǎn)鉸鏈
10.磨頭架 11.磨頭架水平滑動(dòng)導(dǎo)軌
圖8 磨體總體結(jié)構(gòu)

此外，砂輪應(yīng)根據(jù)磨削刀具的不同可以更換，同時(shí)拆卸還應(yīng)方便。

4 葉根槽銑刀尺

葉根槽銑刀尺寸的測(cè)量主要指圖2中臺(tái)階面的徑向尺寸A(-0.03)及B(-0.03)的測(cè)量，以及臺(tái)階面的軸向相對(duì)尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02的測(cè)量。顯然要靠一般的標(biāo)準(zhǔn)工具顯微鏡是無(wú)法測(cè)量的，事實(shí)上國(guó)外一些制造廠至今仍然采用簡(jiǎn)易的光學(xué)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)量，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?測(cè)量可靠，而且快捷方便，制造成本低廉。圖9為此測(cè)量裝置的主視圖，圖10為此測(cè)量裝置的側(cè)視圖。水平測(cè)量臺(tái)3為簡(jiǎn)易焊接結(jié)構(gòu)件，也可以使用廢舊帶燕尾導(dǎo)軌的床身，將左端部分裝上帶心軸的圓盤并置于水平位置，垂直測(cè)量臺(tái)9可沿水平測(cè)量臺(tái)的燕尾形導(dǎo)軌作水平方向(X)的移動(dòng)，其移動(dòng)的行程量可通過(guò)百分表11、12精確測(cè)量出來(lái)，再借助特制的工具顯微鏡(放大10倍，圖9、圖10中件4)，可以確定葉根槽銑刀幾個(gè)臺(tái)階徑向方向的相對(duì)尺寸，即尺寸A(-0.03)及B(-0.03)。圖10中的件3是氣泡式水平儀，用以使顯微鏡處于水平位置。顯微鏡4中的刻線為米字形刻線(見(jiàn)圖11)，在刀具端部型線處，將刀具圓弧最高點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)鉛垂刻線，百分表回零，轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿10使垂直測(cè)量臺(tái)9左移，在中部臺(tái)階型線處如圖11b右圖所示使刀具型線對(duì)準(zhǔn)顯微鏡中的刻線，此時(shí)百分表讀數(shù)即為尺寸A(-0.03)的測(cè)量值，再移動(dòng)水平測(cè)量臺(tái)即可測(cè)出尺寸B(-0.03)。

1.葉根槽銑刀 2.心軸 3.水平測(cè)量臺(tái) 4.水平顯微鏡 5.垂直顯微鏡 6.垂直行程百分表
7.垂直升降臺(tái) 8.垂直升降絲桿 9.垂直測(cè)量臺(tái) 10.水平移動(dòng)絲桿
11.水平行程小量程百分表(0.01/格) 12.水平行程大量程百分表(1/格)
圖9 葉根槽銑刀尺寸檢測(cè)裝置簡(jiǎn)圖(主視圖)

1.垂直測(cè)量臺(tái)導(dǎo)軌 2.垂直升降臺(tái)
3.氣泡水平儀 4.水平顯微鏡
圖10 葉根槽銑刀檢測(cè)裝置(俯視圖)

垂直升降臺(tái)7可以沿著垂直測(cè)量臺(tái)的燕尾形導(dǎo)軌作上下移動(dòng)，上下移動(dòng)的行程可由垂直行程百分表6精確測(cè)量，測(cè)量值即為葉根槽銑刀軸向臺(tái)階面的相對(duì)尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02，在顯微鏡中的對(duì)準(zhǔn)方法同上。

(a) (b)
1～4.刻線 5.刀具中部臺(tái)階型線處 6.刀具端部型線處
圖11 顯微鏡刻線及測(cè)量方法

5 問(wèn)題討論

1) 關(guān)于刀具材料

據(jù)了解，有些制造廠采用的刀具材料牌號(hào)是粉末冶金高速工具鋼。粉末冶金高速工具鋼是用粉末冶金方法制造的，其優(yōu)點(diǎn)是:

從根本上解決了碳化物不均勻性問(wèn)題，一次碳化物顆粒細(xì)小(2～5μm)，適宜制成大截面刀具。
由于碳化物顆粒小，可磨性好。
熱處理加熱時(shí)間短，淬火變形小，僅為熔煉高速鋼的1/2～1/3。
材料的力學(xué)性能決定于冶金質(zhì)量，抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性可以做成比熔煉高速鋼更高的，適宜作斷續(xù)切削刀具。

2) 關(guān)于刃磨裝置砂輪的修磨

經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用后，由于刀具磨屑粘入砂輪，以及砂輪本身的磨損，就必須對(duì)砂輪進(jìn)行修磨。修磨方法同樣可以巧妙地運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖12)的原理。

1.砂輪 2.金剛石筆 3.金剛石筆夾持器
4.支撐桿 5.平底靠模板 6.靠模子 7.鉸鏈
圖12 砂輪修磨方法

僅左端A、B兩個(gè)鉸鏈固定在磨頭架上，兩連桿再加上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的金剛石筆轉(zhuǎn)軸及其平底靠模板，就巧妙地構(gòu)成了砂輪修磨器。修磨時(shí)，只要將金剛石筆轉(zhuǎn)軸從圖示左側(cè)轉(zhuǎn)到圖示右側(cè)，使靠模板緊靠在靠模子的R上，金剛石筆即可磨出某一后角時(shí)的砂輪形狀，其R與靠模子完全一樣，這樣也就保證了刀具型線與刀具靠模板型線一致。

3) 關(guān)于仿形磨削的結(jié)構(gòu)方式

從仿形磨削的結(jié)構(gòu)方式上講，除了上述六連桿機(jī)構(gòu)外，還有氣墊式仿形磨削結(jié)構(gòu)，即整個(gè)刀具及刀具托架是自由支撐在一個(gè)高精度的平臺(tái)上(如圖13)，刀具托架底部有四個(gè)φ0.4mm的壓縮空氣出口，靠壓縮空氣在刀具托架與工作平臺(tái)間形成的氣膜將刀具托架浮起來(lái)。但此種結(jié)構(gòu)適合于重量較輕的刀具如一般螺旋銑刀、鉸刀、球頭銑刀，小型成型銑刀等。對(duì)于較大的如長(zhǎng)葉片葉根槽銑刀其外徑和重量均較大，利用穩(wěn)定性較好、承載能力較大的連桿機(jī)構(gòu)式磨削裝置更為合適。

1.刀具托架 2.氣墊 3.工作平臺(tái)
4.刀具夾持器 5.靠模板
圖13 氣墊式仿形磨削裝置

6 結(jié)束語(yǔ)

從以上可以看出，采用六連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械式仿形葉根槽銑刀重磨(刃磨)裝置及其葉根槽銑刀型線的檢測(cè)裝置從理論上是可行的，而且國(guó)外的長(zhǎng)期實(shí)踐也證明其可行性，是一種較為成熟的技術(shù)。

利用連桿機(jī)構(gòu)式仿形磨削裝置投資較少，并且性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，可以制成多臺(tái)規(guī)格不一的系列化產(chǎn)品，以滿足不同形式、大小的尖齒成型刀具的磨削。

同時(shí)，除了可以磨削葉根槽銑刀以外，采用不同的刀具托架、心軸、刀具夾持器、砂輪、撐齒，還可以磨削正前角尖齒球頭銑刀、菌形葉根銑刀、螺旋銑刀、螺旋鉸刀、一般的葉片型面成型銑刀甚至成型等，用途非常廣泛。(end)