1 引言
大型汽轮机末级长叶片叶根槽一般为七叉型叶根槽，为保证其严格的型线与尺寸精度要求，国外制造加工时一般均采用8片组装式成型铣刀；加之目前末级长叶片材料与原来相比硬度提高，再采用一般高速钢铲齿成型铣刀已难以满足加工要求，国外一般采用粉末冶金高速钢(如Mo高速钢)的正前角尖齿成型铣刀)图1为叉型叶根铣刀的装配简图，共8把刀片装配在φ100的心轴上，图2为叉型叶根槽铣刀左刀片的型线简图(图中前角末画出)。
图1 叶根槽铣刀装配简图
图2 叶根槽铣刀左刀片型线简图
在铣刀的制造过程中有三大难点：
一是刀具整体结构的选择。国外一般采用低温焊接技术将粉末冶金高速钢(Mo高速钢)刀片焊接在刀体上的焊接结构，低温焊接主要是为了防止温度过高致使刀片退火，硬度降低，切削性能下降。但目前由于我们还未能完全掌握刀具低温焊接技术，可采用硬质合金镶齿结构替代。可以保证镶齿刀具在切削过程中的可靠性。
二是刀具的刃磨。首次刃磨成型，特别是刃口使用磨损以后的重磨是最大的难点。刃磨包括前刀面的刃磨(产生刀具的前角)和后刀面的刃磨(产生刀具的后角)。前刀面的刃磨不存在问题。前刀面是一个几何平面，刃磨通常可在一般的刀具磨床上进行，同时也可将铣刀盘外径刃磨或重磨出来，甚至可以粗磨(仅此而已)后刀面以减少后刀面的精磨余量。事实上，刀具在切削过程中的磨损主要在后刀面上，刀具制造时首次磨好前刀面后，重磨时一般不再刃磨。
而后刀面是刀具后角的一条直线边绕着刀刃型线(即为叉型叶根型线)且始终与前刀面夹角为后角值运动形成的一个包络曲面，用一般的刀磨不可能形成这样一个恒定后角值的后刀面，而后刀面或后角对成型铣刀减少切削抗力保证叶根精度又是至关重要的，这也是称为尖齿成型铣刀的根本原因。
观察图2中的刀具角度放大图可以看出，后刀面分为三部分，即0.2mm倒棱边部分，称为第一后刀面；8°后角部分，称为第二后刀面；15°后角部分，称为第三后刀面(见图3)。第三后刀面加工时的磨损较小，可在制造时磨出，重磨时一般不再磨削；第一后刀面可在第二后刀面磨出后自然形成。关键是第二后刀面(或8°后角)的重磨。后角的刃磨一般认为采用数控多坐标刀具磨床，但数控磨床价格昂贵，不一定能完全满足这种专用刀具的刃磨要求。
1.第一后刀面 2.第二后刀面 3.第三后刀面
图3 叶根槽铣刀后刀面示意图
采用根据平面连杆机构原理设计制造的机械式仿形磨床，结构简单，操作方便，价格便宜，甚至可以自行设计制造。本文主要介绍的就是这种仿形磨床的原理、主要结构、设计技术参数和刃磨方法。
三是刀具制造或重磨后的检测。由于刀具是圆盘齿状型线结构，再加之前角和后角的影响，很难用样板、坐标测量仪、万工显等来直接测量。刀具首次制造时的测量可以采用试切法，即用制造好的成型铣刀在试验工件(如一块方形钢板)上进行试切削，然后通过检测试验工件叉型槽(模拟真实叶片叶根槽)的精度来间接验证铣刀型线的正确性；但后续制造特别是频繁的刃口用钝重磨后的检测不再可能都通过试切法来确认或检测刀具型线和尺寸精度的正确性。结合一些制造厂的成熟经验，本文介绍一种快捷、简便有效，可以自制的检测装置。
2 仿形磨削装置与刀具后角的成型原理
1) 仿形磨削装置原理简介
仿形磨削装置必须解决两个问题：成型铣刀型线的形成和后角的形成。
该仿形磨削装置的基本原理图见图4。
1～5.平面连杆(机构) 6.磨头砂轮 7.磨头轴承
8.靠模子 9.刀具(上方)，靠模板(下方) 10.刀具托架转轴
图4 叶根槽铣刀仿形磨削装置原理示意图(俯视图)
该装置巧妙运用了六连杆机构的运动原理，铰链A和铰链B固定在磨削装置的床身上，而铰链C、D、E、F都是可以在水平面内自由转动的；放置在中间连杆3上的刀具托架又可以在水平面内绕放置在连杆3中部的转轴旋转，以适应刀具侧部型线的磨削，刀具及靠模板装在刀具托架上，靠模板可以测前后作一定的调整移动和微量的转动调整，磨削时靠模板(型线尺寸与刀具设计型线相同，装在托架的底部)始终与固定在床身上的硬质合金靠模子的圆弧(与砂轮圆弧相同)接触，并尽可能使砂轮圆弧与刀具刃口垂直。刀具连同可绕其转动的心轴装在托架的最上方(见图5)。
1.心轴与调整套筒 2.翻盖式心轴轴承座
3.轴向进刀刻度盘 4.磨削操作手柄 5.刀具托架
6.径向进刀旋钮 7.靠模板 8.分度销孔 9.铰链
10.连杆 11.分度销锁紧支架
图5 叶根槽铣刀仿形磨削装置示意图(前视图)
通过旋转刀具心轴两端的手柄可以在小范围内沿心轴轴线方向调整刀具，以实现刀具磨削时的轴向进刀；刀齿是一个齿一个齿依次进行磨削的，磨削时，刀具前刀面上靠近刀齿型线边缘的部分支撑在一头带舌尖的撑齿上(见图6)，撑齿4固定在床身上，其舌尖高度正好处于磨头水平中心位置(初始位置，此时磨削的刀具后角为零)时的高度。磨头相对连杆机构来说是独立的，砂轮片磨削部分非常薄仅0.4mm厚，磨削刃为圆弧状(与靠模子圆弧相同)，以消除非圆弧磨削刃形状对型线精度造成的误差，砂轮中心高度可在45mm范围内调整，用以形成刀具的后角以及满足不同的刀具后角要求，如砂轮直径为
φ175mm，最大刀具后角可磨至31°。
1.磨头安全罩 2.砂轮 3刀具
4.撑齿 5.靠模块 6.磨头架
图6 叶根槽铣刀磨削装置示意图(俯视图)
总之，通过水平面(设为X-Y平面)内的六连杆机构，可以获得刀具在X-Y平面的2个移动自由度，通过刀具托架在中间连杆上的转动，可以获得刀具在水平面内绕Z轴转动的自由度，通过刀具绕刀具心轴的转动，可以获得刀具绕X轴或Y轴的转动，因此刀具具有除沿Z轴移动外的5个自由度，可满足刀具沿型线各方向磨削的要求；样板的可移动和少量可转动，以及刀具沿心轴轴线方向的可调整移动，可以满足磨削前的找正调整以及磨削中的进刀调整；通过六连杆机构并借助样板和靠模子获得了刀具的型线。通过磨头砂轮中心的升高获得了刀具的后角，中心高度的不同形成了不同的刀具后角(见图7)。
1.砂轮 2.撑齿 3.刀具
图7 刀具后角形成示意图
2) 刀具后角的计算
从图7a中可以看出，磨头中心高度与刀尖及撑齿尖部高度重合，此时刀具后角为零；如图7b所示，当砂轮中心升高<值后，过刀尖所作砂轮外圆的切线与过刀尖所作铅垂线的夹角即为所磨刀具的后角α(图中γ为刀具前角)。
sinα=h/(D/2)
α=arcsin(2h/D)
通常，如果砂轮直径为f175mm，砂轮中心高度在0～45mm范围内可调，因此后角α=arcsin(2×45/175)=31°，即后角在0～31°范围内可调，最大可磨后角为31°。由此可见，可磨后角的大小是由砂轮直径与砂轮中心可调高度决定的，砂轮中心可调范围越大，砂轮直径越小，可磨刀具后角越大，一般情况下。0～30°的后角范围已经足够，实际上由于受到刀具本身的限制，用较大的砂轮磨削太大的后角或多齿刀齿将会和刀具发生干涉。如果叶片叶根槽铣刀要磨削的后角为8°，由上式可计算出砂轮中心仅需调整升高(175/2)×8°=12.2mm。
由图中同时还可以看出，磨削后的刀具后刀面事实上是一个空间圆弧曲面。
3 仿形磨削装置的技术参数与结构设计
1) 技术参数
a. 磨头与砂轮
磨头及砂轮的直径、转速、所磨后角范围参见表1。表1
砂轮直径×砂轮孔径
mm | 转速范围
r/min | 砂轮外圆磨削线速度
m/s | 可磨后角范围 | | 175×50 | 2750/3390/3940 | 25.2/31.1/36.1 | 0～30° | | 125×50 | 3070/3800/4550 | 20.1/24.9/29.8 | 0～36° | | 75×28 | 5350/6400/7660 | 21.0/25.1 | 0～45° | | 砂轮中心高可调范围 | 0～45mm |
不同的转速通过电机轴端的塔式皮带轮来进行调节，不同的砂轮直径、不同的转速范围所对应的砂轮外圆周的磨削线速度同时列于表1中。
b. 最大刀具尺寸
可磨最大叶根槽铣刀的外径值应为φ500mm以上，最大旋转刀具宽度为200，最大允许刀具重量需在50kg以上。
c. 刀具托架
心轴直径φ100mm，托架心轴轴向调整量10mm以上，托架旋转分度销数量12个。
d. 靠模板
靠模板调整行程为10mm以上，靠模板旋转角度精调整范围：±35'。
2) 磨头结构设计
图8为磨头部分的实物图片。磨头总体结构应使磨头砂轮初始位置中心与刀具中心在同一水平面内；磨头砂轮中心高度应在铅垂方向可调(行程45mm)，调整方法可采用在磨头电机端尾部设置一个转动铰链9，由垂直升降手柄6进行调节。可将后角与砂轮升降量的关系换算出来，并用刻线刻在后角指示板上以方便后角磨削时砂轮中心高度的调整。
1.靠模子 2.撑齿支座 3.吸尘口 4.砂轮 5.安全罩
6.砂轮升降手柄 7.磨头水平行程调节手柄
8.砂轮升降锁紧手柄 9.砂轮升降旋转铰链
10.磨头架 11.磨头架水平滑动导轨
图8 磨体总体结构
此外，砂轮应根据磨削刀具的不同可以更换，同时拆卸还应方便。
4 叶根槽铣刀尺
叶根槽铣刀尺寸的测量主要指图2中台阶面的径向尺寸A(-0.03)及B(-0.03)的测量，以及台阶面的轴向相对尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02的测量。显然要靠一般的标准工具显微镜是无法测量的，事实上国外一些制造厂至今仍然采用简易的光学测量装置进行测量，不仅结构简单?测量可靠，而且快捷方便，制造成本低廉。图9为此测量装置的主视图，图10为此测量装置的侧视图。水平测量台3为简易焊接结构件，也可以使用废旧车床带燕尾导轨的床身，将左端部分装上带心轴的圆盘并置于水平位置，垂直测量台9可沿水平测量台的燕尾形导轨作水平方向(X)的移动，其移动的行程量可通过百分表11、12精确测量出来，再借助特制的工具显微镜(放大10倍，图9、图10中件4)，可以确定叶根槽铣刀几个台阶径向方向的相对尺寸，即尺寸A(-0.03)及B(-0.03)。图10中的件3是气泡式水平仪，用以使显微镜处于水平位置。显微镜4中的刻线为米字形刻线(见图11)，在刀具端部型线处，将刀具圆弧最高点对准铅垂刻线，百分表回零，转动丝杆10使垂直测量台9左移，在中部台阶型线处如图11b右图所示使刀具型线对准显微镜中的刻线，此时百分表读数即为尺寸A(-0.03)的测量值，再移动水平测量台即可测出尺寸B(-0.03)。
1.叶根槽铣刀 2.心轴 3.水平测量台 4.水平显微镜 5.垂直显微镜 6.垂直行程百分表
7.垂直升降台 8.垂直升降丝杆 9.垂直测量台 10.水平移动丝杆
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)
图9 叶根槽铣刀尺寸检测装置简图(主视图)
1.垂直测量台导轨 2.垂直升降台
3.气泡水平仪 4.水平显微镜
图10 叶根槽铣刀检测装置(俯视图)
垂直升降台7可以沿着垂直测量台的燕尾形导轨作上下移动，上下移动的行程可由垂直行程百分表6精确测量，测量值即为叶根槽铣刀轴向台阶面的相对尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02，在显微镜中的对准方法同上。 
(a) (b)
1～4.刻线 5.刀具中部台阶型线处 6.刀具端部型线处
图11 显微镜刻线及测量方法
5 问题讨论
1) 关于刀具材料
据了解，有些制造厂采用的刀具材料牌号是粉末冶金高速工具钢。粉末冶金高速工具钢是用粉末冶金方法制造的，其优点是:
从根本上解决了碳化物不均匀性问题，一次碳化物颗粒细小(2～5µm)，适宜制成大截面刀具。
由于碳化物颗粒小，可磨性好。
热处理加热时间短，淬火变形小，仅为熔炼高速钢的1/2～1/3。
材料的力学性能决定于冶金质量，抗弯强度和冲击韧性可以做成比熔炼高速钢更高的，适宜作断续切削刀具。
2) 关于刃磨装置砂轮的修磨
经过一定时间的使用后，由于刀具磨屑粘入砂轮，以及砂轮本身的磨损，就必须对砂轮进行修磨。修磨方法同样可以巧妙地运用连杆机构(见图12)的原理。
1.砂轮 2.金刚石笔 3.金刚石笔夹持器
4.支撑杆 5.平底靠模板 6.靠模子 7.铰链
图12 砂轮修磨方法
仅左端A、B两个铰链固定在磨头架上，两连杆再加上可以自由转动的金刚石笔转轴及其平底靠模板，就巧妙地构成了砂轮修磨器。修磨时，只要将金刚石笔转轴从图示左侧转到图示右侧，使靠模板紧靠在靠模子的R上，金刚石笔即可磨出某一后角时的砂轮形状，其R与靠模子完全一样，这样也就保证了刀具型线与刀具靠模板型线一致。
3) 关于仿形磨削的结构方式
从仿形磨削的结构方式上讲，除了上述六连杆机构外，还有气垫式仿形磨削结构，即整个刀具及刀具托架是自由支撑在一个高精度的平台上(如图13)，刀具托架底部有四个φ0.4mm的压缩空气出口，靠压缩空气在刀具托架与工作平台间形成的气膜将刀具托架浮起来。但此种结构适合于重量较轻的刀具如一般螺旋铣刀、铰刀、球头铣刀，小型成型铣刀等。对于较大的如长叶片叶根槽铣刀其外径和重量均较大，利用稳定性较好、承载能力较大的连杆机构式磨削装置更为合适。
1.刀具托架 2.气垫 3.工作平台
4.刀具夹持器 5.靠模板
图13 气垫式仿形磨削装置
6 结束语
从以上可以看出，采用六连杆机构的机械式仿形叶根槽铣刀重磨(刃磨)装置及其叶根槽铣刀型线的检测装置从理论上是可行的，而且国外的长期实践也证明其可行性，是一种较为成熟的技术。
利用连杆机构式仿形磨削装置投资较少，并且性能稳定、结构简单、维护方便，可以制成多台规格不一的系列化产品，以满足不同形式、大小的尖齿成型刀具的磨削。
同时，除了可以磨削叶根槽铣刀以外，采用不同的刀具托架、心轴、刀具夹持器、砂轮、撑齿，还可以磨削正前角尖齿球头铣刀、菌形叶根铣刀、螺旋铣刀、螺旋铰刀、一般的叶片型面成型铣刀甚至成型车刀等，用途非常广泛。(end)
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