东方汽轮机有限公司在加工汽轮机关键部件（高中压外缸）的隔板槽、开档槽时所使用的刀具均为大规格重型三面刃槽铣刀，如图1所示。

图1气缸加工中的大规格重型三面刃槽铣刀

现均使用进口刀具，价格昂贵，订货周期长，而这类国产刀具的使用精度保持时间较同规格进口刀具短很多。为了满足生产任务要求，降低生产成本和缩短刀具订货周期，本文针对该大规格重型三面刃槽铣刀进行了研究。

设计的大规格三面刃槽铣结构如图2所示。安装部分尺寸已形成国家标准，只需按标准和对应规格选定即可。刀体上安装刀片的刀片槽几何角度、刀体连接部分及结构设计通常可按切削条件和切削经验进行设计。不同规格的槽刀外径D为-mm，厚度B为30-35mm。按刀体厚度与刀体直径的比值，可称该类刀具刀体为“薄型盘类零件”。

在机械加工和使用过程中，减小薄型件变形是必须要解决的关键问题之一。一旦刀体变形，将造成刀具厚度和直径的不规则变化，直接影响加工精度和增大切削振动，并加速刀具报废。在设计制造和使用这类薄型刀体过程中要注意振动和减小变形，本文针对刀体在制造和使用时的刀体盘面变形这一关键问题进行研究，并主要通过刀具结构设计和制造来解决该问题。

图2大规格重型三面刃槽铣刀刀体结构

1刀体变形原因分析

通过大规格重型三面刃槽铣刀的制造和使用试验研究，发现以下几方面是影响刀体变形的主要因素：①刀体在使用中切削振动引起刀体变形；②刀体在使用中释放残余应力加剧刀体变形；③刀体材料及热处理工艺选用不当引起刀体变形；④重切削过程中的大切削力周期性反复作用以及刀盘局部受力，导致“薄型刀体”变形；⑤刀具使用后，因刀具放置不当而引起刀体变形。

上述影响刀体变形的①、②、③因素与刀体设计和制造有直接关系；第④点主要由刀具使用时的工况决定；第⑤点由刀体综合性能和维护不当造成，与本文讨论内容无直接关系。本文重点针对①、②、③点阐述减轻大规格盘形铣刀刀体变形的有效措施。

2刀体减振设计

铣削时，切削力周期性冲击刀体，若刀体不采用减振设计，将增大切削力对刀体的冲击，增加这种“薄型刀体”变形的可能性。为减小其影响，刀体采用不等齿距设计，并在刀体结构允许的条件下尽量增加刀体刚度。

(1)刀片不等分设计

因刀具在切削过程中会产生周期性切削力，刀具受周期性切削力冲击而发生振动。振动对刀具寿命和工件表面粗糙度有影响，因此需采取有效措施减轻振动。最严重的振动是共振，必须要避免。共振是指机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率接近时，系统振幅显著增大的现象。防止共振的措施有很多，通过对刀具使用情况的分析，本文通过改进刀片分布来改变切削力的冲击频率（即激励频率），使刀具的固有频率避开激励频率。

减振的实质是使刀具相对工件产生的相对振幅减小。切削力在每个刀齿切削时产生，是加工工艺系统振动的主要原因。欲使刀具相对工件产生的振幅减小，需合理选择齿间角，以使激振力频谱在所有频率下尽可能小。

不等齿距设计方案的评价指标是获得尽量平坦的铣削力幅值谱。铣削力是周期函数，其周期等于不等齿距铣刀的旋转周期T，对应的角频率ω=2π/T。设Fi(t)为不等齿距三面刃槽铣刀任意方向上的分力，i=x、y、z，可将其展开为以下的傅里叶级数

式中，；；，n=1，2，3，…。

幅值谱的第n次谐波幅值。以铣削力各谐波幅值和最小作为优选不等齿距齿间角目标函数，即

目标函数中N为所取谐波的总数，其余的高次谐波幅值小到可以忽略不计。将该目标函数计算出的齿间角记为θn，并记齿间角下、上限值分别为θmin和θmax。θmin表示刀体上取该值时齿距最小，但有足够容屑空间，刀体强度满足要求，刀片夹紧可靠；θmax值主要由大规格三面刃槽铣刀的动平衡和刀片每齿进给变化等条件确定，一般θmin≥2θmax/3。

由式（2）计算出来的θn应满足θmin≤θn≤θmax。若不满足该式，应将不满足该式的θn值调入该范围，代入式（2）中再计算，直到满足为止。这样计算出来的θn再经过数据标准化后，即为刀体上不等齿距间夹角。

(2)刀盘结构设计

改进刀盘结构设计的目的是提高刚度，但往往受使用条件的限制。只有在满足使用条件的情况下进行优化，不能为了提高刚度而影响使用。在刀体总体设计过程中，应时刻注重增大刀盘刚性。如图1中刀体凸台，虽然受到切槽深度限制，但需尽可能取大值，且设计成锥台，可进一步增大刀体刚性。

3加工工艺方法

(1)刀体残余应力

残余应力是指外部载荷去除后仍残存在工件内部的应力。当物体内存在残余应力时，物体将产生相应的弹性变形或晶格畸变。若该残余应力因某种原因消失或其平衡遭到破坏，相应的变形也将发生变化，引起物体尺寸和形状改变。对于该类“薄型刀体”，残余应力对其影响很大，有效降低刀盘中的残余应力，可以有效减小刀盘变形。

①残余应力产生原因

刀体在制造过程中产生残余应力的原因主要有：

Ⅰ淬火热处理

刀体制造过程中，为提高刀体硬度而进行淬火热处理会在刀体中产生残余应力。在热处理过程中，由于工件各部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，通常会产生残余应力，而残余应力对这种薄盘类零件的变形影响更明显。

Ⅱ切削加工

切削过程中的残余应力由机械应力和热应力两种因素引起。机械应力是在切削加工过程中，切削表层产生塑性变形，切削完成后受到里层未变形金属牵制而残留拉应力，里层金属产生残余压应力。同时，切削热也会引起残余应力，切削过程中，表层金属受热膨胀产生的塑性变形受里层低温金属阻碍而产生应力。在切削后的冷却过程中，表层金属体积收缩，受里层金属阻碍会产生残余拉应力。

制造刀体过程中不可避免地有残余应力产生，只有采取适当方法来降低残余应力，减小其对刀体精度的影响。

②减小残余应力的方法

减小残余应力一般有两种方法：热处理法和机械法。用热处理法去除残余应力，只要退火温度和时间适宜，应力可充分去除，但与此同时会造成材料硬度等机械性能下降，并且热作用会产生组织变化。机械方法是利用材料内部产生的塑性变形来达到降低残余应力的目的。用这种方法消除残余应力的程度有限，但不会使机械性能下降，而且比热处理法更经济。

Ⅰ热处理法

采用退火或回火的热处理法，通过加热调整材料组织而使淬火残余应力减小，低温回火是热处理方法中常用的一种。为充分去除残余应力，回火温度至少在℃以上，但高温回火会降低材料硬度。同时，温度高会导致新的残余应力产生，结合刀体对硬度和机械性能的要求，需对回火温度进行适当选择。根据相关文献可知，℃时能去除25%的淬火残余应力，℃时能去除50%，℃时可去除大于90%的残余应力。回火保温时间一般为30min，25mm厚，冷却速度在℃/h以下，缓冷。

Ⅱ机械法

常用机械去残余应力的方法是振动法。将工件置于振动机工作台上，振动机设置合适的振动频率和幅值进行振动，并产生交变应力，使之与工件内部残余应力叠加，以达到工件材料的屈服强度，使工件残余应力集中处产生相对较大的塑性变形，从而使残余应力得到释放，达到降低和均化残余应力的效果。

(2)刀体材料和热处理

刀体材料和热处理方法对刀体的抗变形作用是基础性的，涉及到材料、热处理工艺等基础学科。以我国目前的材料制备能力和热处理现状，通过这种方法来改善刀体材料在短时间内难有较大提升。

刀体材料需要高韧性、高强度、抗冲击等综合性能，在能保证顺利加工刀体的条件下，材料热处理硬度取较高值。为保证刀体制造精度和强度，刀片槽精加工、刀片压紧用螺钉孔及攻丝均在热处理后进行。因此，刀体热处理硬度值不能过高，否则螺孔攻丝极为困难。刀体材料通常使用韧性、抗冲击等综合性能较好的42CrMoA，调质热处理硬度为35-40HRC，表面氮化处理，这样既能保证使用强度，也相对容易加工。

(3)其它措施

除上述几种措施外，其它措施还包括提高刀体制造精度，使刀体在使用过程中每齿受力相对均匀。此外，刀体长时间闲置时，采用专用心棒穿过中心孔，将其放于支架上，以减小自重对刀体变形产生影响。

上述措施对减轻刀体变形均有较好效果，其它未知的有效措施还有待进一步研究。

4应用效果

通过刀体结构和减振设计、刀体残余应力处理等措施，大规格重型三面刃槽铣刀的切削性能在以下方面有明显提高：单位使用时间内刀具变形量减小；切削过程中振动减小；同等条件下刀片使用寿命提高。

东方汽轮机公司大量使用该类刀具加工气缸隔板槽。采用本文方法设计的槽铣刀1与其它槽铣刀2切削加工槽表面后的表面质量对比见图3。

(a)刀具1

(b)刀具2

图3铣削加工后的表面质量对比

由图3可知，刀具1切削后的槽表面振纹明显减轻，刀具1的切削槽表面无明显振纹，刀具2的切削槽表面有明显振纹。采用同样切削条件和刀片，使用槽铣刀1与槽铣刀2的刀片失效形式对比见图4。

(a)刀具1

(b)刀具2

图4刀片失效形式对比

由图4可知，刀具2的刀片失效主要是崩刃，而刀具1的刀片属于正常磨损失效，且使用寿命明显更长。

小结

大规格重型三面刃槽铣刀长时间使用后的变形量是该类刀具综合性能的反应，也是设计该类刀具的主要考虑因素。采用不等分刀片分布的设计方法可减小切削过程中的铣刀振动和刀体变形，提高槽铣刀的使用寿命。在刀体制造过程中，可采用振动时效方法减小刀体残余应力和刀体变形。这些方法简便有效，为设计和制造大规格重型三面刃槽铣刀提供了一条有效途径。

原载《工具技术》作者：贠庆芳

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