1 引言

大型汽輪機末級長葉片葉根槽一般為七叉型葉根槽，為保證其嚴格的型線與尺寸精度要求，國外制造加工時一般均采用8片組裝式成型；加之目前末級長葉片材料與原來相比硬度提高，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圖(圖中前角末畫出)。

圖1 葉根槽銑刀裝配簡圖

圖2 葉根槽銑刀左刀片型線簡圖

在銑刀的制造過程中有三大難點：

一是整體結構的選擇。國外一般采用低溫焊接技術將粉末冶金高速鋼(Mo高速鋼)刀片焊接在刀體上的焊接結構，低溫焊接主要是為了防止溫度過高致使刀片退火，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，可采用硬質合金鑲齒結構替代。可以保證鑲齒刀具在切削過程中的可靠性。

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。刃磨包括前刀面的刃磨(產生刀具的前角)和后刀面的刃磨(產生刀具的后角)。前刀面的刃磨不存在問題。前刀面是一個幾何平面，刃磨通常可在一般的刀具磨床上進行，同時也可將銑刀盤外徑刃磨或重磨出來，甚至可以粗磨(僅此而已)后刀面以減少后刀面的精磨余量。事實上，刀具在切削過程中的磨損主要在后刀面上，刀具制造時首次磨好前刀面后，重磨時一般不再刃磨。

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動形成的一個包絡曲面，用一般的刀磨不可能形成這樣一個恒定后角值的后刀面，而后刀面或后角對成型銑刀減少切削抗力保證葉根精度又是至關重要的，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(見圖3)。第三后刀面加工時的磨損較小，可在制造時磨出，重磨時一般不再磨削；第一后刀面可在第二后刀面磨出后自然形成。關鍵是第二后刀面(或8°后角)的重磨。后角的刃磨一般認為采用數控多坐標刀具磨床，但數控磨床價格昂貴，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

采用根據平面連桿機構原理設計制造的機械式仿形磨床，結構簡單，操作方便，價格便宜，甚至可以自行設計制造。本文主要介紹的就是這種仿形磨床的原理、主要結構、設計技術參數和刃磨方法。

三是刀具制造或重磨后的檢測。由于刀具是圓盤齒狀型線結構，再加之前角和后角的影響，很難用樣板、坐標測量儀、萬工顯等來直接測量。刀具首次制造時的測量可以采用試切法，即用制造好的成型銑刀在試驗工件(如一塊方形鋼板)上進行試切削，然后通過檢測試驗工件叉型槽(模擬真實葉片葉根槽)的精度來間接驗證銑刀型線的正確性；但后續制造特別是頻繁的刃口用鈍重磨后的檢測不再可能都通過試切法來確認或檢測刀具型線和尺寸精度的正確性。結合一些制造廠的成熟經驗，本文介紹一種快捷、簡便有效，可以自制的檢測裝置。

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介

仿形磨削裝置必須解決兩個問題：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圖4。

1～5.平面連桿(機構) 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)

該裝置巧妙運用了六連桿機構的運動原理，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自由轉動的；放置在中間連桿3上的刀具托架又可以在水平面內繞放置在連桿3中部的轉軸旋轉，以適應刀具側部型線的磨削，刀具及靠模板裝在刀具托架上，靠模板可以測前后作一定的調整移動和微量的轉動調整，磨削時靠模板(型線尺寸與刀具設計型線相同，裝在托架的底部)始終與固定在床身上的硬質合金靠模子的圓弧(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。刀具連同可繞其轉動的心軸裝在托架的最上方(見圖5)。

1.心軸與調整套筒 2.翻蓋式心軸軸承座
3.軸向進刀刻度盤 4.磨削操作手柄 5.刀具托架
6.徑向進刀旋鈕 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)

通過旋轉刀具心軸兩端的手柄可以在小范圍內沿心軸軸線方向調整刀具，以實現刀具磨削時的軸向進刀；刀齒是一個齒一個齒依次進行磨削的，磨削時，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，此時磨削的刀具后角為零)時的高度。磨頭相對連桿機構來說是獨立的，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型線精度造成的誤差，砂輪中心高度可在45mm范圍內調整，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，通過水平面(設為X-Y平面)內的六連桿機構，可以獲得刀具在X-Y平面的2個移動自由度，通過刀具托架在中間連桿上的轉動，可以獲得刀具在水平面內繞Z軸轉動的自由度，通過刀具繞刀具心軸的轉動，可以獲得刀具繞X軸或Y軸的轉動，因此刀具具有除沿Z軸移動外的5個自由度，可滿足刀具沿型線各方向磨削的要求；樣板的可移動和少量可轉動，以及刀具沿心軸軸線方向的可調整移動，可以滿足磨削前的找正調整以及磨削中的進刀調整；通過六連桿機構并借助樣板和靠模子獲得了刀具的型線。通過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，此時刀具后角為零；如圖7b所示，當砂輪中心升高<值后，過刀尖所作砂輪外圓的切線與過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范圍內可調，因此后角α=arcsin(2×45/175)=31°，即后角在0～31°范圍內可調，最大可磨后角為31°。由此可見，可磨后角的大小是由砂輪直徑與砂輪中心可調高度決定的，砂輪中心可調范圍越大，砂輪直徑越小，可磨刀具后角越大，一般情況下。0～30°的后角范圍已經足夠，實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和刀具發生干涉。如果葉片葉根槽銑刀要磨削的后角為8°，由上式可計算出砂輪中心僅需調整升高(175/2)×8°=12.2mm。

由圖中同時還可以看出，磨削后的刀具后刀面事實上是一個空間圓弧曲面。

3 仿形磨削裝置的技術參數與結構設計

1) 技術參數

a. 磨頭與砂輪

磨頭及砂輪的直徑、轉速、所磨后角范圍參見表1。

表1

不同的轉速通過電機軸端的塔式皮帶輪來進行調節，不同的砂輪直徑、不同的轉速范圍所對應的砂輪外圓周的磨削線速度同時列于表1中。

b. 最大刀具尺寸

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

c. 刀具托架

心軸直徑φ100mm，托架心軸軸向調整量10mm以上，托架旋轉分度銷數量12個。

d. 靠模板

靠模板調整行程為10mm以上，靠模板旋轉角度精調整范圍：±35'。

2) 磨頭結構設計

圖8為磨頭部分的實物圖片。磨頭總體結構應使磨頭砂輪初始位置中心與刀具中心在同一水平面內；磨頭砂輪中心高度應在鉛垂方向可調(行程45mm)，調整方法可采用在磨頭電機端尾部設置一個轉動鉸鏈9，由垂直升降手柄6進行調節?？蓪⒑蠼桥c砂輪升降量的關系換算出來，并用刻線刻在后角指示板上以方便后角磨削時砂輪中心高度的調整。

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.磨頭水平行程調節手柄
8.砂輪升降鎖緊手柄 9.砂輪升降旋轉鉸鏈
10.磨頭架 11.磨頭架水平滑動導軌
圖8 磨體總體結構

此外，砂輪應根據磨削刀具的不同可以更換，同時拆卸還應方便。

4 葉根槽銑刀尺

葉根槽銑刀尺寸的測量主要指圖2中臺階面的徑向尺寸A(-0.03)及B(-0.03)的測量，以及臺階面的軸向相對尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02的測量。顯然要靠一般的標準工具顯微鏡是無法測量的，事實上國外一些制造廠至今仍然采用簡易的光學測量裝置進行測量，不僅結構簡單?測量可靠，而且快捷方便，制造成本低廉。圖9為此測量裝置的主視圖，圖10為此測量裝置的側視圖。水平測量臺3為簡易焊接結構件，也可以使用廢舊帶燕尾導軌的床身，將左端部分裝上帶心軸的圓盤并置于水平位置，垂直測量臺9可沿水平測量臺的燕尾形導軌作水平方向(X)的移動，其移動的行程量可通過百分表11、12精確測量出來，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臺階徑向方向的相對尺寸，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(見圖11)，在刀具端部型線處，將刀具圓弧最高點對準鉛垂刻線，百分表回零，轉動絲桿10使垂直測量臺9左移，在中部臺階型線處如圖11b右圖所示使刀具型線對準顯微鏡中的刻線，此時百分表讀數即為尺寸A(-0.03)的測量值，再移動水平測量臺即可測出尺寸B(-0.03)。

1.葉根槽銑刀 2.心軸 3.水平測量臺 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 8.垂直升降絲桿 9.垂直測量臺 10.水平移動絲桿
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裝置簡圖(主視圖)

1.垂直測量臺導軌 2.垂直升降臺
3.氣泡水平儀 4.水平顯微鏡
圖10 葉根槽銑刀檢測裝置(俯視圖)

垂直升降臺7可以沿著垂直測量臺的燕尾形導軌作上下移動，上下移動的行程可由垂直行程百分表6精確測量，測量值即為葉根槽銑刀軸向臺階面的相對尺寸C±0.02，D±0.02，E±0.02，在顯微鏡中的對準方法同上。

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

5 問題討論

1) 關于刀具材料

據了解，有些制造廠采用的刀具材料牌號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，其優點是:

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

2) 關于刃磨裝置砂輪的修磨

經過一定時間的使用后，由于刀具磨屑粘入砂輪，以及砂輪本身的磨損，就必須對砂輪進行修磨。修磨方法同樣可以巧妙地運用連桿機構(見圖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兩個鉸鏈固定在磨頭架上，兩連桿再加上可以自由轉動的金剛石筆轉軸及其平底靠模板，就巧妙地構成了砂輪修磨器。修磨時，只要將金剛石筆轉軸從圖示左側轉到圖示右側，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) 關于仿形磨削的結構方式

從仿形磨削的結構方式上講，除了上述六連桿機構外，還有氣墊式仿形磨削結構，即整個刀具及刀具托架是自由支撐在一個高精度的平臺上(如圖13)，刀具托架底部有四個φ0.4mm的壓縮空氣出口，靠壓縮空氣在刀具托架與工作平臺間形成的氣膜將刀具托架浮起來。但此種結構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。對于較大的如長葉片葉根槽銑刀其外徑和重量均較大，利用穩定性較好、承載能力較大的連桿機構式磨削裝置更為合適。

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

6 結束語

從以上可以看出，采用六連桿機構的機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裝置從理論上是可行的，而且國外的長期實踐也證明其可行性，是一種較為成熟的技術。

利用連桿機構式仿形磨削裝置投資較少，并且性能穩定、結構簡單、維護方便，可以制成多臺規格不一的系列化產品，以滿足不同形式、大小的尖齒成型刀具的磨削。

同時，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)