用于加工底切槽的方法和设备

摘要

在转子槽的加工中，在用一个盘状铣刀进行槽的通常的没有底切的开槽和借助一个HSS成型轴铣刀进行成型铣切之间，插入一个预精细铣切操作，其中，用一配备有可转换角度的截齿的成型轴铣刀预铣切出轮廓的形状。为此所用的成型轴铣刀不同之处在于：它在其齿尖处较在其齿侧面处具有较多的切削表面。而且，通过在可转换角度的截齿的切削刃的周边方向上的重叠所形成的切削表面是中断的，使得可加工出基本上扁平的和并非非常刚性的切屑。

说明书

本发明涉及一种用于加工底切槽，特别是用于加工用于将叶片固定到涡轮转子等上的圣诞树形状的直槽或斜槽的设备和方法。

涡轮转子通常具有一个圆筒形的基体，该基体设置有多个盘状的径向向外突伸出的部分(叶片固定环部分)。这些与圆筒形的涡轮转子的其余部分同轴设置的部分沿它们的圆周设置有多个沿轴向或沿相对于轴向方向倾斜地延伸的成型槽。这些槽的作用是固定住一个适当成型的叶根；为了避免局部的过载以及确保各个涡轮叶片的精确安装，这些槽必须加工出精确的形状，也就是说，只有例如0.01mm的微小公差。

这些槽一般是在设在联邦德国5602 Langenberg/Rhld的KllmannMaschinenbau有限公司的第9期特别出版物上刊登的“用于切削发电机和蜗轮机转子的方法及其机器”中所公开的那种铣切工艺中加工的。将合适的坯料支承在一个其作用是将该坯料定位以便铣切各个槽的夹紧和分度装置上。加工槽涉及多个铣切步骤。在这样的第一铣切步骤中，在粗铣操作中用一个盘状铣刀开出槽来。这样就形成一个没有底切的轮廓，该轮廓只是大致地象槽或换句话说象所要求的槽的形式。为此使用一个盘状铣刀，并导引该铣刀沿要被开出的槽的纵向在送进运动中通过工件。在是直槽或斜槽的最后的铣切步骤的第二铣切步骤中，一个HSS轴或成型铣刀(HSS：是英文High performance highSpeed Steel的缩写，意为高性能高速钢)以最大的精确度沿纵向导引通过槽，以便形成尺寸误差不大于0.01mm的所要求的圣诞树形状的槽。在此铣切加工步骤中，在粗铣切出(预开口)的槽的侧面上，制出纵向延伸的底切，在横截面上产生了典型的圣诞树形状的轮廓。

HSS成形铣刀的送进是在纵向方向上实现的，因此必须去除大量的材料，特别是在要形成底切的区域处。可达到的送进速度是实际上是受到限制的；速度可以达到每分钟40至80mm。相反，对于每个单独的槽的某个最小铣切时间是不可能低于预定值的。在涡轮转子的周边上要形成大量的槽的情况下，涡轮转子的总的铣切时间是相当长的，这会体现在其成本上。

HSS轴铣刀还会导致另一些问题。它们的磨削表面决定了在成形铣切中加工出的槽的可得到的精确度。这意味着HSS轴铣刀在其磨损会导致其呈现显著的尺寸误差前必须重新研磨。因此，需要较大量的刀具库存才能确保在铣切工艺中随时可以得到足够锋利的和至少尺寸大致精确的刀具，同时在适当安置的研磨设备上重新磨削已经磨损的HSS轴铣刀。但是，在于切削面上进行的重新研磨中，由于坯料相对于圆周方向的锐角放置，会使铣刀产生尺寸误差。

根据上面描述的第一组问题，本发明的目的是创造一种用于加工底切槽的工件材料去除刀具及其方法，这可缩短铣切的时间。本发明的创造用于去除材料的工件材料去除刀具和方法还可以延长各个工件材料去除刀具的寿命。

具体地说，这些目的中的第一目的是通过分别如权利要求1和2中所限定的工件材料去除刀具获得的，加工出底切槽的方法借助权利要求21的特征达到的。

简单地说，根据权利要求1，提供一种工件材料去除刀具，其切削刃根据它们所处的方向形成不同数量的切削刃。例如，在其周边上，工件材料去除刀具具有其取向平行于与纵向中心轴线重合的转动轴线的切削刃。在用于铣切出圣诞树轮廓的槽的成型轴铣刀中，这些切削刃是较短的切削刃，每个都处在其齿尖处。这些切削刃的取向与送进方向成直角，送进方向则是沿刀具本体的转动轴线(纵向中心轴线)的径向。毗邻齿尖的切削刃相对于转动轴线和送进方向都形成一个锐角。处在每个齿尖处并且其取向平行于纵向中心轴线或转动轴线(与送进方向成直角)的切削刃形成了多个切削表面，这些切削表面的数量多于由斜向的切削刃所形成的切削表面的数量。关于转动轴线，这意味着与转动轴线形成一个较小的角度(一个锐角，该角可以等于零)的切削刃的数量大于与转动轴线形成较大角度的切削刃的数量。在送进方向方面，根据权利要求2，与送进方向成直角或较大的锐角的每个切削刃形成数量多于与送进方向成数值较小的锐角的每个切削刃。

这种设置所得到的结果是切削深度在所有的切削刃处具有大致相等的尺寸。这样，就可以增加送进的速度，因为与其取向与送进方向成直角或成稍稍小于直角的角度的切削刃的通常数量相比，数量增加了。在最后的分析中，其结果是缩短了单个槽的铣切时间，由于在涡轮转子上有大量的槽，与常规的铣切方法相比，这样加起来可以得到大量的总的时间的节省。例如，如果倾斜设置的切削刃与转动轴线成约45°的角度，并且如果在齿的齿尖区域上的切削刃的数量z＝2，以及在其他区域切削刃的数量z＝1，这样与具有单个切削刃(z＝1)的刀具相比，可以采用两倍的送进速度，从而可以节省50％的时间。

权利要求2也限定了其中送进方向平行于转动轴线的刀具。

优越的实施例是从属权利要求的主题。

如果刀具本体设置有切削镶嵌件，则可以获得特别优越的实施例。这些切削镶嵌件最好是可转换角度的截齿，它们分开地连接到刀具本体上。可转换角度的截齿使得到高的材料去除性能成为可能，因此可以获得与HSS成型铣刀相比高得多的送进速度。当它们磨损时，截齿或板可以替换或翻转，使得能够以简单的方式保证可用的工件材料去除刀具的尺寸精度。这特别有利于解开各个截齿或截片的切削的相互作用。这意味着在每个可转换角度的截齿或截片上，只有处在齿尖处的一个主切削刃和毗邻的切削刃是活动的。切削刃在一个设置在另一个后面的可转换角度的截齿的圆周方向上的叠置在侧面区域上形成了一个完整切削表面以及在齿尖区域上形成了两个切削表面。由于在材料去除中的这种布置产生的切屑主要从最好是直的主切削刃和毗邻该主切削刃的短的切削刃中升上来，因此它们基本上是扁平的，因而是可挠曲的。这有助于切屑的导引。

在上面提及的设计形式的工件材料去除刀具中，刀具本体上的截片座最好安置在螺旋线上。这样得到的效果是：在材料去除操作中，可转换角度的截齿不会同时地但是是连续地与工件啮合，这样就可以进行平稳的铣切或者换句话说，可以进行平缓的切削加工。

各个可转换角度的截齿的切屑空间是相互分开的。因此，被抬起的切屑被分别地导引，它们不会相互卡住或相互干扰。

在刀具本体上切屑空间之间可以形成加强肋，这些肋的作用是将切屑空间分隔开并且加强刀具本体。这样就可以使铣切的精度得到提高。

在加工底切槽的方法中，除了可从现有技术中得知的铣切步骤外，即除了开槽和槽的精细切削外，要进行一个辅助的铣切步骤，该步骤是在粗切削(开槽)和精细切削之间进行的。此辅助步骤是槽的预精细铣切，其中使所要求的槽形成有恒定的尺寸不足或过大尺寸。这样，在精切削操作中就去除掉均匀的材料深度，这可减小刀具的磨损和使磨损在精铣切刀具的切削表面的整个长度上是均匀的。这样，精铣切刀具的表面寿命就得到了改善。

而且，可以增加送进速度，因为现在在精切削操作中只有少量的材料需要去除，因此可以显著地缩短铣切时间。

预精切削步骤最好用配备有可转换角度的截齿的成型轴铣刀进行。这样可以得到高的送进速度，因为用可转换角度的截齿可以获得高的材料去除性能。

附图中示出了本发明的一个典型实施例。

图1是用于成型槽的预精切削的轴铣刀的透视图；

图2是图1所示的成型轴铣刀的不同比例的示意侧视图，可转换角度的截齿啮合着一个工件；

图3以不同比例的剖视图的形式示出了图1和2成型轴铣刀的可转换角度的截齿；

图4是图3所示的可转换角度的截齿的平面图；

图5和6是图4所示的可转换角度的截齿的相应的齿侧面的侧视图；

图7是两个配合工作的可转换角度的截齿在它们于周边方向上相互投影在另一个上的齿尖区域处的放大比例的示意图，示出了相互之间的几何关系和所要求的槽的轮廓；

图7A是由图1和2所示的成型轴铣刀产生的切屑的示意剖视图；

图8是带有一条已由盘状铣刀开口的槽的工件的示意图，该槽是所要加工的槽的没有底切的粗轮廓；

图9示意性地示出了在开槽后已经进行预精切削加工后的图8所示的工件；

图10以较小比例的示意图的形式示出了一个具有法兰状的圆筒形部分的涡轮转子，在圆筒形部分上已经形成了具有底切的槽。

图1示出了一种用于底切槽2(图10)的预精切削的成型轴铣刀1形式的工件材料去除刀具。槽2是特别是用于汽轮机的涡轮转子3的涡轮叶片的固定槽。槽2设置在涡轮转子3的圆筒形部分4上，这些圆筒形部分在径向方向上突伸出涡轮转子3的其余部分之外，使得每个槽2都在两侧是敞开的。

如图1所示那样，成型轴铣刀1具有一个刀具本体5，该刀具本体以圆筒形基础形状开始在一端，即图1中的上端设置有一个圆锥体，该锥体具有一个用于保持在刀具或芯轴固定夹具中的圆锥部7。该圆锥部7最好是一个空心柄圆锥体或快卸的锥度陡的圆锥部。圆锥部7毗邻一个大致圆筒形的设置有一条圆周槽的操作部分8，从该操作部分8上延伸出一个成型可转换角度的镶嵌件携持部分9。与刀具图5的其他部分7，8一样，可转换角度的镶嵌件携持部分9是与一条纵向中心轴线同轴的，该轴线在成形轴铣刀1的使用过程中是与其转动轴线同轴的。

可转换角度的镶嵌件携持部分9具有这样一种外轮廓，即除了某种尺寸不足外，该轮廓在纵向截面上是大致地与要被加工出的槽的横截面重合的。在实施例中要被加工出的槽2的情况下，在图2中可见到，该槽具有圣诞树轮廓，该轮廓在其槽的侧面4上具有肋12(12a-12d)，这些肋突伸入槽的内部并且在槽的纵向上延伸，并在中间形成纵向延伸的压痕齿尖13(13a-13d)，该可转换角度的携持部分9具有总数为四个的轴向隔开并且沿圆周方向延伸的径向突伸部分或沿圆周方向延伸的环状肋缘14(14a-14d)，在平头截锥体的基础形状处开始。每个环状肋缘14形成这样一个部分，该部分被用来铣切出压痕齿尖13中的一个。为此，可转换角度的镶嵌件携持部分9设置有两排可转换角度的镶嵌件16，17，每一排都安置在一条具有合适节距的螺旋线上。

可转换角度的镶嵌件排16包括总数为四的截齿座18(18a-18d)。在可转换角度镶嵌件排16中，在每一个环状肋缘14处精确地设置有一个截齿座18(18a-18d)。每个截齿座18都设置有一个沿径向和轴向延伸的支承面，该支承面由两个接触面19，20(a-d)连接起来，这两个接触面相互之间并且与该支承面之间形成一个夹角。而且，如从图1可以看到的那样，每一个截齿座18都与在成形轴铣刀1的转动方向上设置在前部并且中断肋缘14的一个凹陷部22(22a-22d)相连，该凹陷部作为切屑的空间。凹陷部22a-22d由肋缘或棱边23(23a-23c)相互隔开，这些棱边防止切屑从一个切屑空间迁移到下一个切屑空间内，并且还可在其可转换角度镶嵌件携持部分9处加强成形轴铣刀1。

可转换角度镶嵌件排17相对于纵向中心轴线11线性地对称于可转换角度镶嵌件排16，并且可转换角度镶嵌件排16的说明因此也可用于可转换角度镶嵌件排17。每个截齿座18(18a-18d)都与可转换角度镶嵌件排17的一个截齿座25相连，它们形成一对部件。如从图3-6中所看见的那样，相互匹配的可转换角度截齿27(27a-27d)，27′(27′a-27′d)固定在截齿座18和截齿座25上，它们的详细的结构形式将在后面进行说明。如图4中所示的那样，可转换角度的截齿27具有总数为四的主要切削刃28-1，28-2，29-1，29-2，它们安置在平行四边形的侧边上。可转换角度的截齿27也线性地对称于形成固定开口31的中心轴线的直线32。下面对主要切削刃28，29的标示在每种情况下都可用于这两种主要切削刃，即可用于切削刃28-1，28-2和29-1，29-2。

在处在主要切削刃28，29之间的转角部位处，主要切削刃28，29经一个圆角与一个短的直角切削刃34(34-1，34-2)合并。一个在图4平面图中可看到的连续切屑面如图5和6所示的那样，由与该切屑面成锐角的齿侧面36，37，38连接起来，使得在成形轴铣刀1形成的公差角度都是正的。

在图7中可以看到每两个沿圆周重叠的截齿座18，25的实施例，特别是在它们相互的径向和轴向两个取向(这同样可以用于截齿座对18a，25a；18b，25b；18c，25c；18d，25d)。虽然截齿座18，25在直径方向上相互成对地对置，但是接触面19，20(见图2)在轴向方向上设置成使可转换角度的截齿27，27′在轴向上相互偏离一个范围在十分之一毫米的量。在图7中，示出可转换角度的截齿27，27′在圆周方向上相互投影在另一个上。轴向偏移要使得可转换角度的截齿27，27′两者都只与一个主要切削刃28′，29和它们的转角切削刃34′，34一起活动。因此可转换角度的截齿27，27′的重叠要使得可转换角度的截齿27，27′两者一起形成一个用于压痕齿尖13的齿侧面部位的切削刃和一个在齿尖部位41上的双刃切削表面。因此，相对于纵向中心轴线11(图1)倾斜地设置的主要切削刃28′，29的区域上的切削刃的数目z是1，而在平行于纵向中心轴线11设置的转角切削刃34′，34的区域上的切削刃的数目z是2。因此，在齿尖部位41上的切削刃的数目是在与纵向中心轴线形成45°角的齿侧面部位上的切削刃的两倍。在成型轴铣刀1中并且采用与图7的图面垂直的送进方向，这意味着由横向于送进方向设置的切削刃34′，34形成的切削表面的数目较大，或换句话说，是与送进方向成锐角设置的主要切削刃28′，29的切削刃的数目的两倍那么大。

这样就可以得到在图7a中以理想的方式示意性地示出的切屑形式。切屑42相对于由图7a中箭头所示的送进方向43具有不同的厚度。在齿尖部位41处，切屑的厚度S明显小于在齿尖侧面部位处的厚度。在齿尖侧面部位上，切屑厚度S相等于每一转的送进量，而在齿尖区域上的切屑厚度S因存在两倍的切削表面，因此只是每一转的送进量的一半。(每一转的)送进量在图7a中以f标记。

但是，在齿尖部位处，切屑的深度D与切屑的厚度S匹配。在齿侧面部位上，齿的深度D是切屑厚度S的角投影。因此，在齿侧面部位上，切屑深度D较小，切屑厚度S较大。因此，在齿尖部位41上的切屑深度D和在齿侧面部位上的切屑深度D大致相等。这就使切削刃，即切削刃34′，28′的磨损均匀了，这种磨损基本上是由切屑深度D决定的。因此不会在齿尖部位处出现磨损增加的现象。这对于可转换角度的截齿27也是如此。

在图7a中示出的切屑基本上是扁平的和可挠曲的。因此得到了理想的切屑成型。这是通过切削表面的几何形状得到的，这种几何形状使得对于与送进方向3成锐角设置的切削刃的切削表面的数目要小于与送进方向43成相当大的角(横向)的切削刃的切削表面的数目。这对于直的和弯曲的切削刃都是如此。

与纵向中心轴线11同轴的刀具本体5穿有一条冷却剂通道44，该通道44穿过可转换角度的镶嵌件携持部分9到达铣切部位处，即进入到切屑空间22内，因此到达可转换角度的截齿27，27′。

所述的成型轴铣刀1的功能如下所述：

为了在涡轮转子3上制出在图10中示意地示出的槽2，首先将合适的样坯放到一个分度装置上。借助一个在图8中示意地示出的盘状铣刀46，在涡轮转子3的部位4处开出没有底切的槽2′，在图8中以剖视图示出了该转子的若干部分。配备有可转换角度的截齿47的盘状铣刀46绕转动轴线48转动，一旦它在箭头49的方向上调节到所要求的深度，它就以沿所要求的槽的纵向方向的送进运动导引通过部分4。在此过程中，盘状铣刀46切割出如图8所示的阶梯槽，该槽的轮廓由待形成的槽的轮廓的最内加工肋缘12a-12d决定。

在开出槽2′后，图2所示的类型的成型轴铣刀1设置来进行预精细切削工序，或换句话说，设置在涡轮转子3的两个部分4之间使得其纵向中心轴线11与工件的径向方向重合并且在其端部前与预开的槽2′对称。在沿待形成的槽的纵向方向上的送进运动中，转动着的成型轴铣刀1被导引通过槽2(见图2)，在此过程中，如图9所示那样，它将侧面的压痕齿尖13a-13d和13′a-13′d铣入粗糙地预开槽的槽2′内。这是以图7中所示的方式进行的，具有距精细加工的槽2的所要求的轮廓51的大致恒定的尺寸过大的部分A，在齿侧面部位和齿尖部位都如此。由于与在齿侧面部位上的切削表面的数目相比，在齿尖部位41上的切削刃的数目较大，因此，每个可转换角度的截齿27的活动的切削刃28，29，34处的切屑深度D基本上是相同的或恒定的，并且因此基本上在齿尖部位41处齿载荷没有增加。因此，送进的速度可以增至最大，而不会造成齿尖过载。这样送进速度就可以达到每分钟高达180mm的数值，该数值是用HSS铣刀可以得到的最大的送进速度的多倍。甚至具有减磨损涂层的HSS铣刀至多也仅能达到每分钟80mm的送进速度。

在最后的铣切步骤中，进行精铣，在精铣过程中，借助一个HSS铣刀去掉了恒定的尺寸过大的部分A形成轮廓51。此刀具仅仅需要具备一个较低的材料去除性能；由于有恒定的过大的尺寸部分A，磨损可以在其切削表面的整个长度上保持恒定。HSS铣刀所要求的仅仅少量的材料去除能够在精铣中得到高的送进速度，使得借助具有预精细铣切和精细铣切的两步骤铣切，首先是用配备有可转换角度的截齿的成型轴铣刀1进行，随后用一个HSS铣刀进行精细铣切操作，就可以达到非常短的铣切时间。该铣切时间要较仅用一个HSS铣刀铣切预开的槽2′所需的铣切时间短得多。

如果必要，在齿尖部位41处的过大的尺寸部分A可以比用成型轴铣刀1在槽2的精细铣切中加工的余下的过大尺寸部分A小。这可在精细铣切中保护HSS成型轴铣刀的齿尖或能够使刀具得到较高的送进速度。

由于可转换角度的截齿的对称性(从图4中看去)，被磨损的主要的和转角的切削刃28-1，29-1，34-1可以用尺寸仍然精确的切削刃28-2，29-2，34-2来替换，即将某个具体的可转换角度的截齿27从其截齿座上拧松，将其绕其中心轴线32转动180°，然后将其重新固定到可用的截齿座18，25上。可转换角度的截齿27还可以相互交换。这可确保在预精细铣切中，加工出一个固定的一致的轮廓。与此相反，在HSS成型轴铣刀的经常重新研磨中得到的轮廓形状是变化的，因为该铣刀的几何形状最终是变化的。而且，更换可转换角度的截齿是很简单的，花费的时间要较重新研磨操作所需要的时间短。

如果必要的话，可转换角度的截齿27d可以在形状上不同于其他的可转换角度的截齿，例如能够铣切出不象靠近底部那么宽的槽。

在转子槽的加工中，在借助一个盘状的铣刀开出没有底切的槽和借助一个HSS成型轴铣刀进行轮廓铣切之间，可以进行预精细铣切操作，其中用一个配备有可转换角度的截齿的成型轴铣刀预铣切出轮廓的形状。为此所用的成型轴铣刀明显的不同之处在于：例如在其径向外侧的齿尖处，它具有较在其倾斜的齿侧面上要多的切削表面的数目。而且，由在可转换角度的截齿的切削刃的圆周方向上的重叠部分所形成的切削表面被中断了，从而加工出基本上扁平的和不是非常刚硬的切屑。