1 引言

汽輪機轉子是汽輪機的動力部分，加工質量的好壞將直接影響到整個汽輪機的性能，而輪槽的加工又是轉子加工中最為關鍵、最為困難的環節。目前國內生產的30萬千瓦、60萬千瓦機組和核電機組的輪槽結構都采用的是普通樅樹型。這種結構的輪槽增大了葉根與輪槽的接觸面積，使載荷分布更加均勻，但其尺寸精度要求高，加工制造困難。由于大型樅樹型輪槽是圓弧槽，有4個承力面，其受力面角度大、強度高、輪槽深度大，橫截面幾何尺寸大，普通銑床無法加工。國外加工此類輪槽多采用專用數控輪槽銑床，而大型的數控銑床加工大型樅樹型轉子輪槽也存在精度問題。經分析試驗后，國內在輪槽加工工藝上，采用數控銑床分7刀加工此類輪槽。

1.粗銑刀Ⅰ 2.粗銑刀Ⅱ 3.加深立銑刀
4.半精銑刀Ⅱ 5.半精銑刀Ⅱ 6.精銑刀 7.端面銑刀
圖1 輪槽加工示意圖

如圖1所示，加工末級輪槽使用的輪槽銑刀比加工1～6級輪槽時多3倍以上，每一輪槽又需7刀才能加工完成，若購買國外成品刀具，價格非常昂貴，因此非常必要進行大規格輪槽銑刀的設計研制。由于輪槽銑刀屬于專用刀具，設計時除考慮刀具結構、材質、切削余量分配等因素外，還要考慮銑刀制造的工藝性。輪槽銑刀尤其是輪槽精銑刀的設計與制造非常復雜。由于輪槽的形狀和尺寸實際上是通過成形法加工獲得，因此輪槽精銑刀廓形的精度決定著輪槽廓形的精度。為了保證輪槽銑刀的使用壽命和方便重磨，輪槽精銑刀一般采用零度前角，鏟齒結構，其廓形是在鏟齒車床上鏟磨完齒形后最終形成。隨著鏟齒刀具刃形的變化，需要不同的鏟磨工藝，相應的鏟磨砂輪的截形也不同。鏟磨砂輪需要用金剛石滾輪或者用帶有金剛石筆的修整器進行修整，鏟磨砂輪修整后的截形精度直接影響著輪槽精銑刀廓形的精度，進而決定了輪槽廓形的精度。因為鏟磨齒形所用成形砂輪的截形設計計算相當繁瑣，所以生產中常采用一些近似計算，但其精度往往達不到要求。此外，鏟磨過程中砂輪截形還會因鏟磨工藝、斜鏟角度、砂輪直徑、刀具幾何參數等的變化而發生一些變化。因此，如何對輪槽銑刀進行精密鏟磨，是制造合格的輪槽銑刀，保證樅樹型輪槽加工精度的關鍵所在。

2 鏟磨工藝分析

近十幾年來，國內外學者對于鏟齒刀具精度保持性的研究從未間斷過，提高刀具齒側面的鏟磨精度一直是機床刀具行業亟待解決的重要課題。究其原因，主要是在刀具設計、鏟磨工藝等方面都存在著一系列的問題和誤差。輪槽銑刀的齒形鏟磨加工分徑向鏟磨和斜向鏟磨兩部分。徑向鏟磨時，鏟磨機理誤差較小；斜向鏟磨時，砂輪既有鏟背運動 (阿基米德螺旋運動)，又有斜向分運動，此時砂輪截形同時受到斜鏟角度、砂輪直徑、工件幾何參數等多種因素的影響，因此鏟磨機理誤差較大。

1. 輪槽 2.銑刀 3.砂輪 4.砂輪磙子
圖2 輪槽、銑刀、砂輪關系示意圖

樅樹型輪槽、輪槽銑刀、鏟磨砂輪及砂輪磙子四者之間的關系如圖2所示。目前國內工具生產廠家一般采用機床局部改造結合優化鏟床工藝參數的方法來提高輪槽鏟磨精度。鏟床的設計原理是以徑向鏟車為基礎的，若將其用于斜向鏟磨則存在著原理誤差。在鏟床現有的運動關系下，樅樹型輪槽刀具理論齒側面具有不可鏟磨性。目前采用的鏟磨方法，都沒有從鏟磨機理上根本解決鏟磨畸變問題，因而鏟磨效果并不十分理想。這些方法還在不同程度上存在著砂輪廓形計算復雜、優化得到的最佳工藝參數在生產現場很難實現等缺點。實際的廓形最終要由修形獲得，然而即使采用數控修形，重復修形精度也很難達到0.01mm。修形誤差對刀具齒形誤差的影響很大，甚至會降低刀具的制造精度和使用壽命。既使上述所有誤差均被克服，鏟磨過程中仍存在砂輪安裝、砂輪磨損等誤差，這些誤差都將產生鏟磨畸變問題。因此，想找到一種理想的砂輪廓形，一次鏟磨出樅樹型輪槽銑刀的正確齒形非常困難。經過多年研究，我們利用現代設計方法結合傳統加工經驗，綜合鏟磨機理、砂輪的修形、安裝及磨損等因素，將鏟磨砂輪的試湊原理及誤差影響分析演變為專家系統的推理規則，形成了基于知識的精密鏟磨系統，開發出一種較為理想的樅樹型輪槽銑刀鏟磨方法。

3 基于知識的精密鏟磨方法

通過以上分析，可以看出輪槽銑刀的鏟磨過程主要有以下特點：

鏟磨中用到的知識是生產實踐經驗的總結。有些經驗知識可以通過圖表、公式等形式總結出來，供使用參考，但大部分經驗知識無法用數學模型來表示。因此鏟磨過程是一個與領域知識及經驗積累密切相關的過程。
鏟磨過程是數值計算、圖形處理、優化設計等知識的綜合。方案的選擇應兼顧設計的技術可行性與經濟性原則。
輪槽銑刀的鏟磨是一個創造性勞動過程。曲面不同，成型刀具不同，鏟磨過程則不同。因此要充分發揮創造力。

圖3 基于知識的鏟磨系統結構圖

根據某企業制造輪槽銑刀多年積累的經驗，我們將知識技術引入刀具鏟磨過程，把專家知識經識別、概念化及形式化等處理，匯集成知識庫來解決鏟磨成形問題，從而實現鏟磨砂輪的準確修整，保證了輪槽銑刀的制造精度。圖3是基于知識的鏟磨系統結構圖。

鏟磨砂輪實際上是輪槽加工的二次工具。鏟磨過程可以分解為幾類任務進行設計，如輪槽刀具設計、鏟磨砂輪設計、鏟磨工藝設計、性能分析等。每一類任務又可分解為若干子任務，如鏟磨砂輪設計可分為砂輪結構設計、砂輪廓形設計等。每一類任務所用到的知識，既與其它部分的知識有一定程度上的關聯，又表現出很大的獨立性。為了克服產生式規則表示設計知識存在的形式單一，知識的組織、管理、維護都很困難的缺點，我們采用面向對象的思想構造知識庫，即按鏟磨砂輪設計的對象類層次結構對知識進行劃分，將知識分布地存放于各對象類知識中。這樣能夠避免相同信息的重復存儲，節省了存儲空間。對象的獨立性、知識重用性以及對象類之間的分解、繼承關系明確，使得知識庫能根據用戶的要求進行擴充與修改。

在系統中，采用C⁺⁺及UGⅡ提供的二次開發工具包UG/Open API定義特征提取類，通過遍歷產品的特征生成樹，將砂輪模型與預定義的特征進行比較，確定特征的工藝類型及尺寸、方位及關鍵點坐標，為系統提供所需的柔性幾何數據；并讀出特征所附的屬性，存入系統的設計信息數據庫中，作為砂輪截形設計的原始依據。根據工藝特征提取出的工藝特征信息，在知識庫中進行規則匹配，確定導向類型，最終確定砂輪截形并進行精密鏟磨。

因為一般數據庫系統不具有運用啟發性知識作邏輯推理的功能，為此建造了一個 “砂輪截形修整專家系統”(WMES)，它作為一個子系統被調用。砂輪截形修整知識庫含有刀具材料、廓形、幾何參數、鏟背量和砂輪材料、形狀、幾何參數、安裝角度、修形精度、砂輪磨損以及機床參數、鏟磨角度等性能知識，對砂輪廓形性能進行評價。

實際生產中，我們針對不同的刀具，采用若干個廓形不同的成形砂輪，配合不同的工藝參數，進行若干次的鏟磨，最終獲得輪槽精銑刀廓形并保證其精度。輪槽精銑刀的重磨，也是采用這樣的方法進行。這若干個成形砂輪的廓形，則是通過基于知識的鏟磨系統最終獲得。

4 結語

提高刀具齒側面的鏟磨精度一直是機床刀具行業研究的重要課題。將鏟磨過程的數值計算、圖形處理、優化設計、誤差分析、實踐經驗等知識結合起來，開發出的基于知識的鏟磨系統，為輪槽銑刀的精密鏟磨、輪槽的精密加工提供了保障，并對其它刀具的鏟磨及復雜曲面的精密加工提供了借鑒經驗。

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樅樹型輪槽銑刀精密鏟磨方法的研究

1 引言

1 引言

2 鏟磨工藝分析

3 基于知識的精密鏟磨方法

4 結語

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