一种适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构

本发明属于航空发动机及燃气轮机的零部件加工制造，特别是涡轮盘榫槽的拉削加工，涉及一种榫槽拉刀，具体涉及一种使用热管冷却代替冷却液冷却的干式拉削榫槽拉刀结构与制造方法。

背景技术：

1、涡轮盘作为航空发动机关键部件，其工作条件苛刻，承受高温和高应力的叠加作用，通过燃烧室产生的高温高压气体推动涡轮叶片转动，从而驱动压气机和风扇等部件。涡轮盘的结构复杂，其主要部分有盘体、涡轮叶片和叶片槽，其中盘体是连接轴承和转子的部分，盘缘是与涡轮叶片相连接的部分，涡轮叶片是承受气流冲击并转化为机械能的部分。涡轮盘多采用高温合金制作，如粉末高温合金、单晶高温合金、方向凝固高温合金等，这些材料具有高强度、高耐热性和高耐腐蚀性等特点，但同时也具有加工制造技术要求高、制备工艺复杂、制造难度大的加工性能，需要采用特殊的加工工艺。

2、涡轮盘盘缘与涡轮叶片的连接结构对于确保发动机的稳定性和可靠性至关重要，现有技术中二者之间的连接一般采用枞树形榫槽，通过在涡轮盘盘缘上开设若干个圆弧形榫槽，与涡轮叶片上的榫头相配合，实现涡轮叶片和涡轮盘盘缘的机械连接。涡轮叶片的轴向定位一般采用卡环结构，即在涡轮盘盘缘的外圆周上开设一个环形的凹槽，用一个弹性的卡环卡住涡轮叶片的榫头，防止涡轮叶片在轴向上松动。

3、现有技术中一般采用拉刀拉削的方式加工涡轮盘榫槽，如中国发明专利申请cn202211650832.9所公开的一种航空高压涡轮盘小试块榫槽精密拉削夹具及拉削方法、cn202210703940.1所公开的一种涡轮盘宽大榫槽的加工方法等。总体而言，拉削是一种高精度、高效率、高复杂程度并可最终一次成型的机械加工方法，在进行涡轮盘榫槽的拉削加工时，拉刀是用于切削涡轮盘榫槽的多刃刀具，一般采用分段组合形式，需根据涡轮盘的材料特性、榫槽的形状和尺寸设计不同的刀齿，优化拉刀的材料、结构形式、拉削速度以及工艺路线，并利用拉刀的结构形状和尺寸精度，通过拉床的主运动，使拉刀在牵引力或推力的作用下沿着涡轮盘的轴向作直线运动切削，逐齿依次切削涡轮盘上的榫槽，逐步加工出榫槽的形状和尺寸。

4、虽然利用拉削进行涡轮盘榫槽的加工具有其独特的技术优势，但拉刀在切削工作过程中产生的局部高温可能会导致拉刀的磨损，现有技术中通过选择合适的拉刀材料和涂层以提高拉刀的耐热性和耐磨性、选择合适的切削参数和润滑冷却条件以降低拉刀和工件之间的摩擦热、优化拉刀结构和几何参数以减少拉刀与工件之间的接触面积和压力、使用冷却液以降低拉刀的工作温度以解决拉刀在工作过程中产生的局部高温问题。其中，在切削部位刀体上喷冷却液以降低拉刀与工件之间的接触温度是目前普遍采用的解决方案之一。此种冷却降温方式的不足之处在于由于切削部位截面积较小，因而难以使冷却液进入刀头与被加工件的狭窄缝隙中，冷却液只能喷到刀具表面的特定部位而难以直接作用于切削界面，大部分冷却液流过拉刀而未起到良好冷却作用致使散热不理想、冷却不均匀其易引发刃口处过热退火和烧伤，冷却液的喷射方向和力度不易控制可能会影响切削稳定性和表面质量，冷却液的喷射会降低拉刀的刚度和强度并可能对刀具和工件产生腐蚀作用而导致拉刀及工件寿命降低，切削液的使用量较大且需要对切削液进行处理和回收导致增加环境污染和处理成本等问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对现有技术的上述缺陷和不足，为解决利用拉削进行涡轮盘榫槽的加工时，在切削部位的刀体上喷冷却液的方式难以使冷却液进入刀头与被加工件的狭窄缝隙中，存在散热不理想、刃口处过热退火和烧伤、拉刀寿命降低、大量使用切削液等技术问题，本发明提出了一种适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，通过在拉刀刀体上设置冷却型腔以及若干热管部件，利用热管的相变传热原理，将刀头产生的热量通过热管部件内部的液态相变介质传递到刀体底部的冷却型腔中，并通过通入冷却型腔中的冷却气体来散热，从而在没有使用冷却液冷却的前提下降低了刀头温度，实现了涡轮盘榫槽加工的无冷却液干式拉削。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，本发明采用如下技术方案：

5、一种适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，至少包括一刀体以及设置在所述刀体上的至少一冷却型腔和多个刀头，其特征在于，

6、所述刀体为一沿其长度方向延伸的细长实心条柱状结构体，所述条柱状结构体的多个侧面中至少包括两个相对设置并呈平行分布的侧面，其中一个侧面形成为所述刀体的顶面，另一个侧面形成为所述刀体的底面；

7、所述刀体的顶面上至少设有一沿其长度方向延伸的刀头安装槽，所述多个刀头通过其底座以及紧固件固定设置在所述刀头安装槽中；

8、所述冷却型腔整体为一两端及顶部开口的细长条状u型槽结构体，所述u型槽结构体的顶部与所述刀体的底面在形状及尺寸上相适配并通过翻边结构及紧固件固定设置在所述刀体的底面上，且所述冷却型腔的一端通入冷却气体而形成为冷气入口、另一端排出冷却气体而形成为冷气出口；

9、并且，

10、所述刀体的底面上沿其长度方向离散分布并固定设置有若干垂直于其底面方向延伸的热管部件，每一所述热管部件均为一内壁设置有热管管芯且内腔抽负压并填充有液态相变介质的管状结构体，每一所述管状结构体沿其长度方向均至少包括一蒸发吸热管段和一冷凝散热管段，每一所述蒸发吸热管段均伸入所述刀体的实体内并向上延伸至接近所述刀体的顶面并与所述刀头安装槽的底面保持距离的位置，每一所述冷凝散热管段均伸入所述冷却型腔内并向下延伸至接近所述冷却型腔的底壁的位置。

11、优选地，所述多个刀头为一体式刀头结构，每一所述刀头的底部均以一体成型的方式形成在一沿长度方向延伸的条状底座上，所述条状底座与所述刀头安装槽的形状和尺寸相适配，并通过紧固件以可拆卸的方式固定设置在所述刀头安装槽中。采用一体式的刀头结构和机械配合连接方式，不仅简化了刀具结构和提高其刚度，也增强了刀具的可维修性、更换性与定位精度，具有良好的使用效果和技术优势。

12、优选地，所述多个刀头为分体组合式刀头结构，每一所述刀头的底部均对应设置一块状底座，每一所述块状底座至少在其宽度方向上与所述刀头安装槽的形状和尺寸相适配，各所述刀头均通过其底部的块状底座以及紧固件以可拆卸的方式固定设置在所述刀头安装槽中。该优选方案采用分体组合式的刀头结构，通过选择不同的刀头及其组合，可以实现不同的刀具配置，扩展刀具的功能与应用范围。同时，它也具有便于维修、提高通用性、简化制造和适应自动化组装等优点。

13、优选地，所述刀头的材质、数量、刀齿形状及齿升量根据被拉削涡轮盘榫槽型面的材质、三维轮廓及加工要求而确定，在充分保证刀头强度和表面质量的基础上满足涡轮盘榫槽拉削加工的质量。在涡轮盘榫槽拉削加工中，拉刀的齿升量直接影响加工效率和质量，应根据加工精度、刀具硬度、切屑清除能力、加工力负荷和切削条件等因素综合考虑确定，避免齿升量过小或过大分别带来的齿数过多或者切削力过大而发生颤振或刀齿磨损的问题。

14、优选地，所述热管部件以间隔错开的方式阵列排布在所述刀体的底面上，其伸入所述冷却型腔中的冷凝散热管段排列形成为扰流柱阵列，以增加热管冷凝段与冷却气体的换热效率。

15、优选地，每一所述冷凝散热管段的外壁上均设置有散热翅片，以提高其与所述冷却型腔中冷却气体的接触面积，提升散热效率。

16、优选地，所述刀体的底面上加工有若干与各所述热管部件在形状及尺寸上相适配并一一对应的热管安装座孔，每一所述热管安装座孔向上延伸至接近所述刀体的顶面并与所述刀头安装槽的底面保持距离的位置，每一所述热管部件的蒸发吸热管段在其外壁涂覆导热硅脂后以过盈配合或螺纹连接的方式固定插设在对应的热管安装座孔中。该优选方案通过在刀体上设置与热管匹配的安装座孔，并采用简单可靠的连接方式实现热管的插入固定，不仅能够保证热管与刀体稳定的热传导，还具有良好的散热效果、易维修性和减小热应力集中的技术优点。

17、优选地，每一所述热管部件均通过增材制造的方式一体形成在所述刀体的底面上，其蒸发吸热管段为形成在所述刀体底面中并向上延伸的一热管孔，每一所述热管孔向上延伸至接近所述刀体的顶面并与所述刀头安装槽的底面保持距离的位置，其冷凝散热管段形成在所述刀体的底面上并向下延伸至接近所述冷却型腔底壁的位置。该优选方案通过一体成型的方式在刀体上直接形成完整的热管结构，不仅实现了结构简单、散热效果好和刀具强度高，也具有加工精度高和适应自动化生产等技术优点。

18、优选地，所述热管部件的至少包括截面尺寸、充液量、排布间距在内的相关参数，根据涡轮盘榫槽拉削加工时产生的热量进行设定。

19、优选地，所述热管部件内腔中的液态相变介质通过抽真空产生负压并加热除气的方式进行填充。

20、本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，其工作原理为：在拉刀刀体上设置若干垂直于其底面方向延伸的热管部件，热管部件内部抽负压并填充有相变介质，每个热管部件沿其长度方向包括一个蒸发吸热管段和一个冷凝散热管段，蒸发吸热管段伸入刀体内并接近刀头安装槽，冷凝散热管段伸入冷却型腔内并接近冷却型腔底壁。在拉削过程中，刀头产生的热量会传递到蒸发吸热管段中，使得热管内部的液态相变介质蒸发成气态，气态相变介质沿着热管流动到冷凝散热管段中，遇到通入的冷却气而冷凝成液态，释放出热量。这样，就形成了一个循环的传热过程，将刀头产生的热量有效地带走，降低了刀头温度，提高了刀具寿命和加工质量。

21、(三)技术效果

22、同现有技术相比，本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，具有以下有益且显著的技术效果：

23、(1)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，采用热管拉刀可以避免在切削部位喷冷却油的散热方式，具有绿色环保的效果。

24、(2)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，刀体内部排布的热管能大大提升散热能力，延长刀头寿命。

25、(3)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，采用增材制造的方法可以一次成形热管拉刀，减少加工步骤、降低加工成本、简化加工工艺、缩短制造周期。

26、(4)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，采用增材制造方法可以加工具有复杂结构的热管管芯，形成的微观表面可以提高润湿性，提高热管的性能。

27、(5)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，分体式拉刀在刀头磨损严重时能够更换磨损部位刀头，大大降低了使用成本。

28、(6)本发明的适用于无冷却液的干式拉削热管冷却的榫槽拉刀结构，同一个刀体可适用多种形式、不同数量的刀头，降低使用成本。