实现高效精密制造一直是重型燃气轮机制造行业的核心目标,重型燃气轮机压气轮盘和透平涡轮盘的榫槽拉削加工是燃气轮机制造中关键质量控制工序,其加工质量直接影响轮盘承受复杂热力交变工作载荷的能力。由于透平涡轮盘的枞树型榫槽型线复杂、尺寸精度和加工表面质量要求高,给榫槽拉刀国产化带来了极大的挑战。当前,涡轮盘榫槽拉削机理尚不明晰,缺少枞树型榫槽拉刀的精准化设计依据,榫槽加工精度与表面完整性难以保证,亟待提高拉刀耐磨性及刀具寿命。针对上述难题,本论文面向重型燃气轮机涡轮盘榫槽的拉削加工机理与拉刀研制等方面进行深入研究与探讨。(1)为探究拉削重型燃气轮机涡轮盘榫槽过程中切削变形区应力场-温度场耦合规律,本文采用分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验技术研究了涡轮盘高铬耐热合金材料的动态力学性能,揭示了高温高压环境下涡轮盘工件材料流变应力受应变硬化效应、应变率强化效应和热软化效应的影响规律。研究发现,涡轮盘高铬耐热合金材料存在显著的变形硬化、应变率敏感性和温度敏感性特征。为解决拉削过程物理仿真所需的工件材料基础模型问题,本文构造了涡轮盘高铬耐热合金材料的力-热耦合本构模型,并进行了误差分析。实验对比验证了高铬耐热合金材料切削力、切削温度与切屑形态的仿真结果,研究表明,基于材料本构模型的拉削物理仿真可有效预测切削温度场、应力场、切屑形态,并可用于分析刀具参数对拉削响应的影响规律。(2)本文实验研究了拉刀刃口参数对涡轮盘材料拉削过程中产生的表面鳞刺、表层硬化程度、残余应力、表面粗糙度等影响规律及作用机理,研究结果表明齿升量与钝圆半径二者具有耦合作用,共同影响了表面完整性。明确了拉刀刃口参数对拉削表面完整性的影响规律,在此基础上确定刀齿参数的允值范围,可为基于拉削性能的拉刀精准化设计提供边界条件。(3)为确立涡轮盘榫槽成形精拉削阶段拉削力载荷沿齿廓空间分布的几何依据,本文提出了精拉刀齿廓曲线与榫槽廓形的解析映射方法,构造了重型燃气轮机涡轮盘枞树型榫槽精拉刀齿廓曲线拟合方程。建立了单齿直线刃刀具的切削力模型、单齿枞树型榫槽曲线刃精拉刀的切削力模型,提出了枞树型齿廓精拉刀的切削力载荷空间重构方法。并揭示了涡轮盘榫槽拉刀切削力载荷时间序列特性与动态历程递变规律,建立了多齿拉刀动态切削力预测模型。实验结果对比表明,基于微元刀具重构可用于预测枞树型齿廓精拉刀切削力载荷,从而为榫槽拉削稳定性控制与组合拉刀设计提供基础依据。(4)为揭示拉刀磨损演变规律,探索改善拉刀耐磨性的可靠方法,本文实验研究了刀具材料(粉末冶金高速钢T15)-工件材料(耐热高铬合金X12CrMoWVNb N-10-1-1)组成的摩擦副的磨损混沌特性。结合非线性混沌信号特征分析方法,揭示了磨损混沌吸引子演变规律,研究表明磨损历程演变的递归定量评价方法可辨识磨损过渡特征。本文建立了前刀面-切屑界面动态摩擦模型,提出了前刀面耐磨稳定性的可行域。在湿切削和干切削条件下,实验对比了AlCrN涂层粉末冶金高速钢刀具与无涂层粉末冶金高速钢刀具的前刀面磨损后的递归图形貌。研究结果表明递归图分析方法可用于辨识不同切削环境下的前刀面的拉刀磨损特征。为改善拉刀耐磨性能,实验研究了非涂层粉末冶金高速钢拉刀与AlCrN涂层粉末冶金高速钢拉刀的磨损情况。基于耐用度实验建立了拉刀磨损失效概率分布函数与耐用度预测模型,分析结果表明预测的拉削长度可为拉刀修磨周期制定提供参考标准。(5)在研究榫槽成形创成原理基础上,本文理论分析了同廓分层式拉削、渐成分层式拉削、分块成组式拉削方式下的拉刀齿距、齿升量的允值范围与匹配规律。根据多约束条件下,以粗拉削材料去除率和精拉削表面粗糙度为优化目标,明确了采用分块成组式榫槽成形方法下的拉削余量分配参数,以此为基础制定了重型燃气轮机涡轮盘枞树型榫槽的粗拉削余量分配方案。为综合分析拉削负载约束、刀具材料强度约束、加工表面粗糙度约束下的精拉刀参数优选问题,本文提出了一种多拉削响应耦合约束条件下的响应曲面法(CRSMMC),获得了精拉刀刀齿优化设计柔性参数集范围。并实验证明了误差在合理范围内,可解决拉刀设计过程中面临的非唯一最优解问题。(6)本文针对某型号重型燃气轮机枞树型榫槽精拉刀进行了试制与拉削性能试验研究。试验对比分析了喷丸强化前后的拉刀表层及次表层的残余应力,研究结果表明喷丸强化技术可显著提高表层及次表层残余压应力,有助于改善刀具抗疲劳性能。开展了拉削标准试块和涡轮盘试验,并检测了榫槽拉削精度、表面粗糙度、刀具耐磨性等性能指标;与国外同类产品进行了对比,结果表明试制的枞树型拉刀可满足F级重型燃气轮机榫槽的加工要求,通过喷丸强化技术可显著改善拉刀的耐磨性能。