張 斌 鞏 麗 申 鵬 謝龍飛

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

數(shù)控立車作為數(shù)控車床的一個重要分支，可滿足國防軍工、燃氣輪機、風電核電、交通運輸和工程機械等鄰域大型、特大型部件的加工需求[1-2]。作為立車關鍵核心功能部件之一，刀架直接影響立車的性能和效率[3]。目前，大型數(shù)控立車的刀架垂直最大行程不超過3 m，雖然能夠滿足常規(guī)工件的加工，但為了為擴展數(shù)控立車的加工范圍，滿足特種大型部件的加工需求，其往往需要配備相應的專用刀排[4]。

某大型發(fā)電設備部件呈空心筒式結構，其內孔徑達2 300 mm，高度達3 500 mm，同時軸向方向上布置有12處軸向拉通鍵槽。該內孔加工要求高，同心度及圓度均要求控制在0.1 mm以內，同時內孔粗糙度要求保證在Ra3.2 μm以內。由于該部件整體通過長螺栓定位疊裝而成，其強度不能滿足加工翻身要求，因此部件內孔只能采用立車單工位車削完成，即加工過程中不能翻身加工，只能一次裝夾車削完成。由于該部件裝夾后的加工面垂直高度近4.2 m，超過立車刀架的懸伸長度，為確保單工位狀態(tài)下的全尺寸覆蓋，須設計超長刀排，補償立車刀排行程不足，實現(xiàn)上述部件的加工。

1 設計關鍵點

為確保加工工件內孔的單工位車削加工，結合立車尺寸結構，確定刀排的總長應保證在1 300 mm以上。根據(jù)該工件的結構特點，可以分析得到刀排結構設計的關鍵點如下：

(1)刀排的高結構剛性。在該工件加工的極限狀態(tài)，立車刀架和刀排的整體懸伸超過4.2 m。為確保加工質量，必須盡可能提高刀排的結構剛性以減小長懸伸帶來的負面影響。

(2)加工中的強抗沖擊能力。工件內孔均布有12個200 mm寬的軸向拉通鍵槽，使得車削過程不連續(xù)，刀架沖擊較大，進而導致刀排加工時發(fā)生震顫。因此，刀排設計應具有較強的抗沖擊力，體現(xiàn)在刀排本身結構剛性、刀排與立車刀架的把和強度以及刀具與刀排的把和強度等多方面[5]。

2 刀排截面型式

從刀排的功能特性出發(fā)，刀排上端應與立車刀架通過橫鍵和螺栓進行連接。依據(jù)立車刀架相關尺寸，設計刀排截面呈350 mm×300 mm方形結構。刀排下方則設計60 mm×60 mm方形刀槽，通過多個M20螺栓固定車刀。由于刀排的外形長、寬、高尺寸均已確定，故刀排的剛性特征主要體現(xiàn)在橫向截面的結構設計中。從重量、剛性和強度等角度綜合考慮，刀排截面型式設計可以分為以下3種結構，如圖1所示。第1種結構為實心中心柱，圓周方向設計有4處加強筋，見圖1a，后文均簡稱實心刀排。第2種結構為空心中心柱，圓周方向設計有4處加強筋，見圖1b，后文均簡稱空心刀排。第3種結構亦為空心中心柱，但除了圓周方向4處加強筋外，刀排四周增加布置了加固圍板，見圖1c，后文均簡稱空心加固刀排。通過計算可知，實心刀排的總重與空心加固刀排總重幾乎一致，均比空心刀排的總重重50 kg左右。

3 工程特性分析

為進一步確定3種不同截面型式刀排的工程特性，本文采用有限元分析分別對其進行靜力學分析和模態(tài)分析，從變形量、等效應力及固有頻率等具體指標進行對比。為確保分析數(shù)據(jù)的可對比性，在分析過程中，工件的網(wǎng)格劃分及設置、受力約束設置等均一致[6]。

3.1 切削力計算

刀排在立車車削過程中的切削力與工件材料性能、切削參數(shù)、刀具角度等均有關。根據(jù)大工件加工經(jīng)驗，選擇高強度硬質合金75°車刀進行車削，該車刀前角-6°～-10°，刃傾角5°。立車車削過程中，轉速設定為5 r/min，吃刀深度按0.2 mm，進給量按0.3 mm/r。由此，計算刀排所受切削力如下：

=9.81×270×0.21×0.30.75×

36-0.15×0.704

=88.31 N

=9.81×199×0.20.9×0.30.6×36-0.3×0.372

=28.27 N

=9.81×294×0.21×0.30.5×36-0.4×1.2

=90.42 N

3.2 靜力學分析

立車超長刀排的有限元靜力學分析主要關注變形量及等效應力兩個指標[7]。三種截面型式刀排的變形量云圖見圖2。從圖2可以看到，雖然截面型式不同，但刀排受力后的變形趨勢相似，最大變形點也均出現(xiàn)在刀頭附近。從最大變形量的數(shù)值上看，空心刀排>實心刀排>空心加固刀排，但其中空心刀排和實心刀排的最大變形量差異不大，空心加固刀排變形量則明顯低于前兩者。

3種截面型式刀排的等效應力云圖見圖3。從最大應力值上看，空心刀排>空心加固刀排>實心刀排，且空心刀排的最大應力值明顯遠大于后兩者，而空心加固刀排與實心刀排的最大應力值較為接近。此外，從應力分布上看，相對于空心加固刀排，實心刀排的應力區(qū)域除了分布在車刀夾持部位外，其中心柱兩端分布明顯[9-10]。

綜合上述變形量和等效應力分析，可以認為空心加固刀排的靜力學性能較之實心刀排和空心刀排更佳。

3.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定工件的振動特性，即結構的固有頻率和振型。為確保工件加工過程中更優(yōu)良的動態(tài)特性，其固有頻率應在一定變動范圍內越高越好。利用有限元軟件分別對3種截面型式的刀排進行模態(tài)分析，得出前5階固有頻率[11-12]，見圖4。從圖4可以看到，空心刀排和實心刀排的固有頻率幾乎一致，而空心加固刀排的固有頻率明顯高于這兩者。

4 工程實踐應用

根據(jù)前文對刀排各截面型式的有限元靜力學和模態(tài)分析，認為超長刀排的最佳截面結構為空心加固型式。為進一步進行驗證，本文分別對實心刀排和空心加固刀排進行了試切試驗。為最大程度體現(xiàn)刀排的使用性能，試切試驗中，將刀排懸伸至試驗工件最低檔位置(見圖5)。而且，均使用硬質合金高強度車刀(見圖6)對試驗工件最低檔內孔進行車削。

試驗過程中，首先分別確定實心刀排在粗、精加工狀態(tài)下的最優(yōu)切削參數(shù)，其后使用空心加固刀排，并在實心刀排切削參數(shù)基礎上進行優(yōu)化，得到空心加固刀排的最優(yōu)切削參數(shù)，見表1。在車削過程中刀排工作正常，未有明顯震顫，加工后工件表面狀態(tài)見圖7和圖8。可以看到，相對于實心刀排，空心加工刀排的加工表面粗糙度更好，其精車后的工件內孔粗糙度達到Ra3.2 μm，滿足工件的設計要求。

表1 刀排切削參數(shù)對比圖

5 結語

本文圍繞大型立車超長刀排的結構設計展開，基于有限元靜力學及模態(tài)分析，對比研究了實心、空心、空心加固3種不同刀排截面結構的變形量、等效應力和固有頻率等，發(fā)現(xiàn)空心加固刀排具有較低的變形量、適當?shù)牡刃χ岛洼^高的固有頻率，并通過工程實踐對刀排的結構性能進行了進一步對比驗證，確定了超長刀排的最優(yōu)截面結構為空心加固結構，同時篩選了其最優(yōu)切削參數(shù)，解決了某大型發(fā)電設備內孔單工位狀態(tài)下的全尺寸覆蓋的車削難題。該超長刀排的結構設計優(yōu)化方法具有一定的工程應用價值。