廖世超 張金生

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

1 閥殼概述

本文討論的閥殼屬于汽輪機(jī)的核心部件之一，該閥殼是汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的主蒸汽離開(kāi)鍋爐，進(jìn)入汽輪機(jī)缸體工作的第一道環(huán)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)閥殼內(nèi)腔安裝的一些構(gòu)件的位置，就能夠機(jī)械性的控制進(jìn)入汽輪機(jī)缸體的蒸汽流量，從而改變汽輪機(jī)的輸出功率，以便滿(mǎn)足不同工況的需求[1]。閥殼在工作時(shí)承受較高的溫度與壓力，同時(shí)由于一些構(gòu)件裝配在閥殼內(nèi)腔深孔內(nèi)，并在工作時(shí)頻繁地產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，因此對(duì)閥殼內(nèi)腔深孔的尺寸有一定的公差要求。閥殼內(nèi)腔深孔部位通常采用鏜桿加長(zhǎng)刀桿，并通過(guò)刀桿端部安裝刀具的方式來(lái)加工。近年來(lái)隨著我國(guó)汽輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，閥殼也朝著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展，其內(nèi)腔深孔尺寸也逐步加深，為了滿(mǎn)足更深閥殼內(nèi)腔深孔的加工，在上述加工方式條件下，只能通過(guò)加長(zhǎng)刀桿尺寸的方式實(shí)現(xiàn)，但隨著刀桿尺寸的加長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致加工剛性差、加工質(zhì)量無(wú)法滿(mǎn)足等問(wèn)題。

通過(guò)引入新的余量檢測(cè)方式，采用專(zhuān)用加工鏜桿，實(shí)現(xiàn)閥殼內(nèi)腔深孔余量的精準(zhǔn)檢測(cè)和高質(zhì)量加工。

1.1 閥殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

我公司在制常見(jiàn)的閥殼主體為多個(gè)不同直徑的圓柱體，空間垂直相貫組合而成，如圖1所示。其外表面還分布有測(cè)溫搭子、臺(tái)面、吊耳、槽等結(jié)構(gòu)。

圖1 閥殼外形Figure 1 Casing shape

閥殼材質(zhì)為高溫合金，重量約14 t，輪廓外形尺寸(L×B×H)3000 mm×2700 mm×2300 mm。

閥殼內(nèi)腔較復(fù)雜，為多個(gè)同心的臺(tái)階孔組成。本文研究的閥殼內(nèi)腔深孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閥殼內(nèi)腔深孔Figure 2 Deep hole in inner cavity of valve casing

閥殼內(nèi)腔最深需加工深孔距外端面1700 mm，孔直徑?300 mm，外端面孔直徑?450 mm。

1.2 閥殼內(nèi)腔深孔檢測(cè)及加工難點(diǎn)

(1)該閥殼尺寸大，重量較重，加之外表面加工面多，需采用W200HD鏜床加工，其機(jī)床主要參數(shù)為：

主軸直徑：?200 mm

主軸伸出距離：1100 mm

滑枕截面積：520 mm×520 mm

回轉(zhuǎn)臺(tái)尺寸：4000 mm×3500 mm

數(shù)控系統(tǒng)：非數(shù)控

通常閥殼內(nèi)腔深孔及各臺(tái)階孔余量在W200HD鏜床的檢測(cè)方式為：利用外端面?450 mm孔粗定回轉(zhuǎn)中心軸線(xiàn)作為基準(zhǔn)，鏜桿中心與基準(zhǔn)線(xiàn)保持重合，鏜桿X、Y坐標(biāo)不動(dòng)，僅移動(dòng)Z坐標(biāo)，將鏜桿緩慢開(kāi)入閥殼內(nèi)腔，檢測(cè)人員在同一個(gè)XY截面圓周上選取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量各內(nèi)腔孔與鏜桿或刀桿的徑向距離，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)與圖紙標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間的偏差關(guān)系，從而判定回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)軸線(xiàn)是否需要調(diào)整，并判斷出閥殼內(nèi)腔各孔的余量。W200HD鏜床鏜桿進(jìn)入?450 mm孔后，余下的空間僅剩寬度為125 mm的環(huán)帶，檢測(cè)人員操作范圍嚴(yán)重受限，在鏜桿伸進(jìn)閥殼內(nèi)腔距離外端面≤400 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，檢測(cè)誤差可控制在1 mm范圍；在鏜桿伸進(jìn)閥殼內(nèi)腔距離外端面>400 mm長(zhǎng)度范圍時(shí)，只能依靠檢測(cè)人員目視觀察和經(jīng)驗(yàn)積累，測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生較大的判別誤差，且該誤差隨著檢測(cè)距離的加深而逐漸加大；在閥殼內(nèi)腔深孔1700 mm處的余量檢測(cè)，其檢測(cè)誤差已達(dá)到10 mm，這對(duì)閥殼加工找正及基準(zhǔn)確定造成了極大的不確定性。因此，通常采用試加工的方式反復(fù)調(diào)整閥殼內(nèi)腔深孔處的試切工序，以此縮小閥殼內(nèi)腔深孔檢測(cè)的誤差，使得整個(gè)閥殼內(nèi)腔深孔余量的檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)、精度低。

(2)閥殼內(nèi)腔深孔距外端面1700 mm，而外端面孔直徑只有?450 mm，機(jī)床的滑枕截面積為520 mm×520 mm，滑枕無(wú)法進(jìn)入閥殼內(nèi)腔，只能通過(guò)主軸加長(zhǎng)刀桿的方式加工，如圖3所示。

圖3 閥殼內(nèi)腔深孔常規(guī)加工方式Figure 3 Regular machining method of deep hole in inner cavity of valve casing

采用該加工方式鏜桿及刀桿總懸伸達(dá)1700 mm，加工過(guò)程剛性嚴(yán)重不足，且機(jī)床為非數(shù)控機(jī)床，只能采用單刀鏜削的方式加工內(nèi)腔深孔外圓及端面，鏜削時(shí)加工面會(huì)產(chǎn)生明顯振紋，如圖4，這進(jìn)一步加速了刀具的消耗，造成加工過(guò)程頻繁換刀，嚴(yán)重影響加工面尺寸精度和加工效率。

圖4 加工面振紋Figure 4 Rippling on machined surface

2 檢測(cè)及加工方式改進(jìn)

2.1 閥殼內(nèi)腔深孔檢測(cè)方式改進(jìn)

為了提高閥殼內(nèi)腔深孔余量檢測(cè)精度，本文引入新的測(cè)量方式(工裝)，其檢測(cè)原理如圖5。

O—外端面孔回轉(zhuǎn)中心；A—閥殼內(nèi)腔深孔測(cè)量位置1；B—閥殼內(nèi)腔深孔測(cè)量位置2；L—測(cè)量桿全長(zhǎng)；K—角度盤(pán)；α—A測(cè)量點(diǎn)角度盤(pán)讀數(shù)；β—B測(cè)量點(diǎn)角度盤(pán)讀數(shù)；AA—外端面孔回轉(zhuǎn)中心軸線(xiàn)；BB—閥殼內(nèi)腔深孔回轉(zhuǎn)中心軸線(xiàn)；ε—閥殼內(nèi)腔深孔與外端面孔的偏心距。圖5 檢測(cè)原理Figure 5 Inspection principle

檢測(cè)時(shí)，閥殼外端面孔的檢測(cè)空間開(kāi)放，因此把檢測(cè)工裝通過(guò)找正，能較準(zhǔn)確地定位在外端面孔的回轉(zhuǎn)中心上，固定后，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量桿，使其分別接觸閥殼內(nèi)腔深孔柱面上180°分布的兩測(cè)量點(diǎn)，并通過(guò)角度盤(pán)，分別讀出兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度，在檢測(cè)過(guò)程中測(cè)量桿為定長(zhǎng)，且檢測(cè)工裝固定在閥殼上，幾乎不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，同時(shí)假設(shè)測(cè)量桿剛度較好，其由于自重產(chǎn)生的變形可忽略不計(jì)，則通過(guò)公式(1)計(jì)算，就能得出閥殼內(nèi)腔深孔與外端面孔的偏心距ε，根據(jù)偏心距幫助檢測(cè)人員快速且較準(zhǔn)確地判斷加工基準(zhǔn)是否需要調(diào)整。

ε=L(sinα-sinβ)/2

(1)

同時(shí)采取該測(cè)量方法，利用公式(2)、(3)還能計(jì)算得出A、B測(cè)量點(diǎn)的具體余量大?。?/p>

HA=R-Lsinα

(2)

HB=R-Lsinβ

(3)

式中，HA、HB是A、B測(cè)量點(diǎn)的具體余量(mm)；R是內(nèi)腔深孔的設(shè)計(jì)圖紙尺寸(mm)。

上述公式(2)、(3)計(jì)算若為負(fù)數(shù)，則表示該測(cè)量點(diǎn)缺量。通常加工過(guò)程中，若能將閥殼內(nèi)腔深孔余量檢測(cè)的誤差控制在2 mm內(nèi)，則對(duì)后續(xù)基準(zhǔn)精確度的影響在可控范圍中，而該檢測(cè)方式測(cè)量誤差主要體現(xiàn)在角度盤(pán)的讀數(shù)誤差，即角度盤(pán)的最小讀數(shù)精度θ，θ可由公式(4)計(jì)算：

θ=arcsin(σ/L)

(4)

式中，σ是閥殼內(nèi)腔深孔余量檢測(cè)的允許誤差(mm)。

將σ=2 mm、L=1700 mm代入公式(4)，計(jì)算得θ=0.07°。易知角度盤(pán)直徑越大，則分辨率越高，設(shè)角度盤(pán)表盤(pán)半徑為r，可由公式(5)計(jì)算：

r=λ/sinθ

(5)

式中，λ是人體肉眼能輕松看到的物體大小(mm)。

將λ=0.2 mm、θ=0.07°代入公式(5)，計(jì)算得r=164 mm，這也是測(cè)量誤差在2 mm內(nèi)，角度盤(pán)尺寸允許的最小值若大于r值，則該裝置能獲得更高的測(cè)量精度，當(dāng)然角度盤(pán)的尺寸不能無(wú)限增大，該尺寸還受到端面孔直徑的限制，設(shè)計(jì)時(shí)需預(yù)留一定操作空間。

2.2 閥殼內(nèi)腔深孔加工方式改進(jìn)

常規(guī)閥殼內(nèi)腔深孔加工方式為通過(guò)主軸鏜桿加長(zhǎng)刀桿的方式，為了在該方式下獲得較大切削動(dòng)力，長(zhǎng)刀桿不宜過(guò)重，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工常采用直徑為?100 mm長(zhǎng)刀桿，而被加工部位直徑為?300 mm，則加工時(shí)刀具將懸伸達(dá)100 mm。為提高系統(tǒng)剛性，減小刀具懸伸，考慮采用整體式加長(zhǎng)專(zhuān)用鏜桿加工，其結(jié)構(gòu)如圖6。

1—刀盒；2—鋼板；3—無(wú)縫鋼管；4—法蘭接口。圖6 專(zhuān)用鏜桿結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Structural diagram of special boring bar

該專(zhuān)用鏜桿采用焊接結(jié)構(gòu)，為減輕重量，中間部分采用空心結(jié)構(gòu)，在加工?300 mm內(nèi)孔時(shí)，刀具懸伸為20 mm，此懸伸較鏜桿加長(zhǎng)刀桿的方式大幅縮短。

該專(zhuān)用鏜桿在使用時(shí)，安裝在機(jī)床滑枕端面上，通過(guò)端面螺釘孔把緊，采用鍵傳動(dòng)，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬加工如圖7。

圖7 專(zhuān)用鏜桿模擬加工Figure 7 Simulation machining of special boring bar

采用該方式較主軸加長(zhǎng)刀桿的方式加工優(yōu)點(diǎn)為：

(1)加工時(shí)主軸相對(duì)滑枕不伸出，能獲得較強(qiáng)切削動(dòng)力；

(2)采用整體式，剛性較好；

(3)空心結(jié)構(gòu)在減輕鏜桿重量的同時(shí)，能獲得較強(qiáng)的抗彎、抗扭強(qiáng)度；

(4)加工時(shí)刀具懸伸較短。

3 加工方式仿真分析

3.1 鏜削加工受力分析計(jì)算

對(duì)整個(gè)過(guò)程施加一個(gè)大小與主軸轉(zhuǎn)速相等，方向相反的回轉(zhuǎn)，則閥殼鏜削過(guò)程鏜刀受力模型，可等同于車(chē)削過(guò)程車(chē)刀的受力模型，如圖8，即工件旋轉(zhuǎn)，刀具靜止。

圖8 鏜刀受力模型Figure 8 Mechanical model of boring cutter

圖8中主分力記作Fz，方向?yàn)檠厍邢鞑课粓A的切向；法向分力記作Fy，方向?yàn)檠氐稐U長(zhǎng)度方向；進(jìn)給分力記作Fx，方向?yàn)檠貦C(jī)床鏜桿進(jìn)給方向。

應(yīng)用公式(6)、(7)、(8)對(duì)閥殼內(nèi)腔深孔鏜削加工過(guò)程三個(gè)方向切削力大小進(jìn)行計(jì)算。

Fz=9.81CFzapKFzfYFzVcnFzKFz

(6)

Fy=9.81CFyapKFyfYFyVcnFyKFy

(7)

Fx=9.81CFxapKFxfYFxVcnFxKFx

(8)

式中，ap、f、Vc為切削三要素，其余為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)取ap=3 mm、f=0.1 mm/r、Vc=30 m/s，結(jié)合工件材質(zhì)為合金鋼，計(jì)算得Fz=639 N、Fy=261 N、Fx=549 N。

以上力僅為鏜刀受力，由于專(zhuān)用鏜桿在切削時(shí)旋轉(zhuǎn)，故會(huì)受到外力偶矩Me[3]，其計(jì)算公式為：

Me=9549P/n

(9)

式中，Me為外力偶矩(N·m)；P為功率(kW)；n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

公式(9)中功率P及轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為：

(10)

(11)

式中，Kc為比切削力，根據(jù)材料為合金鋼取Kc=3610 MPa；η為機(jī)床效率系數(shù)，取0.8。計(jì)算得P為0.7 kW，再由(11)計(jì)算得n=32 r/min，帶入公式(9)計(jì)算得Me=209 N·m。分析鏜刀受力Fz、Fx在傳遞到鏜桿時(shí)會(huì)額外帶來(lái)扭矩Mz及彎矩Mx，計(jì)算公式為：

Mz=0.5(D-d)Fz

(12)

Mx=0.5(D-d)Fx

(13)

式中，D為鏜孔直徑，取300 mm；d為專(zhuān)用鏜桿端部直徑，取260 mm。

計(jì)算得Mz=13 N·m，Mx=11 N·m。

綜上專(zhuān)用鏜桿端部受力模型如圖9所示。

圖9 鏜桿端部受力模型Figure 9 Mechanical model of boring bar end

采用鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式，在鏜削時(shí)由于切削參數(shù)不變，F(xiàn)z、Fy、Fx大小保持不變。該方式較專(zhuān)用鏜桿加工，刀桿直徑及刀具懸伸變化，對(duì)扭矩Mz及彎矩Mx有影響，按公式計(jì)算得扭矩Mz=64 N·m，彎矩Mx=55 N·m。

3.2 仿真模型建立

由前述知專(zhuān)用鏜桿在閥殼內(nèi)腔深孔加工中，屬于較復(fù)雜的組合受力情況，同時(shí)由于專(zhuān)用鏜桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為進(jìn)一步校核其在加工中的可靠性，借助專(zhuān)用三維分析軟件UG進(jìn)行有限元模擬仿真計(jì)算。把專(zhuān)用鏜桿模型導(dǎo)入新建FEM和仿真中，解算方案類(lèi)型選擇為“線(xiàn)性靜力學(xué)-全局約束”，專(zhuān)用鏜桿采用Q235-A材質(zhì)，在仿真時(shí)設(shè)置其密度、抗拉強(qiáng)度、楊氏模量及泊松比等參數(shù)。

研究時(shí)，對(duì)整個(gè)過(guò)程施加一個(gè)大小與主軸轉(zhuǎn)速相等，方向相反的回轉(zhuǎn)，專(zhuān)用鏜桿法蘭處添加為固定約束。為提高運(yùn)算速度，設(shè)置3D四面體網(wǎng)格單元格大小為10 mm。建立專(zhuān)用鏜桿仿真模型如圖10。

圖10 專(zhuān)用鏜桿仿真模型Figure 10 Simulation model of special boring bar

同理設(shè)置鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式的仿真參數(shù)，建立仿真模型如圖11。

圖11 鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式仿真模型Figure 11 Simulation model of cutter bar lengthening method of boring bar

3.3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)仿真模型建立后，采用NX NASTRAN求解器，分析類(lèi)型設(shè)置為“結(jié)構(gòu)”，對(duì)專(zhuān)用鏜桿解算后，其變形及應(yīng)力情況如圖12、圖13所示。

圖12 專(zhuān)用鏜桿變形仿真結(jié)果Figure 12 Deformation simulation results of special boring bar

圖13 專(zhuān)用鏜桿應(yīng)力仿真結(jié)果Figure 13 Stress simulation results of special boring bar

同理對(duì)鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式解算后，其變形及應(yīng)力情況如圖14、圖15所示。

圖14 鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式變形仿真結(jié)果Figure 14 Deformation simulation results of cutter bar lengthening method of boring bar

圖15 鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式應(yīng)力仿真結(jié)果Figure 15 Stress simulation results of cutter bar lengthening method of boring bar

結(jié)合仿真結(jié)果圖，對(duì)比分析兩種結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力情況如表1。

表1 仿真對(duì)比Table 1 Simulation comparison

由表1可見(jiàn)，采用專(zhuān)用鏜桿在模擬加工時(shí)，其最大位移(變形)較鏜桿加長(zhǎng)刀桿模擬加工時(shí)減少68.7%，其最大應(yīng)力較鏜桿加長(zhǎng)刀桿模擬加工時(shí)減少53.3%。該仿真過(guò)程是把加工過(guò)程轉(zhuǎn)化為刀具不動(dòng)，工件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的仿真，即靜態(tài)仿真，而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)是刀具回轉(zhuǎn)，故會(huì)引起彎曲振動(dòng)，尤其在轉(zhuǎn)速處于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，彎曲振動(dòng)將快速變大，造成加工過(guò)程失穩(wěn)。設(shè)最低臨界轉(zhuǎn)速(一階臨界轉(zhuǎn)速)為nr，則由公式(14)計(jì)算[3]。

(14)

式中，Y0可取為靜態(tài)仿真時(shí)的最大變形量。

計(jì)算得專(zhuān)用鏜桿一階臨界轉(zhuǎn)速為4784 r/min，鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式一階臨界轉(zhuǎn)速為2676 r/min，由前述知實(shí)際加工轉(zhuǎn)速為32 r/min，遠(yuǎn)低于各自的一階臨界轉(zhuǎn)速，故加工過(guò)程均可視為剛性軸，進(jìn)行靜態(tài)仿真分析合理。

4 加工應(yīng)用

圖16為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用專(zhuān)用鏜桿加工情況。

圖16 專(zhuān)用鏜桿加工應(yīng)用Figure 16 Machining and application of special boring bar

加工時(shí)該專(zhuān)用鏜桿安裝在滑枕上，安裝后由于長(zhǎng)度較長(zhǎng)，工件必須放置于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，且回轉(zhuǎn)工作臺(tái)只能進(jìn)行Z方向位移，方可將專(zhuān)用鏜桿伸入閥殼內(nèi)腔。將專(zhuān)用鏜桿中心定在閥殼內(nèi)腔深孔回轉(zhuǎn)基準(zhǔn)上，根據(jù)余量大小，調(diào)整鏜刀把出量，設(shè)置切削參數(shù)為ap=3 mm、f=0.1 mm/r、n=32 m/min。

采用專(zhuān)用鏜桿切削后，加工面幾乎沒(méi)有振紋，且粗糙度、尺寸精度均優(yōu)于傳統(tǒng)鏜桿加長(zhǎng)刀桿加工方式，系統(tǒng)剛性大幅提升。同時(shí)，利用該專(zhuān)用鏜桿端部刀盒結(jié)構(gòu)，可安裝接長(zhǎng)刀盒，從而實(shí)現(xiàn)更深孔的加工，目前可加工長(zhǎng)達(dá)2300 mm的閥殼內(nèi)腔深孔。

5 結(jié)論

(1)采用本文探討的測(cè)量桿加角度盤(pán)的檢測(cè)工裝，能將閥殼內(nèi)腔深孔處的檢測(cè)誤差，由原來(lái)的10 mm左右，縮小到2 mm范圍。

(2)在切削參數(shù)取ap=3 mm、f=0.1 mm/r、Vc=30 m/s條件下，運(yùn)用軟件UG有限元仿真，采用專(zhuān)用鏜桿在模擬加工時(shí)其最大變形較鏜桿加長(zhǎng)刀桿模擬加工時(shí)減少68.7%，其最大應(yīng)力較鏜桿加長(zhǎng)刀桿模擬加工時(shí)減少53.3%。

(3)采用專(zhuān)用鏜桿對(duì)閥殼內(nèi)腔深孔現(xiàn)場(chǎng)試切后，對(duì)比鏜桿加長(zhǎng)刀桿方式，加工振紋現(xiàn)象明顯改善。