大型筒件內(nèi)環(huán)面車削用刀具的設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)分析

張吉軍，田乃浩，林南南，萬(wàn)霖，賈昕宇，周椿翔，段寶成

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江五大連池農(nóng)場(chǎng)）

大型筒件是石油化工、煤化工和核能電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要零件之一，如壓力容器、蒸汽發(fā)生器、加氫反應(yīng)器、氣化爐等設(shè)備的制造中都包括了大型筒件的制造[1]，因此，這些大型筒件加工的精度和質(zhì)量對(duì)整體能源設(shè)備的使用壽命和安全性具有重要的影響。大型筒件具有外徑大、高度高、總重量大等特點(diǎn)，加工過(guò)程中切削力較大，系統(tǒng)易產(chǎn)生加工變形和振動(dòng)，進(jìn)而影響筒件的加工精度和質(zhì)量，針對(duì)大型筒件內(nèi)環(huán)面的車削加工，設(shè)計(jì)了相匹配的刀具，并進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)分析。

1 刀具的設(shè)計(jì)與建模

1.1 刀具工作環(huán)境狀況及加工要求

刀具安裝在大型立式車床中心立柱上的刀架里，筒件內(nèi)徑達(dá)到4 m，高度達(dá)7 m 左右，壁厚100 mm 左右，因此加工時(shí)，刀具隨刀架呈很大的懸伸狀態(tài)。待加工的筒件內(nèi)環(huán)面單邊總加工余量為5 mm，一次走刀最大單邊去除量不超過(guò)2 mm。

1.2 刀具主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.2.1 刀具主要角度參數(shù)的確定

在設(shè)計(jì)刀具時(shí)通常使其有大的前角[2]，依據(jù)加工條件要求，保證刀具足夠強(qiáng)度的情況下，選擇主偏角為45 °，刀具前角為12 °，后角為6 °，刃傾角為-5 °，能夠雙向進(jìn)給的可轉(zhuǎn)位車刀。

1.2.2 刀具夾固方式的確定

由于筒件材料為不銹鋼，加工變形大，易使刀具產(chǎn)生粘結(jié)，斷屑性能差。考慮刀具夾固的穩(wěn)定性和制造的工藝性，車刀整體采用螺釘定位和壓塊壓緊的夾固方式，既保證夾緊的牢固性，又使切屑容易折斷，如圖1 為采用UG 軟件對(duì)刀具整體進(jìn)行的三維裝夾設(shè)計(jì)[3]，體現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用[4]。

圖1 車刀裝配圖Fig.1 Three-dimensional assembled drawing of tool

1.2.3 刀桿的設(shè)計(jì)

如圖2 所示，依據(jù)機(jī)床刀架夾固結(jié)構(gòu)的要求，刀桿截面尺寸設(shè)計(jì)為40×40 mm，長(zhǎng)度為250 mm。刀桿切削部上表面設(shè)計(jì)了一個(gè)與壓塊配合的槽型，這大大增加了壓塊在刀桿上的裝夾穩(wěn)定性，提高了刀具整體的切削剛度。

圖2 刀桿圖Fig.2 Schematic diagram of cutter arbor

1.2.4 刀片的設(shè)計(jì)

如圖3 所示，為了有效斷屑和減少刀片磨損，設(shè)計(jì)了斷屑槽型和減磨凸起，在保證刀片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，槽型盡可能使刀片鋒利，凸起大大提高了刀片的耐磨能力。

1.2.5 壓塊的設(shè)計(jì)

如圖4 為壓緊刀片的壓塊結(jié)構(gòu)示意圖，該壓塊形狀類似于哨子形，靠前部的平面凸臺(tái)壓緊刀片，后部通過(guò)螺釘與刀桿實(shí)現(xiàn)裝配。

圖3 刀片F(xiàn)ig.3 Schematic diagram of cutter blade

圖4 刀片壓塊Fig.4 Pressed block of cutter blade

2 刀具的穩(wěn)態(tài)變形分析

2.1 模型條件及材料參數(shù)

如圖5 為刀具裝配體的有限元網(wǎng)格模型，表1為刀具部件材料參數(shù)及單元、節(jié)點(diǎn)劃分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖5 刀具有限元模型Fig.5 The finite element model of tool

表1 刀具部件材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分Table 1 Material parameters and meshing condition of tool parts

2.2 載荷的計(jì)算

依據(jù)加工條件參數(shù)和車削力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式[5]，可計(jì)算出作用在刀具上的三向切削力，見(jiàn)表2 所示。

表2 依據(jù)切削條件計(jì)算的最大切削力Table 2 Calculation of the largest cutting force according to cutting condition

2.3 刀具懸伸量190 mm 的變形分析

如圖6 中a 為刀具懸伸量190 mm 時(shí)的約束和載荷施加圖，位移約束刀具五個(gè)面，載荷以集中力方式施加在刀具前刀面切削區(qū)。圖6 中b 為分析得到的變形云圖，可知刀具最大變形量集中于包含刀尖的部分前刀面與部分主、副后刀面包圍的楔型體區(qū)域，圖中最大變形量為261 μm。圖6 中c 為應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力1 458 MPa，位于刀具前刀面上偏離刀尖、靠近主切削刃處的小區(qū)域處，其他大面積區(qū)域應(yīng)力都不超過(guò)1 297 MPa。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的刀片有較大的圓弧過(guò)渡，所以最大應(yīng)力區(qū)域不集中在刀尖處，而近似呈帶狀沿主切削刃方向分布，主切削刃承擔(dān)主要切削載荷，應(yīng)力較大符合實(shí)際情況。因此，適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑可以使最大應(yīng)力從刀尖區(qū)域向主切削刃區(qū)域方向轉(zhuǎn)移，這樣可以保護(hù)刀尖，說(shuō)明刀片的圓弧半徑設(shè)計(jì)合理。

圖6 刀具懸伸量190 mm 時(shí)分析結(jié)果圖Fig.6 Analysis results of tool overhang 190 mm

2.4 不同刀具懸伸量的分析

圖7 表示刀具懸伸量分別為130 mm，150 mm，170 mm 時(shí)的變形云圖，可以看出變形分布與2.3 分析一致。對(duì)應(yīng)的分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3 所示。

表3 為不同刀具懸伸量時(shí)，對(duì)應(yīng)刀具的最大變形量和最大應(yīng)力分析數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯旱毒叩膽疑炝繙p小，其最大變形量也減小，但減小的程度不同，刀具懸伸量從190 mm 開(kāi)始，以20 mm 變化量逐漸減小到130 mm 時(shí)，最大變形量的變化量分別為62 μm，54 μm，43 μm，可見(jiàn)變化量逐漸減小。但當(dāng)?shù)毒邞疑扉L(zhǎng)度減小到一定量時(shí)，再持續(xù)減小懸伸長(zhǎng)度已經(jīng)對(duì)減小變形影響不大了，因此在一定的加工條件下，刀具存在一個(gè)合適的懸伸量值。這里當(dāng)?shù)毒邞疑?30 mm 時(shí)，最大變形量不超過(guò)103 μm，變形量較小，對(duì)加工精度和質(zhì)量影響不大。因此，刀具懸伸量為130 mm 是比較合適的工作狀態(tài)。

圖7 刀具不同懸伸量時(shí)變形云圖Fig.7 Deformation diagram of different tool overhang

表3 不同刀具懸伸量的分析結(jié)果Table 3 Analysis results of tool different overhang

3 刀具的動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)是由模態(tài)參數(shù)來(lái)描述的[6]，主要包括模態(tài)頻率、模態(tài)向量、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等。設(shè)第r 階固有頻率為zr，對(duì)應(yīng)的模態(tài)剛度為kr，模態(tài)質(zhì)量為mr，則有：

其中，φri表示zr對(duì)應(yīng)振型特征向量沿坐標(biāo)方向i上的分量；ki與mi分別表示在坐標(biāo)方向i 上所配置的彈性要素與質(zhì)量要素的大小。進(jìn)一步知道zr、kr和mr間的關(guān)系為：

由式（1）、（2）、（3）可以推得：

模態(tài)分析時(shí)，選取刀具懸伸量為150 mm 的情況進(jìn)行分析。分析時(shí)，不需要施加載荷，但要輸入密度值。其他參數(shù)條件與2.3 相同。如圖8 為刀具模態(tài)分析得到的前五階模態(tài)振型圖，表4 為相應(yīng)模態(tài)分析結(jié)果描述。

圖8 刀具懸伸150 mm 的前五階模態(tài)振型圖Fig.8 Former five order modal shape diagrams of tool overhang 150 mm

表4 刀具懸伸150 mm 的前五階模態(tài)分析結(jié)果Table 4 Analysis results of the former five order modal of tool overhang 150 mm

從圖8 和表4 可以看到：當(dāng)?shù)毒邞疑炝繛?50 mm，第一階固有頻率為1 274 Hz，第三階迅速增大到4 784 Hz，頻率較高；相對(duì)最大變形量前五階數(shù)值在31.19～57.79 mm 范圍，可見(jiàn)如果刀具發(fā)生共振，刀具形狀變化很大，將產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，不僅影響加工精度和質(zhì)量，還可能造成破壞，因此必須避免共振發(fā)生。但此時(shí)由于基頻較高，因此發(fā)生共振的概率較小，實(shí)際刀具如果采用懸伸長(zhǎng)度130 mm，則刀具固有頻率會(huì)進(jìn)一步增大，更不容易發(fā)生共振。

由公式（4）和表4 可得，當(dāng)r=1 時(shí)，Z1=1 274 Hz，=6 489 247π2；當(dāng)r=3 時(shí)，Z3=4 784 Hz，。說(shuō)明在同一模態(tài)分析條件下，值越大，則階數(shù)越高；在不同模態(tài)分析條件下，同階次的值越大，則結(jié)構(gòu)的剛性越好。綜上分析可知，所設(shè)計(jì)的刀具總體強(qiáng)度和剛度能夠滿足加工條件要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的刀具的有限元靜態(tài)和動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，可以得出如下結(jié)論。

（1）刀具變形量集中于包含刀尖的部分前刀面與部分主、副后刀面包圍的楔型體區(qū)域；由于刀片設(shè)計(jì)了較大的圓弧，最大應(yīng)力區(qū)域不集中在刀尖處，而近似呈帶狀沿主切削刃方向分布，說(shuō)明刀片的圓弧半徑設(shè)計(jì)合理。因此適當(dāng)增大刀尖圓弧半徑可以使最大應(yīng)力從刀尖區(qū)域向主切削刃區(qū)域方向轉(zhuǎn)移，這樣可以保護(hù)刀尖。

（2）通過(guò)對(duì)不同刀具懸伸量的變形和應(yīng)力分析，可知在一定的加工條件下，刀具存在一個(gè)合適的懸伸量值。研究中設(shè)計(jì)的刀具，當(dāng)?shù)毒邞疑?30 mm 時(shí)，最大變形量不超過(guò)103 μm，變形量較小，對(duì)加工精度和質(zhì)量影響不大，因此選擇刀具懸伸量為130 mm。

（3）刀具的模態(tài)分析表明，刀具的固有頻率較高，在表2 的加工條件下，不易產(chǎn)生共振。但相對(duì)最大變形量較大，如果刀具發(fā)生共振，刀具形狀變化很大，將產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，不僅影響加工精度和質(zhì)量，還可能造成破壞，因此生產(chǎn)中必須避免共振發(fā)生。

［1］ 聶潁新. 加氫反應(yīng)器等大型石化容器制造的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.壓力容器，2010，27（8）：33-39．

［2］ 王賢琳，謝助新. 基于綠色切削的刀具設(shè)計(jì)模型概述［J］.工具技術(shù)，2010，44（12）：70-72.

［3］ 吳 波. 基于PRO /E 的叉型葉根可轉(zhuǎn)位刀具設(shè)計(jì)［J］. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（3）：63-65.

［4］ 萬(wàn)霖，汪春，車剛，等. 蔬菜移栽機(jī)的覆土鎮(zhèn)壓器設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（3）：16-18.

［5］ 陳日曜.金屬切削原理［M］.2 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［6］ 頊秀麗. 三維建模仿真技術(shù)在沖擊刀具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 山西煤炭，2007，27（3）：13-14.