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      閥殼內(nèi)腔深孔檢測(cè)方式探討及加工應(yīng)用

      2022-09-30 08:30:50廖世超張金生
      中國(guó)重型裝備 2022年3期
      關(guān)鍵詞:鏜桿刀桿內(nèi)腔

      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)的主蒸汽離開鍋爐,進(jìn)入汽輪機(jī)缸體工作的第一道環(huán)節(jié)。通過調(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,并通過刀桿端部安裝刀具的方式來加工。近年來隨著我國(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)量無法滿足等問題。

      通過引入新的余量檢測(cè)方式,采用專用加工鏜桿,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)中心軸線作為基準(zhǔn),鏜桿中心與基準(zhǔn)線保持重合,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,滑枕無法進(jìn)入閥殼內(nèi)腔,只能通過主軸加長(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;α—A測(cè)量點(diǎn)角度盤讀數(shù);β—B測(cè)量點(diǎn)角度盤讀數(shù);AA—外端面孔回轉(zhuǎn)中心軸線;BB—閥殼內(nèi)腔深孔回轉(zhuǎn)中心軸線;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)空間開放,因此把檢測(cè)工裝通過找正,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),并通過角度盤,分別讀出兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度,在檢測(cè)過程中測(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)的具體余量大小:

      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)在角度盤的讀數(shù)誤差,即角度盤的最小讀數(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°。易知角度盤直徑越大,則分辨率越高,設(shè)角度盤表盤半徑為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)然角度盤的尺寸不能無限增大,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)專用鏜桿加工,其結(jié)構(gòu)如圖6。

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

      該專用鏜桿采用焊接結(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。

      該專用鏜桿在使用時(shí),安裝在機(jī)床滑枕端面上,通過端面螺釘孔把緊,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),則閥殼鏜削過程鏜刀受力模型,可等同于車削過程車刀的受力模型,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,借助專用三維分析軟件UG進(jìn)行有限元模擬仿真計(jì)算。把專用鏜桿模型導(dǎo)入新建FEM和仿真中,解算方案類型選擇為“線性靜力學(xué)-全局約束”,專用鏜桿采用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。建立專用鏜桿仿真模型如圖10。

      圖10 專用鏜桿仿真模型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,分析類型設(shè)置為“結(jié)構(gòu)”,對(duì)專用鏜桿解算后,其變形及應(yīng)力情況如圖12、圖13所示。

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

      圖13 專用鏜桿應(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,采用專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%。該仿真過程是把加工過程轉(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)際采用專用鏜桿加工情況。

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

      加工時(shí)該專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,方可將專用鏜桿伸入閥殼內(nèi)腔。將專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。

      采用專用鏜桿切削后,加工面幾乎沒有振紋,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。

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