閥體密封環(huán)車削加工變形的分析研究

李松林，廖靜，劉家順，羅飛俠

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

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閥體密封環(huán)車削加工變形的分析研究

李松林，廖靜，劉家順，羅飛俠

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

文章基于某型二次再熱機(jī)組閥體密封環(huán)的加工精度難以保證的問題，采用有限元分析方法，對車削過程中密封環(huán)的加工變形進(jìn)行了分析研究，通過研究表明：保證閥體密封環(huán)的加工精度需要合理控制刀具切削力與工裝夾緊力的大小。

閥體密封環(huán)，車削，加工變形，ANSYS

1　前言

某型二次再熱汽輪機(jī)采用一種新型的超高壓主汽閥結(jié)構(gòu)，閥體密封環(huán)作為閥體的核心密封部件，在頂蓋和閥殼之前起到密封作用。為保證閥體的密封性能，要求閥體密封環(huán)的外圓圓度為0.02 mm，而現(xiàn)有加工方法對于密封環(huán)加工精度的保證較為困難。國內(nèi)外學(xué)者對于切削加工中影響加工精度的因素進(jìn)行了大量的研究［1-4］，并給出了相應(yīng)的解決辦法，但大多數(shù)從求解殘余應(yīng)力的角度進(jìn)行分析，而對于加工過程中工件受力對精度的影響研究甚少。

閥體密封環(huán)以具有良好機(jī)械性能、耐腐蝕、耐高溫的不銹鋼作為材料，與45號鋼相比，不銹鋼的相對可切削性［5］約在0.3～0.5之間，是一種難切削材料，其難加工性主要表現(xiàn)在：加工硬化嚴(yán)重、切削溫度高、刀具易磨損、表面質(zhì)量和精度不易保證［6］。因此，不銹鋼材料的難加工性，使得刀具切削力的求解模型建立困難，切削力與密封環(huán)的加工精度關(guān)系復(fù)雜。在結(jié)構(gòu)上，閥體密封環(huán)由于直徑厚度比達(dá)86，屬于薄壁件零件，在加工過程中極易因切削力、切削熱、工件裝夾、加工路徑等因素的作用而產(chǎn)生加工變形［7］，經(jīng)實際加工調(diào)查，20%～60%的加工誤差是由工件的裝夾引起的［8］，因此工件裝夾產(chǎn)生的夾緊力對工件加工變形的影響不可忽視。

基于閥體密封環(huán)的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性，本文利用ANSYS WORKBENCH軟件對受刀具切削力及裝夾夾緊力共同作用的閥體密封環(huán)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，旨在研究夾緊力和切削力對閥體密封環(huán)加工變形的影響，為控制閥體密封環(huán)加工精度提供理論依據(jù)。

2　閥體密封環(huán)受力分析

在立式車床SVT160上加工閥體密封環(huán)的外圓，以密封環(huán)下端面定位，人工找正，利用四爪卡盤卡緊工件內(nèi)圓面，圖1為車削閥體密封環(huán)外圓的受力情況簡圖。

圖1　車削閥體密封環(huán)外圓的受力情況簡圖

切削力可分為主切削力Fc、切向切削力Ff和徑向切削力Fp。本文采用切削力計算軟件Walter Machining Calculator，針對奧氏體不銹鋼材質(zhì)的工件，轉(zhuǎn)速為50 r/min，切削深度ap為2 mm，進(jìn)給量為0.3 mm/r的切削參數(shù)，計算得到的主切削力Fc為1 545.4 N。一般情況下，主切削力最大，切向與徑向切削力小一些。隨著刀具幾何參數(shù)、刃磨質(zhì)量、磨損情況和切削用量的不同，F(xiàn)p與Ff相對于Fc的比值變化范圍為［9］：

關(guān)于夾緊力的求解，本文根據(jù)車床用三爪卡盤裝夾工件夾緊力的計算，推導(dǎo)出四爪卡盤夾緊力計算的方法［10］。由于對密封環(huán)外圓車削時，車削上端面時切削力矩最大，故以此作為計算理論夾緊力的主要依據(jù)。在車削上端面時，切向切削力Ff產(chǎn)生的彎矩與夾緊力無關(guān)，而主切削力Fc和徑向切削力Fp將可能引起工件在卡爪中相對轉(zhuǎn)動和軸向移動，為此建立理論夾緊力F與切削分力Fc、Ff的靜力平衡，即可計算出夾緊力的大小。

式中：

μ—卡爪與工件之間的摩擦系數(shù)，取0.15；

k—安全系數(shù)，一般取值1.5～0.3，粗加工取2.5～3，精加工取1.5～2，這里取k=2.5。

綜上所述，通過切削力計算軟件及式（1）～（4）可求解到密封環(huán)所受到的切削力及夾緊力，利用有限元分析軟件ANSYS對閥體密封環(huán)進(jìn)行靜力學(xué)分析可進(jìn)一步求解出加工變形量，進(jìn)而可得到夾持力、切削力與密封環(huán)加工變形量的關(guān)系。

3　有限元模型分析

本文研究的密封環(huán)是一種材質(zhì)為奧氏體不銹鋼的薄壁件零件，其彈性模量為204 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg·m-3。采用三維建模軟件UG建立密封環(huán)的實體模型，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，忽略其分布于外圓面及下端斜面的齒形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，采用二次三維實體單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置劃分后實體單元個數(shù)為66 257，單元節(jié)點為101 150，如圖2所示。

圖2　有限元分析模型

3.1安裝夾持狀態(tài)下密封環(huán)的受力變形

閥體密封環(huán)在安裝夾持狀態(tài)下，僅受工裝夾持力的作用。此時，閥體密封環(huán)底部剛性構(gòu)件工作臺加強(qiáng)，近似認(rèn)為其底部可保持圓形截面形狀，因此約束環(huán)向位移，并約束軸向位移及固定的遠(yuǎn)端位移以限制剛體的運動。忽略卡爪的變形，在卡爪與閥體密封環(huán)內(nèi)圓面的接觸線上施加第2節(jié)計算得到的夾緊力和摩擦力。為保證閥體密封環(huán)在車削過程中不發(fā)生移動和旋轉(zhuǎn)，四爪卡盤對工件的夾緊力需要高于4 707.52 N，以該值作為研究臨界點，摩擦力為706.128 N。施加載荷與約束在有限元模型上，如圖3所示，計算閥體密封環(huán)的受力變形量。

圖3　有限元模型的加載與約束

圖4為夾持力4 707.52 N時閥體密封環(huán)的變形云圖。對變形云圖進(jìn)行2.9×103倍放大，可以看出，在夾緊力的作用下，密封環(huán)的外圓與內(nèi)圓的變形云圖分布不均勻，靠近夾緊力部分的變形量較大，遠(yuǎn)離夾緊力部分變形量較小，工件在這個過程中由圓形變?yōu)榱怂倪呅?，說明產(chǎn)生了圓度誤差；圖中紅色Max表示閥體密封環(huán)的最大變形量為0.006 856 4 mm，位于四爪卡盤與閥體密封環(huán)的接觸線上；圖中藍(lán)色Min表示工件變形量近似為0，這是因為該處被工作臺所約束，且遠(yuǎn)離夾持力作用的原因。

圖4　閥體密封環(huán)的變形云圖（4 707.52 N夾持力）

圖5　夾持力與閥體密封環(huán)變形量關(guān)系曲線

為保證工件的最終加工精度，必須要求夾緊力控制在一定范圍內(nèi)，若夾緊力過小，四爪卡盤對工件的安裝夾持失效，若夾緊力過大，閥體密封環(huán)的變形量會影響工件在切削過程中尺寸超差。圖5為閥體密封環(huán)的工裝夾持力與變形量的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，閥體密封環(huán)的受力變形量隨著夾持力的增加而變大，當(dāng)夾緊力增加到13.8 kN時，密封環(huán)的受力變形量為0.020 097 mm，高于密封環(huán)圓度要求的值（0.02 mm），不能滿足加工精度的要求。因此，為滿足實際加工要求，在不考慮切削力的作用下，需要控制四爪卡盤的夾緊力在4.708～13.8 kN內(nèi)。

3.2切削狀態(tài)下密封環(huán)的受力變形

切削狀態(tài)下的閥體密封環(huán)同時受工裝夾緊力與刀具切削力的作用，對有限元模型施加與3.1節(jié)相同的約束，在夾緊力為4 707.52 N的基礎(chǔ)上施加切削力載荷。由第2節(jié)可知，對密封環(huán)變形量起作用的切削力只有主切削力Fc和切向切削力Fp，且粗車密封環(huán)外圓時，主切削力Fc為1 545.4 N，取切向切削力Fp=0.7Fc。

在密封環(huán)的切削過程中，刀具沿著進(jìn)給方向從密封環(huán)的上端面，經(jīng)由中間斜槽到密封環(huán)下端面，同時刀具沿著旋轉(zhuǎn)方向在1個卡爪間和2個卡爪間位置交替變換運動。但是，閥體密封環(huán)的靜力學(xué)分析只能計算出某一點位置受切削力所產(chǎn)生的受力變形，為模擬這一連續(xù)過程，本文將閥體密封環(huán)離散稱若干單元，并在車削路徑的單元節(jié)點上設(shè)置了6個切削位置點，A-B-C/E-F-G表示刀具的進(jìn)給運動，A-E/B-F/C-G表示工件的旋轉(zhuǎn)運動，如圖6所示。通過方案優(yōu)化以及實際加工試驗驗證，制定的工藝方案加工過程刀具無發(fā)顫現(xiàn)象，齒型各面加工后表面粗糙度達(dá)到Ra3.2，滿足圖紙要求，同時單個齒槽加工時間為2 min，整圈工件加工只需6個小時左右，加工效率比較高。

圖6　閥體密封環(huán)切削位置示意圖

圖7給出了切削過程中夾緊力為4 707.52 N，主切削力為1 545.4 N、切向切削力為1 081.78 N的閥體密封環(huán)的變形云圖，圖中淺藍(lán)色圖框數(shù)據(jù)代表切削力位置點的受力變形量。從圖中可以看出，切削2個卡爪之間的上端面時，密封環(huán)受到的加工變形量最大，為0.013 4 mm，切削1個卡爪間的中間斜槽時，加工變形量最小，為0.007 2 mm；切削密封環(huán)上端面時，最大切削力與切削力位置點的變形量相差1.05e-4 mm，表示密封環(huán)的最大加工變形主要由切削力引起；切削其余部分時，切削力位置點的加工變形小于最大變形量，且最大變形量位于夾緊力位置，代表密封環(huán)的最大加工變形主要由夾緊力引起；2個卡爪間的加工變形均大于1個卡爪間的切削變形；切削上端面工件的最大變形量最大，切削中間斜槽的最大變形量最小。因此，在實際生產(chǎn)加工中，需要控制位于密封環(huán)上端面遠(yuǎn)離夾緊力位置的切削力，使密封環(huán)的加工變形量在公差范圍內(nèi)。

圖7　切削過程中的閥體密封環(huán)變形云圖

圖8給出了切削速度為50 r/min、切削深度為2 mm、進(jìn)給量為0.3 mm/r、徑向切削力在231.81～1 081.78 N范圍內(nèi)的閥體密封環(huán)最大變形量。從圖中可以看出，閥體密封環(huán)的最大變形量隨著徑向切削力的增加而變大，計算范圍內(nèi)的最大變形量為0.007 234 1～0.013 447 mm，滿足加工中密封環(huán)的圓度要求。表1給出了4組切削參數(shù)的密封環(huán)最大變形量，通過與圖8比較可以看出，進(jìn)給量給定時，切削深度增大，密封環(huán)最大變形量變大；切削深度一定時，增大進(jìn)給量，密封環(huán)最大變形量增大。值得注意的是，當(dāng)切削深度為3 mm，進(jìn)給量為0.3 mm/r時，密封環(huán)最大變形量高于0.02 mm，此時密封環(huán)的圓度達(dá)不到加工精度要求。

表1　不同切削參數(shù)下密封環(huán)的變形量

圖8　閥體密封環(huán)變形量與徑向切削力關(guān)系曲線

4　結(jié)論

本文針對閥體密封環(huán)在車削加工時受刀具切削力及裝夾夾緊力的作用導(dǎo)致加工變形，進(jìn)而影響二次再熱汽輪機(jī)閥體密封性能的問題，建立了加工受力模型，給出了夾緊力與切削力的數(shù)值計算方法，應(yīng)用ANSYS軟件對密封環(huán)的有限元分析模型進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果表明：通過選擇適當(dāng)?shù)牡毒?、切削參?shù)和裝夾方式，減小切削力與夾持力的大小可以減小車削的加工變形，提高加工精度，為提高閥體的密封性能提供了一種可實用的方法。

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Research on Machining Deformation of Sealing Ring of Valve in Turning

Li Songlin，Liao Jing，Liu Jiashun，Luo Feixia
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

This paper is based on the problem that it's difficult to guarantee processing accuracy in the valve’s sealing ring of certain type double reheat unit.Analysis and research are carried out on the machining deformation of sealing ring in turning process by the finite element analysis method.The research shows that the machining accuracy of the valve’s sealing ring is guaranteed by controlling the cutting force and the clamping force.

sealing ring of valve，turning，machining deformation，ANSYS

TK262

A

1674-9987（2016）03-0029-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.007

李松林（1982-），男，工程師，2006年畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程及其自動化專業(yè)，主要從事汽輪機(jī)閥芯、軸承、汽封、調(diào)保等中小部件的制造技術(shù)工作。