基于ANSYS的Ω型榫槽精拉刀結構優化

裴宇飛 王騰嶠

（中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

0 引言

隨著航空發動機性能要求的不斷提升，對其各個零部件的要求越來越嚴格。在盤類零件方面，其發展趨勢主要體現在2個方面。1）對材料的耐高溫性要求越來越高。2）榫槽結構向極大和極小2個極端發展，2個方面的要求都導致其可加工性能越來越差。榫槽拉刀為該公司的核心發展產品，拉刀的設計首要準則為強度，即要求拉刀各個部位的應力不超過許用應力，拉刀的拉削力主要集中在與盤類零件的接觸部位，即刀齒刃部。拉刀在拉削力的作用下，產生局部變形，如果變形較大，會導致拉刀崩齒，嚴重時導致盤類零件報廢，所以拉刀的強度要滿足設計要求。在拉刀的設計過程中，容屑系數也是關鍵參數。一定程度上，容屑系數決定了拉削效率，即為獲得較高的拉削效率，需增加刀齒進刀量，為保證容屑系數，必然會對拉刀強度有所損益。

綜上所述，拉刀強度與容屑系數在一定程度上是對立統一的2個參數。隨著計算機技術的飛速發展，UG三維軟件和ANSYS有限元分析軟件的出現，為上述問題提供了解決方案。為減少榫槽加工接刀痕，提高表面粗糙度，成套拉刀的最后2把為型面精拉刀，其特點是拉刀型面較長，切削力較大，是影響拉刀強度和拉削效率的關鍵部位。因此，該文以Ω型榫槽精拉刀為研究對象，利用UG建立Ω型榫槽精拉刀參數化三維模型，利用ANASY分析拉刀在拉削力作用下的應力分布情況，根據分析改進拉刀設計結構。

1 Ω型榫槽精拉刀參數化三維模型的建立

以某航空發動機渦輪盤榫槽為研究對象，輪盤材料為GH4169鎳基變形高溫合金，該材料具有良好的高溫性能，切削抗力大、易變形難加工、導熱性差、切削區溫度高、極易發生加工硬化。傳統的Ω型榫槽精拉刀前角溝槽方向與榫槽齒厚方向保持一致，由于榫槽較小，按計算齒深，拉刀會形成豁口。該類拉刀在使用的過程中，經常出現崩齒、打刀問題，嚴重時損傷零件，甚至導致報廢。

1.1 基本參數的計算

1.1.1 切削長度

Ω型榫槽在軸向方向的尺寸為24 mm，榫槽型面中心線在渦輪盤的水平對稱面上的投影與盤的軸線夾角為15°。因此，切削長度為24÷cos（15°）=24.85 mm

1.1.2 齒升量

盤類零件的材料為高溫合金，參考資料，加工零件表面粗糙度要求較高時，為降低拉削力，應選擇較小的齒升，拉刀橫截面較小時，為提高拉刀強度，應選擇較小的齒升，因此，其拉削齒升量精刀為0.015 mm～0.025 mm，取0.015 mm。

1.1.3 齒距

盤類零件的材料為某高溫合金，參考資料，其齒距為（1.9～2.0）×L0.5=9 mm～10 mm，考慮其制造過程中需要型面鏟磨，需要有足夠的砂輪運行空間，齒距給定12 mm。

1.1.4 齒數

Ω型榫槽精拉刀用于去除半精拉型面拉刀拉削后榫槽的殘余三角形部分及精拉余量，綜合考慮安全性能及拉刀壽命，拉刀總體齒升量為0.42 mm，并增加了4個定型齒，所以齒數設為32。

1.1.5 拉刀總長

拉刀總長=齒數×齒距=390 mm（向上取整）。

1.1.6 前刀面齒根rq

為了保證容屑槽有足夠的空間進行正常拉削，應滿足下列條件：

式中：L為切削長度，Sz為齒升量，通過查閱《航空工藝裝備設計手冊》，容屑系數K=2.4，刀齒厚度4mm，前角15°，第一后角3°，第二后角45°。

由公式（1）可得：rq≥0.53 mm，取rq=0.6 mm。

1.2 Ω型榫槽精拉刀草圖建立

在UG軟件草圖環境中，根據榫槽各尺寸及形位公差建立參數化榫槽最小實體尺寸線。由于盤類零件材料為高溫合金，可不考慮其拉削回彈量，以最小實體尺寸線為Ω型榫槽精拉刀的型面線。

該文以HOFFMAN拉床為研究對象，該機床刀具滑動軸是利用鋼做成的，且有2個部分，刀具滑動線路是沿著直線滾動軸承引導來運動的，旋轉裝置由2個部分組成，一個是旋轉裝置底部，另一個是實際的旋轉部分。其刀體尺寸為30 mm×25 mm，左側為壓緊槽，右側為空刀槽，利用尺寸約束和幾何約束保證截線完全約束，進而建立Ω型榫槽精拉刀草圖。

1.3 Ω型榫槽精拉刀三維模型的建立

利用“拉伸”命令，以Ω型榫槽精拉刀型面線為被選擇曲線，拉伸距離為拉刀總長390 mm，生成拉刀體，利用“倒角”命令，將刀體底面四棱面倒1×45°倒角。利用“孔”命令，在拉刀空刀面打懸掛孔Φ6孔，利用尺寸約束控制圓心位置。

由于拉刀榫槽較小，采用傳統的前角溝槽設計方案，雙面齒拉刀會出現較大的豁口，在實際應用過程中，該類拉削方式經常出現“崩齒”問題。為解決此問題，在拉刀頂面形成0.4 mm的筋連接，通過調整拉刀前角溝槽成型角度，保證容屑系數滿足要求。以拉刀刀體兩側平面的二等分面新建基準平面。距離基準平面0.2 mm（筋厚的一半）新建基準平面。繪制新基準平面與拉刀頂面的相交直線，以相交直線為軸，與基準平面成12°（初始設置前角溝槽成型角度，后續可調整）夾角新建基準平面。以基準平面為草圖平面，以相交直線的左端點為草圖原點，利用尺寸約束，控制前角、第二后角，并模擬前角溝槽拉刀磨精加工砂輪截面，約束砂輪半徑，進而建立出拉刀前角溝槽截線。

利用“拉伸”命令，以曲線為被選擇曲線，布爾運算選擇“無”，距離設置為能保證完全切割拉刀工作面。利用“投影曲線”命令，將拉刀前角溝槽截線投影在拉伸體端面，再利用“回轉”命令，以投影曲線為被選擇曲線，布爾運算選擇“求和”（與生成體），角度設置保證能完全切割拉刀，生成拉刀前角溝槽拉刀磨精加工路徑三維體。利用“鏡像幾何體”命令和“陣列幾何特征”命令，將上述三維體陣列到每一個刀齒部位。利用“減去”命令，生成Ω型榫槽精拉刀三維模型[1]。

以上各參數的變化均可同步改變三維模型，實現了Ω型榫槽精拉刀參數化三維模型的建立。

2 基于A N S Y S的Ω型榫槽精拉刀結構改進

2.1 Ω型榫槽精拉刀切削力的計算

拉削高溫合金時，切削力的計算公式為：

式中：Fmax為拉削力（kg），p為單位拉削力（kg/mm2），Sz為齒升量（mm），b為每齒切削刃的工作長度（mm），Zimax為同時工作的最多齒數。

Ω型榫槽精拉刀的齒升量為0.015 mm，齒距為12 mm，經測量刀齒切削長度b=17.14 mm。

通過查閱《航空工藝裝備設計手冊》，拉削高溫合金時，p×Sz=14.37 kg/mm。

根據切削長度與齒距，可以計算出同時切削齒數為Zimax=24.85÷12+1=3.07。

綜上所述，Fmax=14.37×17.14×3.07=756.15 kg。

2.2 Ω型榫槽精拉刀A N S Y S分析

2.2.1 模型簡化

在實際拉削過程中，每個參與切削的刀齒狀態是一致的，可將多齒切削簡化為單齒切削，即在分析過程中選擇一個刀齒為分析模型。

2.2.2 模型A N S Y S分析過程

在UG環境下將刀齒三維分析模型導出為igs格式。

2.2.2.1 建立分析項目

打開ANSYS 16.0中Workbench 16.0命令，進入主界面，建立一個含有Static Structural的項目模塊。右擊A3欄“Geometry”，在彈出的快捷菜單中選擇“Import Geometry→Browse”命令，打開“打開”對話框，打開導出后的Ω型榫槽精拉刀模型。雙擊“Model”啟動Mechanical應用程序，在選擇菜單欄中的“Units”選擇“Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）”。

2.2.2.2 前處理

為部件選擇合適的材料，雙擊“EngineeringData”在彈出的材料特性應用中點擊“EngineeringData sources”，選擇“Material→Assignment”欄為“Structural Steel”。網格劃分，在樹形目錄中右擊“Mesh”分支，選擇“Insert→Sizing”。在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀實體，并指定網格尺寸為1 mm。施加固定約束。單擊Static Structural（A5）分支，點擊工具欄中“Supports”下的“Fixed Support”，在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀底面及一側面。施加壓力。點擊工具欄中“Loads”下的“Force”，在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀切削刃，在“Definition→Magnitude”欄中輸入756.15，在“Direc-tion”欄中選擇拉刀受力方向。添加結構結果。在樹形目錄中單擊Solution（A6）分支，點擊工具欄中“Stress”下的“Equivalent（von-Mises）”。

2.2.2.3 求解與結果

求解模型，單擊工具欄中的“Slove”。單擊樹形目錄中Solution（A6）分支下的“Equivalent Stress）”，此時在圖形窗口中會出現應力分布云圖。

根據分析結果，可以看出前角溝槽根部為應力集中區域，為拉刀危險區域。通過調整模型參數，進而實現優化Ω型榫槽精拉刀設計結構。

3 結語

應用ANSYS分析技術對拉刀進行應力分析，為拉刀設計提供了新的理論依據。將該技術運用于拉刀設計中能迅速、直觀地觀察拉削仿真效果，這是傳統設計方法所不能實現的，能有效提高拉刀設計的可靠性，縮短設計周期[2]。