汽缸异形环槽的加工与刀具设计

廖世超 谭万斌

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

汽缸是火电机组的重要组件，它的功能是将汽轮机的通流部分与大气隔开，以形成蒸汽热能转换为机械能的封闭汽室[1]。其瓦口内的汽封槽主要作用为联通汽封孔，保持一定体积汽流交换作用，对维持整个机组正常运行起十分关键的作用。

以往汽封槽以直槽居多，其制造相对简单，在相同开口尺寸情况下，异形环槽较直槽具有通汽量大的特点，但其加工十分困难，较常规切槽方式要增加轴向走刀动作。常规方法是用镗缸机加工，而此新型汽缸瓦口内异形环槽，由于瓦口直径小于加工厂现有镗缸机镗杆直径，因此无法采用镗缸机加工，加之汽缸总长约5 m，如采用立车加工，则装夹刚性与安全性都无法保证。为此，设计了专用切刀，并利用机床仿真模块进行了验证。最后采用镗床顺利完成了加工，破解了该新型汽缸异形环槽的加工难题。

1 异形环槽的结构

如图1所示，这两处异形环槽属于典型的腹腔结构，其开口尺寸小而内腔尺寸大，其中一处开口尺寸仅23 mm，考虑加工刀具安全距离，加工厂现有切刀盘厚度均无法满足要求，加之其腹腔较开口单边最多又加深18 mm，给加工带来了极大的困难，同时装刀、进刀、排屑空间均狭小，存在诸如刀具干涉、夹屑等不利因素。因此在有限空间下，现有刀具无法一次把轴向深度加工到位，只能采取多个深度加工法，即层切法。

图1 异形环槽结构图Figure 1 Structure of shaped ring groove

2 专用切槽刀具的设计

2.1 粗开粗切削思路

设计思路为层切法，在有限空间考虑走刀安全距离及便于装刀，18 mm深槽分为3层加工、10 mm深槽采用两层加工，每层又通过多层刀次切削，同时留出根部圆角，见图2。

最后根部圆角及斜面的加工为成形加工，采用圆刀片尺寸需与根部圆角一致，同时斜面由刀片安装角度来保证。

图2 粗开槽图Figure 2 Rough grooving

图3 刀座设计Figure 3 Design of tool apron

图4 刀盘设计Figure 4 Cutter design

图5 机床建模Figure 5 Machine modeling

2.2 刀座设计

刀座能实现在刀盘上移动，同时满足不同层次的切削，故根据上述思路，需设计3种粗加工刀座与4种成形刀座，刀座安装尺寸需与刀盘尺寸匹配，同时应结合现场加工经验，考虑刀盘刚性设计，切宽为9 mm。同时需考虑刀次间的覆盖量，避免加工中出现残留，故选取标准刀具宽度要大于设计切宽，选取标准刃宽为9.52 mm的刀片。各刀座设计见图3。

2.3 刀盘设计

由于采用层切分刀次加工，为降低成本，采用单一刀盘搭配不同刀座的方式，同时刀座在刀盘上，能相对移动，实现不同刀次的加工。由于异形环槽空间狭小，为简化操作采用镗削加工，即加工过程中只控制Z向走刀(卧式镗床)，为此刀盘直径与槽直径不能相差太大，否则无法固定刀座，故取刀盘直径为670 mm。刀盘厚度分两个厚度设计，进入加工区处，刀盘厚度取小值保证不干涉，不参与切削处，刀盘厚度取大值，保证足够的刚性。刀盘设计见图4。

3 机床仿真干涉分析

3.1 机床仿真模型建立

根据前面设计，刀盘直径670 mm，则机床需具备足够功率来驱动刀盘切削，故选取200镗床。为真实模拟现场切削情况，通过UG软件对实际加工将用到的机床进行1∶1建模。特别是主轴与划枕部位在加工中与工件易发生干涉，故建模时细节需准确表达，测量得出划枕截面为500 mm×500 mm、镗杆直径为200 mm，完成机床建模如图5所示。

机床模型建立好后，按正确XYZ运动逻辑关系，给机床各运动组件添加驱动器，确保其与现场运动坐标系一致。确定各轴行程，查阅机床参数后，设定X轴行程为10 m，Y轴行程为4 m，Z轴行程为2 m。

配置好机床驱动后，再通过Post Buider创建机床控制器。在Post Buider中创建一个新的后处理器和VNC控制器，最后激活VNC。

3.2 切槽刀具仿真模型建立

由于机床仿真干涉分析，主要是模拟刀具、机床主轴、划枕等，以及工装夹具、工件之间的碰撞，在确定机床仿真模型后，还需把设计的切槽刀具重新构建和添加到UG默认的刀具库。

3.3 切削干涉分析

将汽缸模型、切槽刀具仿真模型、机床仿真模型调入一起。并将夹具、工件、毛坯、刀具等重新定位到机床上，建立与现场加工一致的加工仿真系统，如图6所示。

为检测切削过程中的刀具干涉情况，需添加“碰撞对”，按图7，在“第一对象”处选择刀盘、镗杆、划枕模型，在“第二对象”处选择汽缸模型，其余选项默认，“碰撞对”建立完成。

开始仿真切削过程如图8，如发生碰撞则机床仿真终止，且弹出对话框显示碰撞位置。仿真结束，整个过程未发生碰撞，刀具方案可行。

图6 模拟加工示意Figure 6 Simulated machining 图7 建立“碰撞对”Figure 7 Establishment of collision pair

图8 切削仿真Figure 8 Cutting simulation

4 现场实际加工

加工过程中，根据切削情况，粗开槽阶段保证效率，机床转速取30 rmin，走刀为2 mmmin；成形阶段保证表面质量，机床转速取20 rmin，走刀为1 mmmin。由于加工空间狭小，所有换刀动作均需在固定坐标换刀，同时为避免碰撞，整个切削程中不允许移动机床X、Y坐标。整个加工过程中，刀具切削轻快，刀片磨损及断屑正常，整体刚性较好。为了提高加工后的光洁度，现场采用了润滑及修磨刀片等方式，保证了图纸的粗糙度要求。

5 结语

使用新设计的切槽刀具顺利实现了某新型汽缸异形环槽的加工。通过前期刀具、机床、汽缸的模型建立及系统仿真模型的建立，对整个加工过程进行了提前仿真干涉分析，保证了刀具方案的可行性。后期汽缸异形环槽的实际加工时，整个过程受控，没有发生干涉情况，表明所设计的切槽刀具非常实用。