大型立车超长刀排的结构设计与工程应用

张 斌 巩 丽 申 鹏 谢龙飞

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000)

数控立车作为数控车床的一个重要分支，可满足国防军工、燃气轮机、风电核电、交通运输和工程机械等邻域大型、特大型部件的加工需求[1-2]。作为立车关键核心功能部件之一，刀架直接影响立车的性能和效率[3]。目前，大型数控立车的刀架垂直最大行程不超过3 m，虽然能够满足常规工件的加工，但为了为扩展数控立车的加工范围，满足特种大型部件的加工需求，其往往需要配备相应的专用刀排[4]。

某大型发电设备部件呈空心筒式结构，其内孔径达2 300 mm，高度达3 500 mm，同时轴向方向上布置有12处轴向拉通键槽。该内孔加工要求高，同心度及圆度均要求控制在0.1 mm以内，同时内孔粗糙度要求保证在Ra3.2 μm以内。由于该部件整体通过长螺栓定位叠装而成，其强度不能满足加工翻身要求，因此部件内孔只能采用立车单工位车削完成，即加工过程中不能翻身加工，只能一次装夹车削完成。由于该部件装夹后的加工面垂直高度近4.2 m，超过立车刀架的悬伸长度，为确保单工位状态下的全尺寸覆盖，须设计超长刀排，补偿立车刀排行程不足，实现上述部件的加工。

1 设计关键点

为确保加工工件内孔的单工位车削加工，结合立车尺寸结构，确定刀排的总长应保证在1 300 mm以上。根据该工件的结构特点，可以分析得到刀排结构设计的关键点如下：

(1)刀排的高结构刚性。在该工件加工的极限状态，立车刀架和刀排的整体悬伸超过4.2 m。为确保加工质量，必须尽可能提高刀排的结构刚性以减小长悬伸带来的负面影响。

(2)加工中的强抗冲击能力。工件内孔均布有12个200 mm宽的轴向拉通键槽，使得车削过程不连续，刀架冲击较大，进而导致刀排加工时发生震颤。因此，刀排设计应具有较强的抗冲击力，体现在刀排本身结构刚性、刀排与立车刀架的把和强度以及刀具与刀排的把和强度等多方面[5]。

2 刀排截面型式

从刀排的功能特性出发，刀排上端应与立车刀架通过横键和螺栓进行连接。依据立车刀架相关尺寸，设计刀排截面呈350 mm×300 mm方形结构。刀排下方则设计60 mm×60 mm方形刀槽，通过多个M20螺栓固定车刀。由于刀排的外形长、宽、高尺寸均已确定，故刀排的刚性特征主要体现在横向截面的结构设计中。从重量、刚性和强度等角度综合考虑，刀排截面型式设计可以分为以下3种结构，如图1所示。第1种结构为实心中心柱，圆周方向设计有4处加强筋，见图1a，后文均简称实心刀排。第2种结构为空心中心柱，圆周方向设计有4处加强筋，见图1b，后文均简称空心刀排。第3种结构亦为空心中心柱，但除了圆周方向4处加强筋外，刀排四周增加布置了加固围板，见图1c，后文均简称空心加固刀排。通过计算可知，实心刀排的总重与空心加固刀排总重几乎一致，均比空心刀排的总重重50 kg左右。

3 工程特性分析

为进一步确定3种不同截面型式刀排的工程特性，本文采用有限元分析分别对其进行静力学分析和模态分析，从变形量、等效应力及固有频率等具体指标进行对比。为确保分析数据的可对比性，在分析过程中，工件的网格划分及设置、受力约束设置等均一致[6]。

3.1 切削力计算

刀排在立车车削过程中的切削力与工件材料性能、切削参数、刀具角度等均有关。根据大工件加工经验，选择高强度硬质合金75°车刀进行车削，该车刀前角-6°～-10°，刃倾角5°。立车车削过程中，转速设定为5 r/min，吃刀深度按0.2 mm，进给量按0.3 mm/r。由此，计算刀排所受切削力如下：

=9.81×270×0.21×0.30.75×

36-0.15×0.704

=88.31 N

=9.81×199×0.20.9×0.30.6×36-0.3×0.372

=28.27 N

=9.81×294×0.21×0.30.5×36-0.4×1.2

=90.42 N

3.2 静力学分析

立车超长刀排的有限元静力学分析主要关注变形量及等效应力两个指标[7]。三种截面型式刀排的变形量云图见图2。从图2可以看到，虽然截面型式不同，但刀排受力后的变形趋势相似，最大变形点也均出现在刀头附近。从最大变形量的数值上看，空心刀排>实心刀排>空心加固刀排，但其中空心刀排和实心刀排的最大变形量差异不大，空心加固刀排变形量则明显低于前两者。

3种截面型式刀排的等效应力云图见图3。从最大应力值上看，空心刀排>空心加固刀排>实心刀排，且空心刀排的最大应力值明显远大于后两者，而空心加固刀排与实心刀排的最大应力值较为接近。此外，从应力分布上看，相对于空心加固刀排，实心刀排的应力区域除了分布在车刀夹持部位外，其中心柱两端分布明显[9-10]。

综合上述变形量和等效应力分析，可以认为空心加固刀排的静力学性能较之实心刀排和空心刀排更佳。

3.3 模态分析

模态分析主要用于确定工件的振动特性，即结构的固有频率和振型。为确保工件加工过程中更优良的动态特性，其固有频率应在一定变动范围内越高越好。利用有限元软件分别对3种截面型式的刀排进行模态分析，得出前5阶固有频率[11-12]，见图4。从图4可以看到，空心刀排和实心刀排的固有频率几乎一致，而空心加固刀排的固有频率明显高于这两者。

4 工程实践应用

根据前文对刀排各截面型式的有限元静力学和模态分析，认为超长刀排的最佳截面结构为空心加固型式。为进一步进行验证，本文分别对实心刀排和空心加固刀排进行了试切试验。为最大程度体现刀排的使用性能，试切试验中，将刀排悬伸至试验工件最低档位置(见图5)。而且，均使用硬质合金高强度车刀(见图6)对试验工件最低档内孔进行车削。

试验过程中，首先分别确定实心刀排在粗、精加工状态下的最优切削参数，其后使用空心加固刀排，并在实心刀排切削参数基础上进行优化，得到空心加固刀排的最优切削参数，见表1。在车削过程中刀排工作正常，未有明显震颤，加工后工件表面状态见图7和图8。可以看到，相对于实心刀排，空心加工刀排的加工表面粗糙度更好，其精车后的工件内孔粗糙度达到Ra3.2 μm，满足工件的设计要求。

表1 刀排切削参数对比图

5 结语

本文围绕大型立车超长刀排的结构设计展开，基于有限元静力学及模态分析，对比研究了实心、空心、空心加固3种不同刀排截面结构的变形量、等效应力和固有频率等，发现空心加固刀排具有较低的变形量、适当的等效应力值和较高的固有频率，并通过工程实践对刀排的结构性能进行了进一步对比验证，确定了超长刀排的最优截面结构为空心加固结构，同时筛选了其最优切削参数，解决了某大型发电设备内孔单工位状态下的全尺寸覆盖的车削难题。该超长刀排的结构设计优化方法具有一定的工程应用价值。