偏心零件车削受力及ansys变形分析

李松林 周万煜 杨季坤 罗新涛

摘要：本文以汽轮机飞环为典型零件，对其粗加工去应力后的车削情况进行了分析，计算了其受力情况，并通过ansys对其变形量进行了分析和验证，确定了合理的切削参数，对选取类似偏心零件的合理车削参数提供了借鉴和参考。

关键字：偏心 车削 ansys

1.概述

飞环是与汽轮机转子相连的安全部件，在转子超速时通过偏心力飞出，撞击杠杆，使危急遮断器泄油，关闭阀门使汽轮机停机，保护汽轮机。因其重要的作用和功能，加工时对其质量，偏心，静平衡等均有较高要求。在本文中以飞环为典型零件对其车削受力情况进行了分析和研究，以模拟实际加工的变形情况，选取合理的加工参数，防止零件加工变形，保证质量。

飞环车削受力变形分析与研究

2.1.飞环零件结构分析

从飞环的零件结构（图2-1飞环结构示意图）可以看出，飞环属于薄壁类回转零件，最薄处内、外圆壁厚仅9.5mm厚，加工易变形，因此需要选择合理的切削参数以防止变形。

目前，该零件的加工方式是多件下料，在车铣复合中心一次性装夹完成所有特征加工后切断，磨准总长。

零件车削外圆时回转中心需与零件外圆中心相重合，而零件重心不在外圆的回转中心，因此零件车削时会产生离心力的附加作用。

车铣复合中心，兼有铣削和车削功能，但是从综合对比来看，选择车削更为合适。

车削 相对较高 平稳 综合较大（因为零件高速旋转下有较大偏心力作用），可控制在合理范围

铣削 相对偏低 有冲击 相对较小

2.2.车削受力分析

为了研究分析飞环的车削受力情况，我们制定了以下流程：

2.2.1.偏心离心力计算

根据图2-1的飞环结构，在无内孔的条件下重心在回转中心，由此可得偏心离心力方程计算如下：

m1*g*a=m2*g*b（m为质量，a飞环重心到中心的距离，b为内孔重心到中心的距离）

其中m=ρ*s*l，密度ρ和厚度l可以消去，得：s1*a=s2*b

s1=π（D*D-d*d）/4，s2=πd*d/4

代入数值最终得：（152.5×152.5-125.5×125.5）×a=125.5×125.5×4

计算得到a=8.39，偏心离心力公式：F=mv^2?a，其中v=πan（n为加工时的转速）， 图2-2飞环偏心离心力计算

可得偏心离心力公式为：F=ρ*π（D^2-d^2）*l*π^2*n^2*a/（3600*1000*1000）

代入各项数值得：F=0.0001077*n^2（n单位转/分，偏心离心力力单位N·m）

2.2.2.切削力计算

（1）切削力的产生来源

1）切屑形成过程中弹性变形及塑性变形产生的抗力;

2）是刀具與切屑及工件表面之间的摩擦阻力。

（2）切削力的分解

Fc——切削力（主切削力或切向分力，以前用Fz表示）。它切于加工表面，并与基面垂直。Fc用于计算刀具强度，设计机床零件，确定机床功率等。

Fp——背向力（切深分力或径向分力，以前用Fy表示）。它处于基面内并垂直于进给方向。

Fp用于计算与加工精度有关的工件挠度和刀具、机床零件的强度等。它也是使工件在切削过程中产生振动的主要作用力。

Ff——进给力（轴向分力或走刀分力，以前用Fx表示）。它处于基面内与进给方向相同。Ff用于计算进给功率和设计机床进给机构等。

切削合力与分力的关系如下列公式所示：

F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+Fp〗^2 ），加上离心力 F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+（Fp+F_离）〗^2 ）

Fc=C_Fc a_p^xFc f^yFc v^nFc k_Fc Ff=C_Ff a_p^xFf f^yFf v^nFf k_Ff Fp=C_Fp a_p^xFp f^yFp v^nFp k_Fp

查阅切削用量简明手册，不锈钢，硬质合金车刀，得到各系数级指数值如下：

其中最后精车时，切深0.1mm，进给0.1mm/r，v=πdn，由于各项系数均为经验参数，因此可以得到飞环车削时的近似车削力大小，代入得公式如下：

F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+（Fp+F_离 ）〗^2 ）

=√（〖4541.41n〗^（-0.2） 〖+76173.72n〗^（-0.6） 〖+（946.98n^（-0.4）+0.0001077n^2）〗^2 ）

在转速n不同数值时候，可得切削力大小如图（2-4）所示：

从上图并结合计算公式可以看出，在转速较低时，金属切削力为主要作用力，离心力较小，在转速逐渐提高时，离心力明显增加，成为主要作用力，转速n在400r/min～450r/min时，可以得到最小切削力约119N。

2.2.3.ansys变形分析

根据上述计算得到的数据：

1.使用UG建立1：1模型;

2.导入ansys进行变形受力分析，包括网格划分，施加载荷及结果显示;

3.按照实际受力情况施加载荷在最飞环最薄弱的位置，同时因为零件为多件下料，选择与毛坯相连的面为固定面，根据ansys所得实际的变形情况得出结论：

在转速n=450r/min，切深ap=0.1mm，进给速度

f=0.1mm/min时，能有效的控制变形，并能获得较好精加工质量和加工效率，且适当增加转速和切深，重新计算受力，在飞环不变形的情况下，可获得更高的加工效率，增加经济性。

2.2.4.小结

通过对飞环切削条件和受力分析，近似计算出了飞环该状态下的切削受力情况，并应用ansys分析了其变形情况，最终加工出了合格的产品，其对我们选择合理的切削参数，控制薄壁零件的切削变形有积极的作用和意义。

3.结论

（1）经过飞环实际加工受力情况的分析，确定了飞环车削时的合理切削参数;

（2）通过切削力的计算公式可大致确定加工时的切削力大小，对我们选择合理的加工参数有重要的指导意义;

（3）通过UG建模，ansys有限元分析的方式，可以分析零件的薄弱环节，发现零件的不合理结构，并能有效的避免加工报废，防止加工变形，提高产品质量;

（4）此种计算分析模式可用于各种薄壁，弱刚性零件的加工，可有效的优化产品结构，保证产品质量，提高加工效率;对公司“提质增效，精益求精”的生产模式具有良好的推动意义。

参考文献

1.凌桂龙等.ANSYS Workbench 13.0从入门到精通.北京：清华大学出版社，2012.1第一版

2.成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004.1.1第四版

3.艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册.北京：机械工业出版社，2003.3.3第三版

4.钟日铭等.UG NX7.5完全自学手册.北京：机械工业出版社

5.翦天聪.汽轮机原理.北京：中国电力出版社，1998第二版

作者简介：李松林，男，1982年11月2日出生，汉，四川省德阳人，工程硕士，高级工程师，毕业于西安交通大学，研究方向：汽轮机机械制造工艺。