安全閥閥桿切削加工仿真及參數(shù)優(yōu)化

劉建國

（黑龍江省建安公路工程有限公司，哈爾濱 150001）

0 引言

電站用安全閥是電力系統(tǒng)中不可缺少的控制設備，隨著國內(nèi)大型電站機組的發(fā)展需要，對電站用安全閥性能的要求不斷提高，對閥門的設計和制造也提出了新的挑戰(zhàn)。近年來，我國閥門設計和制造工藝的水平雖然有了很大的提高，但與世界先進水平相比仍存在一定的差距。閥桿是安全閥中的重要零件之一，在啟閉過程中不但是受力件、運動件，而且是密封件，工作時受到介質(zhì)的腐蝕和沖擊，加上與填料產(chǎn)生摩擦，閥桿的加工精度是影響其性能的關(guān)鍵。由于閥桿的長徑比大，剛度分布不均勻，在車削加工時，極易在切削力、離心力和重力的作用下產(chǎn)生振動；其次，加工過程中的切削熱不易散出，加劇零件在加工過程的熱脹，降低了閥桿的剛性，產(chǎn)生彎曲變形，使加工出來的細長軸產(chǎn)生腰鼓形、多角形、糖葫蘆形等缺陷［1］；同時，由于閥桿材料為不銹鋼，其韌性和塑性變形都很大，切削時不易分離，而且在切削應力和過高的切削熱的作用下，奧氏體穩(wěn)定性差，會轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕容^大馬氏體，導致硬化層，再加上一次走刀的時間長，極易造成刀具的磨損，導致閥桿加工精度、表面質(zhì)量存在一定的問題［2］。

有限元法具有強大的數(shù)值分析能力，在金屬切削仿真中被廣泛應用［3－5］。利用有限元切削分析軟件Advantedge FEM，建立切削模型及仿真分析，得到不同切削參數(shù)下的切削力和切削熱的變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場切削實驗，找出最優(yōu)的加工參數(shù)，有效地提高了切削效率，延長了刀具壽命，并保證加工質(zhì)量。對閥桿等細長桿類的車削加工具有重要的應用價值。

1 閥桿結(jié)構(gòu)特點及工況分析

閥桿是軸類零件，長徑比大，由外圓柱面、外圓錐面、外螺紋等組成，是電站閥門重要的傳動部件，上接執(zhí)行機構(gòu)或者手柄，下面直接帶動閥芯移動或轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)或開閉作用。電站閥門的開啟和閉合，通過手輪、閥桿和閥桿螺母來實現(xiàn)。閥桿除承受軸向力外，還承受傳動機構(gòu)的扭矩，受力情況比較復雜；其外圓的直徑精度要求較高，一般要達到6 級，表面粗糙度為Ra1.6。螺紋精度為2～3 級，表面粗糙度為Ra3.2。密封錐的表面粗糙度為Ra2.8。閥桿的軸心線不直度在全長上不應超過外圓直徑公差之半。外圓柱的錐度在每100 mm 長度上不得大于0.015 mm。螺紋、密封錐面對外圓柱的不同軸度一般不超過外圓柱直徑公差之半。

2 閥桿切削系統(tǒng)分析

2.1 加工彎曲變形分析

在切削閥桿中，切削力是影響加工變形的重要原因，切削力可以分解為切向切削力、徑向切削力和軸向切削力。徑向切削力方向與工件的軸向方向垂直，且工件的長徑比大，剛度差，徑向是工件最容易彎曲的方向，徑向力較大時，對閥桿的加工造成很大的影響。

一般情況下，閥桿切削采用的裝夾方式是卡盤頂尖方式，由于加工的復雜性，通常把這種裝夾方式簡化為梁如圖1 所示，刀尖的橫坐標為X，刀尖的徑向偏移量為Y，正向車削時，軸向分力Fx使工件軸向受壓，F(xiàn)y使工件產(chǎn)生徑向彎曲，根據(jù)材料力學理論計算得知左支端A 點的支反力為：

圖1 一端卡盤夾緊，一端頂尖支撐的力學模型

如圖1 所示，我們假定撓度向下為負值，進給力Fx使桿件受壓時為正，求得距A 端為x 處，撓曲線的近似微分方程為：

式中：E為材料的彈性模量；I為截面對X 軸的慣性矩。

可得方程的解為：

根據(jù)邊界條件，可求特解得：yx=0=0，y′x=0=0。

解出C1、C2代入式（6）、式（7）解微分方程，通解結(jié)果為：

可得在距A 點x 的位置，閥桿在Y 方向上的偏移量為式（8）中的y 值。

2.2 加工熱變形分析

在工件加工過程中，切削熱分布不均，溫度最高點分布在刀尖與工件接觸點附近。為了研究的需要，把車削閥桿看作受熱均勻。可得其加工完成時的軸向長度增量為：

式中：α為熱膨脹系數(shù)，α＝1 μm/℃；L為工件原長，mm；t1、t2分別為開始、結(jié)束溫度，℃。

無論采用哪種裝夾方式，隨著加工的進行，工件溫度持續(xù)升高，閥桿的直徑也隨著增大，在軸向也隨之伸長，軸類零件直徑最大值時，工件加工完成。無論在卡盤頂尖還是兩頂尖裝夾方式下，當工件受熱到一定程度時，都會產(chǎn)生軸向力，當軸向力達到一定程度時，產(chǎn)生加工變形，從而影響加工精度。

閥桿零件的受熱變形在徑向的自由熱變形為Δr1，徑向的自由熱變形Δr1為：

3 仿真方案設計

針對由切削力和切削熱造成的加工誤差，通過有限元切削仿真，研究加工參數(shù)對切削力和切削熱的影響規(guī)律，為切削加工參數(shù)優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文主要研究切削速度和進給量對切削力和切削溫度的影響。

3.1 切削速度對切削力和切削溫度的影響

假定進給量為f=0.15 mm/r 不變時，切削速度v 取20、30、40···90（m/min）通過有限元軟件AdvantEdge FEM對以上8 組數(shù)據(jù)進行切削仿真，經(jīng)過MATLAB 對仿真結(jié)果X 方向和Y 方向的切削力分別進行加權(quán)平均處理，得到切削力與切削速度的變化關(guān)系如圖2 所示。

同理得到切削溫度與切削速度的變化關(guān)系如圖3 所示。

圖2 切削速度-力的關(guān)系

3.2 進給量對切削力和切削溫度的影響

假定為切削速度v=40（m/min）不變時，進給量取0.12、0.13、0.14 ···0.19 m/min。通過有限元軟件 AdvantEdge FEM 對 以 上8 組數(shù)據(jù)進行切削仿真，經(jīng)過MATLAB 對仿真結(jié)果X 方向和Y 方向的切削力分別進行加權(quán)平均處理，得到切削力與切削速度的變化關(guān)系如圖4 所示。

同理得到進給量與切削溫度的變化關(guān)系如圖5 所示。

圖3 切削速度與溫度關(guān)系

圖4 進給量與切削力的關(guān)系

4 結(jié)論

圖5 進給量-溫度

通過有限元軟件仿真分析可得：當進給量一定時，隨切削速度的增加，切削力呈下降趨勢，為了減小切削力的波動對工件精度的影響，宜采用切削速度高于40 m/min；然而切削速度過高時，切削溫度呈上升趨勢，不但影響刀具的壽命，而且會影響工件的加工質(zhì)量，因此切削速度宜選擇在40～60 m/min 范圍內(nèi)。當切削速度一定時，隨著進給量的增加，切削力呈上升趨勢。為減小切削力對工件質(zhì)量的影響，通常選進給量低于0.16 mm/r；同時，為避免加工硬化進給量可選擇在0.15 mm/r 的附近。采用優(yōu)化后的切削參數(shù)進行切削試驗，試驗結(jié)果為：尺寸誤差為0.01 mm，表面粗糙度為Ra1.2，滿足設計要求的尺寸誤差0.02 mm，表面粗糙度為Ra1.6 的要求。實驗表明，采用優(yōu)化后加工參數(shù)，加工效率提高了30%，延長了刀具使用壽命。為細長軸類零件的加工提供了依據(jù)。

［1］薛占璞，錢松榮.基于SolidWorks 細長軸的加工方法及有限元分析［J］.煤礦機械，2012，33（7）：143-145.

［2］李家偉.細長軸加工方法探略［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)，2007，34（9）：63-64.

［3］沙智華，王巖，張生芳.切削加工有限元仿真技術(shù)研究進展［J］.機械制造，2010，48（6）：45-49.

［4］黃志剛，柯映林，王立濤.金屬切削加工的熱力耦合模型及有限元模擬研究［J］.航空學報，2004，25（3）：317-320.

［5］Xu Lan-ying，Ye Ban-yan，Wu Qiang，et al.Study by mechanisms on minipore drilling of austenitic stainless steel ［J］.Science Technology and Engineering，2008（23）：6348-6351.