機(jī)加大型薄壁筒段專(zhuān)用支撐架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

馮鵬升 楊?lèi)?ài)萍 王麗鵬 王江勇 李 青

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

大型薄壁筒段作為航天裝備的關(guān)鍵件，筒段的加工質(zhì)量對(duì)最終產(chǎn)品的成敗起到至關(guān)重要的作用，而航天薄壁筒段一般又具有大直徑、薄壁厚的特點(diǎn)，故切削力造成的筒段變形問(wèn)題一直是困擾車(chē)間的一道難題。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件切削加工進(jìn)行過(guò)研究，郭魂[1]等人利用數(shù)值仿真方法，在走刀路徑上進(jìn)行改變，通過(guò)工藝角度研究薄壁框類(lèi)零件加工變形和尺寸方面的影響；黃志剛[2]第一次考慮毛坯初始應(yīng)力,綜合切削力、裝夾及機(jī)加路徑等因素，建立了車(chē)削有限元模型進(jìn)行分析；國(guó)外學(xué)者OkushimaW[3]和KlameckiW[4]等利用數(shù)值分析方法對(duì)切削加工過(guò)程仿真進(jìn)行研究；

Guo[5]等人通過(guò)建立了斜切削加工有限元模型,預(yù)測(cè)了切削力和殘余應(yīng)力分布等。雖然都進(jìn)行了強(qiáng)有力的理論分析，但是如何讓車(chē)間利用一套專(zhuān)用工藝裝備便可輕松解決加工的問(wèn)題卻少有研究，而這具有重要的研究意義[6]。

以某薄壁筒段為研究對(duì)象，利用繪圖軟件UG建立筒段的三維實(shí)體模型；將UG實(shí)體模型導(dǎo)入Workbench中，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，把計(jì)算得出的切削力和壓板壓力，作為外載荷和邊界條件進(jìn)行有限元分析，可知筒段局部變形嚴(yán)重。使用專(zhuān)用工裝后，再次進(jìn)行有限元分析，解決了機(jī)加薄壁筒段的變形問(wèn)題。

1 建立有限元模型及性能分析

1.1 幾何模型的建立

進(jìn)行有限元分析之前，在三維軟件UG中建立筒段模型。首先，出于公開(kāi)的要求，對(duì)模型直徑及相關(guān)尺寸均做適當(dāng)?shù)男薷模黄浯危サ敉捕蝺啥说穆菁y孔、法蘭板及筋板，因?yàn)檫@些細(xì)節(jié)不會(huì)對(duì)剛度有多大影響；再次，簡(jiǎn)化模型有利于其網(wǎng)格的劃分，可提高軟件的計(jì)算、分析效率。簡(jiǎn)化后的筒段模型如圖1所示。

1.2 定義材料屬性以及網(wǎng)格的劃分

由筒段CAD圖紙可知，由材料為Q345A的鋼板卷制而成，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]得：其彈性模量Ex=2×105MPa，泊松比μ=0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3。鑒于筒段主要是由鋼板卷制而成，故采用10節(jié)點(diǎn)的四面體SOLID92單元[8]，方便網(wǎng)格的劃分及分析計(jì)算。將實(shí)體模型導(dǎo)入Workbench軟件中對(duì)其進(jìn)行幾何清理，然后劃分網(wǎng)格，采用中等長(zhǎng)度自由劃分網(wǎng)格方法，共計(jì)得到144 078個(gè)節(jié)點(diǎn)和20 460個(gè)單元。

1.3 定義約束和載荷

薄壁筒段如圖1所示放在立車(chē)上進(jìn)行外圓的車(chē)削加工，F(xiàn)為車(chē)刀上受到的合力。在實(shí)踐中，為了方便測(cè)量和應(yīng)用，將合力分解為作用在刀具上的3個(gè)相互垂直的分力Fc、Fp、Ff，如圖2所示。其中Fc為主切削力，是主運(yùn)動(dòng)方向上的切削分力；Fp為背向力，是吃刀方向上的切削分力；Ff為進(jìn)給力，是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向上的分力。

根據(jù)《機(jī)械加工工藝師手冊(cè)》[9]可知，目前的切削力公式，都是以具體材料為基礎(chǔ)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)歸納出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，其車(chē)削力計(jì)算公式如下所示：

(1)

式中：Fc、Fp和Ff分別表示主切削力、背向力和進(jìn)給力；CFc、CFp和CFf為系數(shù)，當(dāng)加工材料為結(jié)構(gòu)鋼，刀具材料為硬質(zhì)合金，加工形式為外圓車(chē)時(shí)，其值分別為2 650、1 950、2 880；xFc、yFc、nFc、xFp、yFp、nFp、xFf、yFf、nFf是對(duì)切削力參數(shù)影響的參數(shù)值，其值分別是1.0、0.75、-0.15、0.9、0.6、-0.3、1.0、0.5、-0.4；KFc、KFp、KFf表示各因素對(duì)切削力的修正系數(shù)之積，此時(shí)均為1。

其車(chē)削功率計(jì)算表達(dá)式為：

Pm=Fc·V/6×10-4

(2)

式中：Pm為切削功率， kW；V為切削速度，m/min。

將切削參數(shù)和指數(shù)代入式(1)和(2)可得：Fc=3 382 N、Fp=1 481 N、Ff=1 738 N、Pm=1.13 kW。

筒段固定時(shí)，其上平面均勻分布8個(gè)壓板對(duì)其進(jìn)行壓緊固定，壓板上連接的拉桿采用螺栓連接，筒段靠預(yù)緊力與工作臺(tái)進(jìn)行緊密貼合。假設(shè)每個(gè)螺栓上產(chǎn)生的預(yù)緊力相同，且摩擦力均集中在螺栓的中心處。其擰緊力矩的計(jì)算公式[10]為：

T=KF′d

(3)

式中：d為螺紋的公稱(chēng)直徑，mm；F′為預(yù)緊力，N；K為擰緊力矩系數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)數(shù)顯扭矩扳手測(cè)得扭矩T=300 N·m，拉桿端部為M20的螺紋，K取0.2，可得預(yù)緊力F′=75 000 N。

在Workbench中，將上述計(jì)算的切削分力分別施加于筒段上某一點(diǎn)，在筒段上平面均勻分布8個(gè)位置共同施加預(yù)緊力，如圖3所示。

1.4 筒段模型有限元分析

通過(guò)施加切削力和預(yù)緊力，在Workbench軟件中對(duì)筒段進(jìn)行靜力學(xué)有限元分析。計(jì)算求得的其變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，筒段的整體最大變形和最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)刀處，最大變形量為0.69 mm，最大應(yīng)力為177.7 MPa。Q345A的板材卷制而成的筒段，材料厚度小于16 mm時(shí)，其屈服強(qiáng)度為345 MPa，安全系數(shù)為1.9，可知筒段的強(qiáng)度滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，但其變形量無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

2 支撐架的設(shè)計(jì)與分析

2.1 幾何模型的建立

車(chē)削大型薄壁筒段，尤其是在背向力的作用下，筒段很容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，切削熱也可以引起工件熱變形。經(jīng)過(guò)軟件分析和車(chē)間操作實(shí)踐，車(chē)削大型薄壁筒段必須采用支撐架對(duì)其車(chē)削變形進(jìn)行控制。

經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)積累[11]和車(chē)間使用驗(yàn)證，機(jī)加薄壁筒段專(zhuān)用支撐架如圖6所示。

外支撐用于對(duì)筒段內(nèi)壁的環(huán)形支撐，在自由狀態(tài)下，外支撐的直徑小于筒段內(nèi)壁，便于支撐架放進(jìn)筒段中。當(dāng)支撐架放置合適位置后，轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮螺栓，通過(guò)卡管推動(dòng)外支撐進(jìn)行擴(kuò)張，直至外支撐和筒段內(nèi)壁完全緊密貼合。筒段外圓車(chē)削完成后，通過(guò)再次轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮螺栓，使得外支撐恢復(fù)至自由狀態(tài)，取出支撐架。該支撐架主要由4件外支撐、1件內(nèi)支撐、24件卡管、24件伸縮螺栓、4件連接耳及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件組成。

2.2 關(guān)鍵零部件受力分析

外支撐對(duì)整個(gè)筒壁起支撐作用，其強(qiáng)度和剛度直接影響筒段的加工質(zhì)量。將上文計(jì)算的約束和載荷施加在外支撐上，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，計(jì)算求得的其變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8中可以看出，外支撐的整體最大變形和最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)刀處，最大變形量為0.008 mm，最大應(yīng)力為23.9 MPa。其強(qiáng)度、剛度和最大變形均能滿(mǎn)足加工要求。

卡管的剛度直接決定外支撐的撐開(kāi)角度，以同樣的切削力和壓力施加在卡管上，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，計(jì)算求得變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10中可以看出，卡管的最大變形量為0.003 mm，最大應(yīng)力為14.4 MPa。其強(qiáng)度、剛度和最大變形均能滿(mǎn)足要求。

伸縮螺栓原材料采用45鋼，外螺紋是公稱(chēng)直徑為36 mm的矩形齒，矩形齒旋轉(zhuǎn)時(shí)便于卡管在直徑方向上向外移動(dòng)。查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，45鋼的屈服點(diǎn)為355 MPa，安全系數(shù)取為2，經(jīng)計(jì)算可得，每一根伸縮螺栓可承載57 510 N的軸向力，完全符合使用要求。

3 使用支撐架后性能驗(yàn)證

考慮筒段切削變形實(shí)際情況，結(jié)合車(chē)削工藝技術(shù)要求，將一定數(shù)量的支撐架放置筒段的適當(dāng)位置，裝配后的模型如圖11所示。

再次對(duì)筒段施加相同的切削力和外載荷進(jìn)行有限元分析，由于支撐架結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、難度大，故分析時(shí)對(duì)支撐架進(jìn)行了簡(jiǎn)化，分析計(jì)算求得的其變形云圖和等效應(yīng)力云圖分別如圖12和圖13所示。

對(duì)裝配支撐架的筒段進(jìn)行有限元分析，得到其與未裝配支撐架時(shí)筒段的最大變形和最大應(yīng)力的對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 裝配支撐架前后筒段性能指標(biāo)

從表1中可以看出，與未裝配支撐架相比，裝配支撐架的筒段其最大變形量減小了99%，最大應(yīng)力減小了75.5%，其車(chē)削性能在整體上得到改善。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型薄壁筒段進(jìn)行有限元分析，得出其切削變形大，無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)需求等缺陷。基于分析結(jié)果，結(jié)合車(chē)間實(shí)際，設(shè)計(jì)一種控制筒段機(jī)加變形的支撐架。通過(guò)對(duì)支撐架進(jìn)行分析，可知支撐架的剛度和強(qiáng)度符合車(chē)削要求。將筒段裝配支撐架后再次進(jìn)行受力分析，可知其最大變形減小了99%，最大應(yīng)力減小了75.5%，車(chē)削筒段時(shí)各項(xiàng)性能均得到一定的改善。目前，該支撐架在生產(chǎn)中得到推廣使用。