廖世超 張金生

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

1 閥殼概述

本文討論的閥殼屬于汽輪機的核心部件之一，該閥殼是汽輪機運行時的主蒸汽離開鍋爐，進入汽輪機缸體工作的第一道環(huán)節(jié)。通過調節(jié)閥殼內腔安裝的一些構件的位置，就能夠機械性的控制進入汽輪機缸體的蒸汽流量，從而改變汽輪機的輸出功率，以便滿足不同工況的需求[1]。閥殼在工作時承受較高的溫度與壓力，同時由于一些構件裝配在閥殼內腔深孔內，并在工作時頻繁地產生相對移動，因此對閥殼內腔深孔的尺寸有一定的公差要求。閥殼內腔深孔部位通常采用鏜桿加長刀桿，并通過刀桿端部安裝刀具的方式來加工。近年來隨著我國汽輪機技術的進步，閥殼也朝著大型化、復雜化的方向發(fā)展，其內腔深孔尺寸也逐步加深，為了滿足更深閥殼內腔深孔的加工，在上述加工方式條件下，只能通過加長刀桿尺寸的方式實現，但隨著刀桿尺寸的加長，會導致加工剛性差、加工質量無法滿足等問題。

通過引入新的余量檢測方式，采用專用加工鏜桿，實現閥殼內腔深孔余量的精準檢測和高質量加工。

1.1 閥殼結構特點

我公司在制常見的閥殼主體為多個不同直徑的圓柱體，空間垂直相貫組合而成，如圖1所示。其外表面還分布有測溫搭子、臺面、吊耳、槽等結構。

圖1 閥殼外形Figure 1 Casing shape

閥殼材質為高溫合金，重量約14 t，輪廓外形尺寸(L×B×H)3000 mm×2700 mm×2300 mm。

閥殼內腔較復雜，為多個同心的臺階孔組成。本文研究的閥殼內腔深孔結構如圖2所示。

圖2 閥殼內腔深孔Figure 2 Deep hole in inner cavity of valve casing

閥殼內腔最深需加工深孔距外端面1700 mm，孔直徑?300 mm，外端面孔直徑?450 mm。

1.2 閥殼內腔深孔檢測及加工難點

(1)該閥殼尺寸大，重量較重，加之外表面加工面多，需采用W200HD鏜床加工，其機床主要參數為：

主軸直徑：?200 mm

主軸伸出距離：1100 mm

滑枕截面積：520 mm×520 mm

回轉臺尺寸：4000 mm×3500 mm

數控系統：非數控

通常閥殼內腔深孔及各臺階孔余量在W200HD鏜床的檢測方式為：利用外端面?450 mm孔粗定回轉中心軸線作為基準，鏜桿中心與基準線保持重合，鏜桿X、Y坐標不動，僅移動Z坐標，將鏜桿緩慢開入閥殼內腔，檢測人員在同一個XY截面圓周上選取8個測量點，測量各內腔孔與鏜桿或刀桿的徑向距離，記錄測量數據，通過分析測量數據與圖紙標準數據之間的偏差關系，從而判定回轉基準軸線是否需要調整，并判斷出閥殼內腔各孔的余量。W200HD鏜床鏜桿進入?450 mm孔后，余下的空間僅剩寬度為125 mm的環(huán)帶，檢測人員操作范圍嚴重受限，在鏜桿伸進閥殼內腔距離外端面≤400 mm長度范圍內，檢測誤差可控制在1 mm范圍；在鏜桿伸進閥殼內腔距離外端面>400 mm長度范圍時，只能依靠檢測人員目視觀察和經驗積累，測量過程產生較大的判別誤差，且該誤差隨著檢測距離的加深而逐漸加大；在閥殼內腔深孔1700 mm處的余量檢測，其檢測誤差已達到10 mm，這對閥殼加工找正及基準確定造成了極大的不確定性。因此，通常采用試加工的方式反復調整閥殼內腔深孔處的試切工序，以此縮小閥殼內腔深孔檢測的誤差，使得整個閥殼內腔深孔余量的檢測過程耗時長、精度低。

(2)閥殼內腔深孔距外端面1700 mm，而外端面孔直徑只有?450 mm，機床的滑枕截面積為520 mm×520 mm，滑枕無法進入閥殼內腔，只能通過主軸加長刀桿的方式加工，如圖3所示。

圖3 閥殼內腔深孔常規(guī)加工方式Figure 3 Regular machining method of deep hole in inner cavity of valve casing

采用該加工方式鏜桿及刀桿總懸伸達1700 mm，加工過程剛性嚴重不足，且機床為非數控機床，只能采用單刀鏜削的方式加工內腔深孔外圓及端面，鏜削時加工面會產生明顯振紋，如圖4，這進一步加速了刀具的消耗，造成加工過程頻繁換刀，嚴重影響加工面尺寸精度和加工效率。

圖4 加工面振紋Figure 4 Rippling on machined surface

2 檢測及加工方式改進

2.1 閥殼內腔深孔檢測方式改進

為了提高閥殼內腔深孔余量檢測精度，本文引入新的測量方式(工裝)，其檢測原理如圖5。

O—外端面孔回轉中心；A—閥殼內腔深孔測量位置1；B—閥殼內腔深孔測量位置2；L—測量桿全長；K—角度盤；α—A測量點角度盤讀數；β—B測量點角度盤讀數；AA—外端面孔回轉中心軸線；BB—閥殼內腔深孔回轉中心軸線；ε—閥殼內腔深孔與外端面孔的偏心距。圖5 檢測原理Figure 5 Inspection principle

檢測時，閥殼外端面孔的檢測空間開放，因此把檢測工裝通過找正，能較準確地定位在外端面孔的回轉中心上，固定后，轉動測量桿，使其分別接觸閥殼內腔深孔柱面上180°分布的兩測量點，并通過角度盤，分別讀出兩個測量點對應的角度，在檢測過程中測量桿為定長，且檢測工裝固定在閥殼上，幾乎不會產生相對移動，同時假設測量桿剛度較好，其由于自重產生的變形可忽略不計，則通過公式(1)計算，就能得出閥殼內腔深孔與外端面孔的偏心距ε，根據偏心距幫助檢測人員快速且較準確地判斷加工基準是否需要調整。

ε=L(sinα-sinβ)/2

(1)

同時采取該測量方法，利用公式(2)、(3)還能計算得出A、B測量點的具體余量大?。?/p>

HA=R-Lsinα

(2)

HB=R-Lsinβ

(3)

式中，HA、HB是A、B測量點的具體余量(mm)；R是內腔深孔的設計圖紙尺寸(mm)。

上述公式(2)、(3)計算若為負數，則表示該測量點缺量。通常加工過程中，若能將閥殼內腔深孔余量檢測的誤差控制在2 mm內，則對后續(xù)基準精確度的影響在可控范圍中，而該檢測方式測量誤差主要體現在角度盤的讀數誤差，即角度盤的最小讀數精度θ，θ可由公式(4)計算：

θ=arcsin(σ/L)

(4)

式中，σ是閥殼內腔深孔余量檢測的允許誤差(mm)。

將σ=2 mm、L=1700 mm代入公式(4)，計算得θ=0.07°。易知角度盤直徑越大，則分辨率越高，設角度盤表盤半徑為r，可由公式(5)計算：

r=λ/sinθ

(5)

式中，λ是人體肉眼能輕松看到的物體大小(mm)。

將λ=0.2 mm、θ=0.07°代入公式(5)，計算得r=164 mm，這也是測量誤差在2 mm內，角度盤尺寸允許的最小值若大于r值，則該裝置能獲得更高的測量精度，當然角度盤的尺寸不能無限增大，該尺寸還受到端面孔直徑的限制，設計時需預留一定操作空間。

2.2 閥殼內腔深孔加工方式改進

常規(guī)閥殼內腔深孔加工方式為通過主軸鏜桿加長刀桿的方式，為了在該方式下獲得較大切削動力，長刀桿不宜過重，現場實際加工常采用直徑為?100 mm長刀桿，而被加工部位直徑為?300 mm，則加工時刀具將懸伸達100 mm。為提高系統剛性，減小刀具懸伸，考慮采用整體式加長專用鏜桿加工，其結構如圖6。

1—刀盒；2—鋼板；3—無縫鋼管；4—法蘭接口。圖6 專用鏜桿結構圖Figure 6 Structural diagram of special boring bar

該專用鏜桿采用焊接結構，為減輕重量，中間部分采用空心結構，在加工?300 mm內孔時，刀具懸伸為20 mm，此懸伸較鏜桿加長刀桿的方式大幅縮短。

該專用鏜桿在使用時，安裝在機床滑枕端面上，通過端面螺釘孔把緊，采用鍵傳動，隨主軸一起轉動，模擬加工如圖7。

圖7 專用鏜桿模擬加工Figure 7 Simulation machining of special boring bar

采用該方式較主軸加長刀桿的方式加工優(yōu)點為：

(1)加工時主軸相對滑枕不伸出，能獲得較強切削動力；

(2)采用整體式，剛性較好；

(3)空心結構在減輕鏜桿重量的同時，能獲得較強的抗彎、抗扭強度；

(4)加工時刀具懸伸較短。

3 加工方式仿真分析

3.1 鏜削加工受力分析計算

對整個過程施加一個大小與主軸轉速相等，方向相反的回轉，則閥殼鏜削過程鏜刀受力模型，可等同于車削過程車刀的受力模型，如圖8，即工件旋轉，刀具靜止。

圖8 鏜刀受力模型Figure 8 Mechanical model of boring cutter

圖8中主分力記作Fz，方向為沿切削部位圓的切向；法向分力記作Fy，方向為沿刀桿長度方向；進給分力記作Fx，方向為沿機床鏜桿進給方向。

應用公式(6)、(7)、(8)對閥殼內腔深孔鏜削加工過程三個方向切削力大小進行計算。

Fz=9.81CFzapKFzfYFzVcnFzKFz

(6)

Fy=9.81CFyapKFyfYFyVcnFyKFy

(7)

Fx=9.81CFxapKFxfYFxVcnFxKFx

(8)

式中，ap、f、Vc為切削三要素，其余為經驗系數。

根據實際加工經驗取ap=3 mm、f=0.1 mm/r、Vc=30 m/s，結合工件材質為合金鋼，計算得Fz=639 N、Fy=261 N、Fx=549 N。

以上力僅為鏜刀受力，由于專用鏜桿在切削時旋轉，故會受到外力偶矩Me[3]，其計算公式為：

Me=9549P/n

(9)

式中，Me為外力偶矩(N·m)；P為功率(kW)；n為轉速(r/min)。

公式(9)中功率P及轉速n的計算公式為：

(10)

(11)

式中，Kc為比切削力，根據材料為合金鋼取Kc=3610 MPa；η為機床效率系數，取0.8。計算得P為0.7 kW，再由(11)計算得n=32 r/min，帶入公式(9)計算得Me=209 N·m。分析鏜刀受力Fz、Fx在傳遞到鏜桿時會額外帶來扭矩Mz及彎矩Mx，計算公式為：

Mz=0.5(D-d)Fz

(12)

Mx=0.5(D-d)Fx

(13)

式中，D為鏜孔直徑，取300 mm；d為專用鏜桿端部直徑，取260 mm。

計算得Mz=13 N·m，Mx=11 N·m。

綜上專用鏜桿端部受力模型如圖9所示。

圖9 鏜桿端部受力模型Figure 9 Mechanical model of boring bar end

采用鏜桿加長刀桿方式，在鏜削時由于切削參數不變，Fz、Fy、Fx大小保持不變。該方式較專用鏜桿加工，刀桿直徑及刀具懸伸變化，對扭矩Mz及彎矩Mx有影響，按公式計算得扭矩Mz=64 N·m，彎矩Mx=55 N·m。

3.2 仿真模型建立

由前述知專用鏜桿在閥殼內腔深孔加工中，屬于較復雜的組合受力情況，同時由于專用鏜桿結構復雜，為進一步校核其在加工中的可靠性，借助專用三維分析軟件UG進行有限元模擬仿真計算。把專用鏜桿模型導入新建FEM和仿真中，解算方案類型選擇為“線性靜力學-全局約束”，專用鏜桿采用Q235-A材質，在仿真時設置其密度、抗拉強度、楊氏模量及泊松比等參數。

研究時，對整個過程施加一個大小與主軸轉速相等，方向相反的回轉，專用鏜桿法蘭處添加為固定約束。為提高運算速度，設置3D四面體網格單元格大小為10 mm。建立專用鏜桿仿真模型如圖10。

圖10 專用鏜桿仿真模型Figure 10 Simulation model of special boring bar

同理設置鏜桿加長刀桿方式的仿真參數，建立仿真模型如圖11。

圖11 鏜桿加長刀桿方式仿真模型Figure 11 Simulation model of cutter bar lengthening method of boring bar

3.3 仿真計算結果及分析

當仿真模型建立后，采用NX NASTRAN求解器，分析類型設置為“結構”，對專用鏜桿解算后，其變形及應力情況如圖12、圖13所示。

圖12 專用鏜桿變形仿真結果Figure 12 Deformation simulation results of special boring bar

圖13 專用鏜桿應力仿真結果Figure 13 Stress simulation results of special boring bar

同理對鏜桿加長刀桿方式解算后，其變形及應力情況如圖14、圖15所示。

圖14 鏜桿加長刀桿方式變形仿真結果Figure 14 Deformation simulation results of cutter bar lengthening method of boring bar

圖15 鏜桿加長刀桿方式應力仿真結果Figure 15 Stress simulation results of cutter bar lengthening method of boring bar

結合仿真結果圖，對比分析兩種結構的變形及應力情況如表1。

表1 仿真對比Table 1 Simulation comparison

由表1可見，采用專用鏜桿在模擬加工時，其最大位移(變形)較鏜桿加長刀桿模擬加工時減少68.7%，其最大應力較鏜桿加長刀桿模擬加工時減少53.3%。該仿真過程是把加工過程轉化為刀具不動，工件轉動時的仿真，即靜態(tài)仿真，而實際現場是刀具回轉，故會引起彎曲振動，尤其在轉速處于臨界轉速時，彎曲振動將快速變大，造成加工過程失穩(wěn)。設最低臨界轉速(一階臨界轉速)為nr，則由公式(14)計算[3]。

(14)

式中，Y0可取為靜態(tài)仿真時的最大變形量。

計算得專用鏜桿一階臨界轉速為4784 r/min，鏜桿加長刀桿方式一階臨界轉速為2676 r/min，由前述知實際加工轉速為32 r/min，遠低于各自的一階臨界轉速，故加工過程均可視為剛性軸，進行靜態(tài)仿真分析合理。

4 加工應用

圖16為現場實際采用專用鏜桿加工情況。

圖16 專用鏜桿加工應用Figure 16 Machining and application of special boring bar

加工時該專用鏜桿安裝在滑枕上，安裝后由于長度較長，工件必須放置于回轉工作臺上，且回轉工作臺只能進行Z方向位移，方可將專用鏜桿伸入閥殼內腔。將專用鏜桿中心定在閥殼內腔深孔回轉基準上，根據余量大小，調整鏜刀把出量，設置切削參數為ap=3 mm、f=0.1 mm/r、n=32 m/min。

采用專用鏜桿切削后，加工面幾乎沒有振紋，且粗糙度、尺寸精度均優(yōu)于傳統鏜桿加長刀桿加工方式，系統剛性大幅提升。同時，利用該專用鏜桿端部刀盒結構，可安裝接長刀盒，從而實現更深孔的加工，目前可加工長達2300 mm的閥殼內腔深孔。

5 結論

(1)采用本文探討的測量桿加角度盤的檢測工裝，能將閥殼內腔深孔處的檢測誤差，由原來的10 mm左右，縮小到2 mm范圍。

(2)在切削參數取ap=3 mm、f=0.1 mm/r、Vc=30 m/s條件下，運用軟件UG有限元仿真，采用專用鏜桿在模擬加工時其最大變形較鏜桿加長刀桿模擬加工時減少68.7%，其最大應力較鏜桿加長刀桿模擬加工時減少53.3%。

(3)采用專用鏜桿對閥殼內腔深孔現場試切后，對比鏜桿加長刀桿方式，加工振紋現象明顯改善。