基于ANSYS的Ω型榫槽精拉刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化

裴宇飛 王騰嶠

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043）

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提升，對(duì)其各個(gè)零部件的要求越來(lái)越嚴(yán)格。在盤(pán)類(lèi)零件方面，其發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。1）對(duì)材料的耐高溫性要求越來(lái)越高。2）榫槽結(jié)構(gòu)向極大和極小2個(gè)極端發(fā)展，2個(gè)方面的要求都導(dǎo)致其可加工性能越來(lái)越差。榫槽拉刀為該公司的核心發(fā)展產(chǎn)品，拉刀的設(shè)計(jì)首要準(zhǔn)則為強(qiáng)度，即要求拉刀各個(gè)部位的應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力，拉刀的拉削力主要集中在與盤(pán)類(lèi)零件的接觸部位，即刀齒刃部。拉刀在拉削力的作用下，產(chǎn)生局部變形，如果變形較大，會(huì)導(dǎo)致拉刀崩齒，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致盤(pán)類(lèi)零件報(bào)廢，所以拉刀的強(qiáng)度要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在拉刀的設(shè)計(jì)過(guò)程中，容屑系數(shù)也是關(guān)鍵參數(shù)。一定程度上，容屑系數(shù)決定了拉削效率，即為獲得較高的拉削效率，需增加刀齒進(jìn)刀量，為保證容屑系數(shù)，必然會(huì)對(duì)拉刀強(qiáng)度有所損益。

綜上所述，拉刀強(qiáng)度與容屑系數(shù)在一定程度上是對(duì)立統(tǒng)一的2個(gè)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，UG三維軟件和ANSYS有限元分析軟件的出現(xiàn)，為上述問(wèn)題提供了解決方案。為減少榫槽加工接刀痕，提高表面粗糙度，成套拉刀的最后2把為型面精拉刀，其特點(diǎn)是拉刀型面較長(zhǎng)，切削力較大，是影響拉刀強(qiáng)度和拉削效率的關(guān)鍵部位。因此，該文以Ω型榫槽精拉刀為研究對(duì)象，利用UG建立Ω型榫槽精拉刀參數(shù)化三維模型，利用ANASY分析拉刀在拉削力作用下的應(yīng)力分布情況，根據(jù)分析改進(jìn)拉刀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

1 Ω型榫槽精拉刀參數(shù)化三維模型的建立

以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)榫槽為研究對(duì)象，輪盤(pán)材料為GH4169鎳基變形高溫合金，該材料具有良好的高溫性能，切削抗力大、易變形難加工、導(dǎo)熱性差、切削區(qū)溫度高、極易發(fā)生加工硬化。傳統(tǒng)的Ω型榫槽精拉刀前角溝槽方向與榫槽齒厚方向保持一致，由于榫槽較小，按計(jì)算齒深，拉刀會(huì)形成豁口。該類(lèi)拉刀在使用的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)崩齒、打刀問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)損傷零件，甚至導(dǎo)致報(bào)廢。

1.1 基本參數(shù)的計(jì)算

1.1.1 切削長(zhǎng)度

Ω型榫槽在軸向方向的尺寸為24 mm，榫槽型面中心線(xiàn)在渦輪盤(pán)的水平對(duì)稱(chēng)面上的投影與盤(pán)的軸線(xiàn)夾角為15°。因此，切削長(zhǎng)度為24÷cos（15°）=24.85 mm

1.1.2 齒升量

盤(pán)類(lèi)零件的材料為高溫合金，參考資料，加工零件表面粗糙度要求較高時(shí)，為降低拉削力，應(yīng)選擇較小的齒升，拉刀橫截面較小時(shí)，為提高拉刀強(qiáng)度，應(yīng)選擇較小的齒升，因此，其拉削齒升量精刀為0.015 mm～0.025 mm，取0.015 mm。

1.1.3 齒距

盤(pán)類(lèi)零件的材料為某高溫合金，參考資料，其齒距為（1.9～2.0）×L0.5=9 mm～10 mm，考慮其制造過(guò)程中需要型面鏟磨，需要有足夠的砂輪運(yùn)行空間，齒距給定12 mm。

1.1.4 齒數(shù)

Ω型榫槽精拉刀用于去除半精拉型面拉刀拉削后榫槽的殘余三角形部分及精拉余量，綜合考慮安全性能及拉刀壽命，拉刀總體齒升量為0.42 mm，并增加了4個(gè)定型齒，所以齒數(shù)設(shè)為32。

1.1.5 拉刀總長(zhǎng)

拉刀總長(zhǎng)=齒數(shù)×齒距=390 mm（向上取整）。

1.1.6 前刀面齒根rq

為了保證容屑槽有足夠的空間進(jìn)行正常拉削，應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：

式中：L為切削長(zhǎng)度，Sz為齒升量，通過(guò)查閱《航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)》，容屑系數(shù)K=2.4，刀齒厚度4mm，前角15°，第一后角3°，第二后角45°。

由公式（1）可得：rq≥0.53 mm，取rq=0.6 mm。

1.2 Ω型榫槽精拉刀草圖建立

在UG軟件草圖環(huán)境中，根據(jù)榫槽各尺寸及形位公差建立參數(shù)化榫槽最小實(shí)體尺寸線(xiàn)。由于盤(pán)類(lèi)零件材料為高溫合金，可不考慮其拉削回彈量，以最小實(shí)體尺寸線(xiàn)為Ω型榫槽精拉刀的型面線(xiàn)。

該文以HOFFMAN拉床為研究對(duì)象，該機(jī)床刀具滑動(dòng)軸是利用鋼做成的，且有2個(gè)部分，刀具滑動(dòng)線(xiàn)路是沿著直線(xiàn)滾動(dòng)軸承引導(dǎo)來(lái)運(yùn)動(dòng)的，旋轉(zhuǎn)裝置由2個(gè)部分組成，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)裝置底部，另一個(gè)是實(shí)際的旋轉(zhuǎn)部分。其刀體尺寸為30 mm×25 mm，左側(cè)為壓緊槽，右側(cè)為空刀槽，利用尺寸約束和幾何約束保證截線(xiàn)完全約束，進(jìn)而建立Ω型榫槽精拉刀草圖。

1.3 Ω型榫槽精拉刀三維模型的建立

利用“拉伸”命令，以Ω型榫槽精拉刀型面線(xiàn)為被選擇曲線(xiàn)，拉伸距離為拉刀總長(zhǎng)390 mm，生成拉刀體，利用“倒角”命令，將刀體底面四棱面倒1×45°倒角。利用“孔”命令，在拉刀空刀面打懸掛孔Φ6孔，利用尺寸約束控制圓心位置。

由于拉刀榫槽較小，采用傳統(tǒng)的前角溝槽設(shè)計(jì)方案，雙面齒拉刀會(huì)出現(xiàn)較大的豁口，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該類(lèi)拉削方式經(jīng)常出現(xiàn)“崩齒”問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，在拉刀頂面形成0.4 mm的筋連接，通過(guò)調(diào)整拉刀前角溝槽成型角度，保證容屑系數(shù)滿(mǎn)足要求。以拉刀刀體兩側(cè)平面的二等分面新建基準(zhǔn)平面。距離基準(zhǔn)平面0.2 mm（筋厚的一半）新建基準(zhǔn)平面。繪制新基準(zhǔn)平面與拉刀頂面的相交直線(xiàn)，以相交直線(xiàn)為軸，與基準(zhǔn)平面成12°（初始設(shè)置前角溝槽成型角度，后續(xù)可調(diào)整）夾角新建基準(zhǔn)平面。以基準(zhǔn)平面為草圖平面，以相交直線(xiàn)的左端點(diǎn)為草圖原點(diǎn)，利用尺寸約束，控制前角、第二后角，并模擬前角溝槽拉刀磨精加工砂輪截面，約束砂輪半徑，進(jìn)而建立出拉刀前角溝槽截線(xiàn)。

利用“拉伸”命令，以曲線(xiàn)為被選擇曲線(xiàn)，布爾運(yùn)算選擇“無(wú)”，距離設(shè)置為能保證完全切割拉刀工作面。利用“投影曲線(xiàn)”命令，將拉刀前角溝槽截線(xiàn)投影在拉伸體端面，再利用“回轉(zhuǎn)”命令，以投影曲線(xiàn)為被選擇曲線(xiàn)，布爾運(yùn)算選擇“求和”（與生成體），角度設(shè)置保證能完全切割拉刀，生成拉刀前角溝槽拉刀磨精加工路徑三維體。利用“鏡像幾何體”命令和“陣列幾何特征”命令，將上述三維體陣列到每一個(gè)刀齒部位。利用“減去”命令，生成Ω型榫槽精拉刀三維模型[1]。

以上各參數(shù)的變化均可同步改變?nèi)S模型，實(shí)現(xiàn)了Ω型榫槽精拉刀參數(shù)化三維模型的建立。

2 基于A N S Y S的Ω型榫槽精拉刀結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 Ω型榫槽精拉刀切削力的計(jì)算

拉削高溫合金時(shí)，切削力的計(jì)算公式為：

式中：Fmax為拉削力（kg），p為單位拉削力（kg/mm2），Sz為齒升量（mm），b為每齒切削刃的工作長(zhǎng)度（mm），Zimax為同時(shí)工作的最多齒數(shù)。

Ω型榫槽精拉刀的齒升量為0.015 mm，齒距為12 mm，經(jīng)測(cè)量刀齒切削長(zhǎng)度b=17.14 mm。

通過(guò)查閱《航空工藝裝備設(shè)計(jì)手冊(cè)》，拉削高溫合金時(shí)，p×Sz=14.37 kg/mm。

根據(jù)切削長(zhǎng)度與齒距，可以計(jì)算出同時(shí)切削齒數(shù)為Zimax=24.85÷12+1=3.07。

綜上所述，F(xiàn)max=14.37×17.14×3.07=756.15 kg。

2.2 Ω型榫槽精拉刀A N S Y S分析

2.2.1 模型簡(jiǎn)化

在實(shí)際拉削過(guò)程中，每個(gè)參與切削的刀齒狀態(tài)是一致的，可將多齒切削簡(jiǎn)化為單齒切削，即在分析過(guò)程中選擇一個(gè)刀齒為分析模型。

2.2.2 模型A N S Y S分析過(guò)程

在UG環(huán)境下將刀齒三維分析模型導(dǎo)出為igs格式。

2.2.2.1 建立分析項(xiàng)目

打開(kāi)ANSYS 16.0中Workbench 16.0命令，進(jìn)入主界面，建立一個(gè)含有Static Structural的項(xiàng)目模塊。右擊A3欄“Geometry”，在彈出的快捷菜單中選擇“Import Geometry→Browse”命令，打開(kāi)“打開(kāi)”對(duì)話(huà)框，打開(kāi)導(dǎo)出后的Ω型榫槽精拉刀模型。雙擊“Model”啟動(dòng)Mechanical應(yīng)用程序，在選擇菜單欄中的“Units”選擇“Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）”。

2.2.2.2 前處理

為部件選擇合適的材料，雙擊“EngineeringData”在彈出的材料特性應(yīng)用中點(diǎn)擊“EngineeringData sources”，選擇“Material→Assignment”欄為“Structural Steel”。網(wǎng)格劃分，在樹(shù)形目錄中右擊“Mesh”分支，選擇“Insert→Sizing”。在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀實(shí)體，并指定網(wǎng)格尺寸為1 mm。施加固定約束。單擊Static Structural（A5）分支，點(diǎn)擊工具欄中“Supports”下的“Fixed Support”，在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀底面及一側(cè)面。施加壓力。點(diǎn)擊工具欄中“Loads”下的“Force”，在“Scope→Geometry”欄中選擇拉刀切削刃，在“Definition→Magnitude”欄中輸入756.15，在“Direc-tion”欄中選擇拉刀受力方向。添加結(jié)構(gòu)結(jié)果。在樹(shù)形目錄中單擊Solution（A6）分支，點(diǎn)擊工具欄中“Stress”下的“Equivalent（von-Mises）”。

2.2.2.3 求解與結(jié)果

求解模型，單擊工具欄中的“Slove”。單擊樹(shù)形目錄中Solution（A6）分支下的“Equivalent Stress）”，此時(shí)在圖形窗口中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力分布云圖。

根據(jù)分析結(jié)果，可以看出前角溝槽根部為應(yīng)力集中區(qū)域，為拉刀危險(xiǎn)區(qū)域。通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化Ω型榫槽精拉刀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用ANSYS分析技術(shù)對(duì)拉刀進(jìn)行應(yīng)力分析，為拉刀設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)。將該技術(shù)運(yùn)用于拉刀設(shè)計(jì)中能迅速、直觀地觀察拉削仿真效果，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所不能實(shí)現(xiàn)的，能有效提高拉刀設(shè)計(jì)的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期[2]。