偏心零件車削受力及ansys變形分析

李松林 周萬(wàn)煜 楊季坤 羅新濤

摘要：本文以汽輪機(jī)飛環(huán)為典型零件，對(duì)其粗加工去應(yīng)力后的車削情況進(jìn)行了分析，計(jì)算了其受力情況，并通過(guò)ansys對(duì)其變形量進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，確定了合理的切削參數(shù)，對(duì)選取類似偏心零件的合理車削參數(shù)提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵字：偏心 車削 ansys

1.概述

飛環(huán)是與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子相連的安全部件，在轉(zhuǎn)子超速時(shí)通過(guò)偏心力飛出，撞擊杠桿，使危急遮斷器泄油，關(guān)閉閥門(mén)使汽輪機(jī)停機(jī)，保護(hù)汽輪機(jī)。因其重要的作用和功能，加工時(shí)對(duì)其質(zhì)量，偏心，靜平衡等均有較高要求。在本文中以飛環(huán)為典型零件對(duì)其車削受力情況進(jìn)行了分析和研究，以模擬實(shí)際加工的變形情況，選取合理的加工參數(shù)，防止零件加工變形，保證質(zhì)量。

飛環(huán)車削受力變形分析與研究

2.1.飛環(huán)零件結(jié)構(gòu)分析

從飛環(huán)的零件結(jié)構(gòu)（圖2-1飛環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖）可以看出，飛環(huán)屬于薄壁類回轉(zhuǎn)零件，最薄處內(nèi)、外圓壁厚僅9.5mm厚，加工易變形，因此需要選擇合理的切削參數(shù)以防止變形。

目前，該零件的加工方式是多件下料，在車銑復(fù)合中心一次性裝夾完成所有特征加工后切斷，磨準(zhǔn)總長(zhǎng)。

零件車削外圓時(shí)回轉(zhuǎn)中心需與零件外圓中心相重合，而零件重心不在外圓的回轉(zhuǎn)中心，因此零件車削時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力的附加作用。

車銑復(fù)合中心，兼有銑削和車削功能，但是從綜合對(duì)比來(lái)看，選擇車削更為合適。

車削 相對(duì)較高 平穩(wěn) 綜合較大（因?yàn)榱慵咚傩D(zhuǎn)下有較大偏心力作用），可控制在合理范圍

銑削 相對(duì)偏低 有沖擊 相對(duì)較小

2.2.車削受力分析

為了研究分析飛環(huán)的車削受力情況，我們制定了以下流程：

2.2.1.偏心離心力計(jì)算

根據(jù)圖2-1的飛環(huán)結(jié)構(gòu)，在無(wú)內(nèi)孔的條件下重心在回轉(zhuǎn)中心，由此可得偏心離心力方程計(jì)算如下：

m1*g*a=m2*g*b（m為質(zhì)量，a飛環(huán)重心到中心的距離，b為內(nèi)孔重心到中心的距離）

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

代入數(shù)值最終得：（152.5×152.5-125.5×125.5）×a=125.5×125.5×4

計(jì)算得到a=8.39，偏心離心力公式：F=mv^2?a，其中v=πan（n為加工時(shí)的轉(zhuǎn)速）， 圖2-2飛環(huán)偏心離心力計(jì)算

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

代入各項(xiàng)數(shù)值得：F=0.0001077*n^2（n單位轉(zhuǎn)/分，偏心離心力力單位N·m）

2.2.2.切削力計(jì)算

（1）切削力的產(chǎn)生來(lái)源

1）切屑形成過(guò)程中彈性變形及塑性變形產(chǎn)生的抗力;

2）是刀具與切屑及工件表面之間的摩擦阻力。

（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，并與基面垂直。Fc用于計(jì)算刀具強(qiáng)度，設(shè)計(jì)機(jī)床零件，確定機(jī)床功率等。

Fp——背向力（切深分力或徑向分力，以前用Fy表示）。它處于基面內(nèi)并垂直于進(jìn)給方向。

Fp用于計(jì)算與加工精度有關(guān)的工件撓度和刀具、機(jī)床零件的強(qiáng)度等。它也是使工件在切削過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要作用力。

Ff——進(jìn)給力（軸向分力或走刀分力，以前用Fx表示）。它處于基面內(nèi)與進(jìn)給方向相同。Ff用于計(jì)算進(jìn)給功率和設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。

切削合力與分力的關(guān)系如下列公式所示：

F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+Fp〗^2 ），加上離心力 F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+（Fp+F_離）〗^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

查閱切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)，不銹鋼，硬質(zhì)合金車刀，得到各系數(shù)級(jí)指數(shù)值如下：

其中最后精車時(shí)，切深0.1mm，進(jìn)給0.1mm/r，v=πdn，由于各項(xiàng)系數(shù)均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，因此可以得到飛環(huán)車削時(shí)的近似車削力大小，代入得公式如下：

F=√（Fc^2 〖+Ff〗^2 〖+（Fp+F_離 ）〗^2 ）

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

在轉(zhuǎn)速n不同數(shù)值時(shí)候，可得切削力大小如圖（2-4）所示：

從上圖并結(jié)合計(jì)算公式可以看出，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，金屬切削力為主要作用力，離心力較小，在轉(zhuǎn)速逐漸提高時(shí)，離心力明顯增加，成為主要作用力，轉(zhuǎn)速n在400r/min～450r/min時(shí)，可以得到最小切削力約119N。

2.2.3.ansys變形分析

根據(jù)上述計(jì)算得到的數(shù)據(jù)：

1.使用UG建立1：1模型;

2.導(dǎo)入ansys進(jìn)行變形受力分析，包括網(wǎng)格劃分，施加載荷及結(jié)果顯示;

3.按照實(shí)際受力情況施加載荷在最飛環(huán)最薄弱的位置，同時(shí)因?yàn)榱慵槎嗉铝?，選擇與毛坯相連的面為固定面，根據(jù)ansys所得實(shí)際的變形情況得出結(jié)論：

在轉(zhuǎn)速n=450r/min，切深ap=0.1mm，進(jìn)給速度

f=0.1mm/min時(shí)，能有效的控制變形，并能獲得較好精加工質(zhì)量和加工效率，且適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速和切深，重新計(jì)算受力，在飛環(huán)不變形的情況下，可獲得更高的加工效率，增加經(jīng)濟(jì)性。

2.2.4.小結(jié)

通過(guò)對(duì)飛環(huán)切削條件和受力分析，近似計(jì)算出了飛環(huán)該狀態(tài)下的切削受力情況，并應(yīng)用ansys分析了其變形情況，最終加工出了合格的產(chǎn)品，其對(duì)我們選擇合理的切削參數(shù)，控制薄壁零件的切削變形有積極的作用和意義。

3.結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)飛環(huán)實(shí)際加工受力情況的分析，確定了飛環(huán)車削時(shí)的合理切削參數(shù);

（2）通過(guò)切削力的計(jì)算公式可大致確定加工時(shí)的切削力大小，對(duì)我們選擇合理的加工參數(shù)有重要的指導(dǎo)意義;

（3）通過(guò)UG建模，ansys有限元分析的方式，可以分析零件的薄弱環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)零件的不合理結(jié)構(gòu)，并能有效的避免加工報(bào)廢，防止加工變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量;

（4）此種計(jì)算分析模式可用于各種薄壁，弱剛性零件的加工，可有效的優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率;對(duì)公司“提質(zhì)增效，精益求精”的生產(chǎn)模式具有良好的推動(dòng)意義。

參考文獻(xiàn)

1.凌桂龍等.ANSYS Workbench 13.0從入門(mén)到精通.北京：清華大學(xué)出版社，2012.1第一版

2.成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1.1第四版

3.艾興，肖詩(shī)綱.切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3.3第三版

4.鐘日銘等.UG NX7.5完全自學(xué)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社

5.翦天聰.汽輪機(jī)原理.北京：中國(guó)電力出版社，1998第二版

作者簡(jiǎn)介：李松林，男，1982年11月2日出生，漢，四川省德陽(yáng)人，工程碩士，高級(jí)工程師，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，研究方向：汽輪機(jī)機(jī)械制造工藝。