汽缸異形環(huán)槽的加工與刀具設計

廖世超 譚萬斌

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

汽缸是火電機組的重要組件，它的功能是將汽輪機的通流部分與大氣隔開，以形成蒸汽熱能轉換為機械能的封閉汽室[1]。其瓦口內(nèi)的汽封槽主要作用為聯(lián)通汽封孔，保持一定體積汽流交換作用，對維持整個機組正常運行起十分關鍵的作用。

以往汽封槽以直槽居多，其制造相對簡單，在相同開口尺寸情況下，異形環(huán)槽較直槽具有通汽量大的特點，但其加工十分困難，較常規(guī)切槽方式要增加軸向走刀動作。常規(guī)方法是用鏜缸機加工，而此新型汽缸瓦口內(nèi)異形環(huán)槽，由于瓦口直徑小于加工廠現(xiàn)有鏜缸機鏜桿直徑，因此無法采用鏜缸機加工，加之汽缸總長約5 m，如采用立車加工，則裝夾剛性與安全性都無法保證。為此，設計了專用切刀，并利用機床仿真模塊進行了驗證。最后采用鏜床順利完成了加工，破解了該新型汽缸異形環(huán)槽的加工難題。

1 異形環(huán)槽的結構

如圖1所示，這兩處異形環(huán)槽屬于典型的腹腔結構，其開口尺寸小而內(nèi)腔尺寸大，其中一處開口尺寸僅23 mm，考慮加工刀具安全距離，加工廠現(xiàn)有切刀盤厚度均無法滿足要求，加之其腹腔較開口單邊最多又加深18 mm，給加工帶來了極大的困難，同時裝刀、進刀、排屑空間均狹小，存在諸如刀具干涉、夾屑等不利因素。因此在有限空間下，現(xiàn)有刀具無法一次把軸向深度加工到位，只能采取多個深度加工法，即層切法。

圖1 異形環(huán)槽結構圖Figure 1 Structure of shaped ring groove

2 專用切槽刀具的設計

2.1 粗開粗切削思路

設計思路為層切法，在有限空間考慮走刀安全距離及便于裝刀，18 mm深槽分為3層加工、10 mm深槽采用兩層加工，每層又通過多層刀次切削，同時留出根部圓角，見圖2。

最后根部圓角及斜面的加工為成形加工，采用圓刀片尺寸需與根部圓角一致，同時斜面由刀片安裝角度來保證。

圖2 粗開槽圖Figure 2 Rough grooving

圖3 刀座設計Figure 3 Design of tool apron

圖4 刀盤設計Figure 4 Cutter design

圖5 機床建模Figure 5 Machine modeling

2.2 刀座設計

刀座能實現(xiàn)在刀盤上移動，同時滿足不同層次的切削，故根據(jù)上述思路，需設計3種粗加工刀座與4種成形刀座，刀座安裝尺寸需與刀盤尺寸匹配，同時應結合現(xiàn)場加工經(jīng)驗，考慮刀盤剛性設計，切寬為9 mm。同時需考慮刀次間的覆蓋量，避免加工中出現(xiàn)殘留，故選取標準刀具寬度要大于設計切寬，選取標準刃寬為9.52 mm的刀片。各刀座設計見圖3。

2.3 刀盤設計

由于采用層切分刀次加工，為降低成本，采用單一刀盤搭配不同刀座的方式，同時刀座在刀盤上，能相對移動，實現(xiàn)不同刀次的加工。由于異形環(huán)槽空間狹小，為簡化操作采用鏜削加工，即加工過程中只控制Z向走刀(臥式鏜床)，為此刀盤直徑與槽直徑不能相差太大，否則無法固定刀座，故取刀盤直徑為670 mm。刀盤厚度分兩個厚度設計，進入加工區(qū)處，刀盤厚度取小值保證不干涉，不參與切削處，刀盤厚度取大值，保證足夠的剛性。刀盤設計見圖4。

3 機床仿真干涉分析

3.1 機床仿真模型建立

根據(jù)前面設計，刀盤直徑670 mm，則機床需具備足夠功率來驅動刀盤切削，故選取200鏜床。為真實模擬現(xiàn)場切削情況，通過UG軟件對實際加工將用到的機床進行1∶1建模。特別是主軸與劃枕部位在加工中與工件易發(fā)生干涉，故建模時細節(jié)需準確表達，測量得出劃枕截面為500 mm×500 mm、鏜桿直徑為200 mm，完成機床建模如圖5所示。

機床模型建立好后，按正確XYZ運動邏輯關系，給機床各運動組件添加驅動器，確保其與現(xiàn)場運動坐標系一致。確定各軸行程，查閱機床參數(shù)后，設定X軸行程為10 m，Y軸行程為4 m，Z軸行程為2 m。

配置好機床驅動后，再通過Post Buider創(chuàng)建機床控制器。在Post Buider中創(chuàng)建一個新的后處理器和VNC控制器，最后激活VNC。

3.2 切槽刀具仿真模型建立

由于機床仿真干涉分析，主要是模擬刀具、機床主軸、劃枕等，以及工裝夾具、工件之間的碰撞，在確定機床仿真模型后，還需把設計的切槽刀具重新構建和添加到UG默認的刀具庫。

3.3 切削干涉分析

將汽缸模型、切槽刀具仿真模型、機床仿真模型調(diào)入一起。并將夾具、工件、毛坯、刀具等重新定位到機床上，建立與現(xiàn)場加工一致的加工仿真系統(tǒng)，如圖6所示。

為檢測切削過程中的刀具干涉情況，需添加“碰撞對”，按圖7，在“第一對象”處選擇刀盤、鏜桿、劃枕模型，在“第二對象”處選擇汽缸模型，其余選項默認，“碰撞對”建立完成。

開始仿真切削過程如圖8，如發(fā)生碰撞則機床仿真終止，且彈出對話框顯示碰撞位置。仿真結束，整個過程未發(fā)生碰撞，刀具方案可行。

圖6 模擬加工示意Figure 6 Simulated machining 圖7 建立“碰撞對”Figure 7 Establishment of collision pair

圖8 切削仿真Figure 8 Cutting simulation

4 現(xiàn)場實際加工

加工過程中，根據(jù)切削情況，粗開槽階段保證效率，機床轉速取30 rmin，走刀為2 mmmin；成形階段保證表面質(zhì)量，機床轉速取20 rmin，走刀為1 mmmin。由于加工空間狹小，所有換刀動作均需在固定坐標換刀，同時為避免碰撞，整個切削程中不允許移動機床X、Y坐標。整個加工過程中，刀具切削輕快，刀片磨損及斷屑正常，整體剛性較好。為了提高加工后的光潔度，現(xiàn)場采用了潤滑及修磨刀片等方式，保證了圖紙的粗糙度要求。

5 結語

使用新設計的切槽刀具順利實現(xiàn)了某新型汽缸異形環(huán)槽的加工。通過前期刀具、機床、汽缸的模型建立及系統(tǒng)仿真模型的建立，對整個加工過程進行了提前仿真干涉分析，保證了刀具方案的可行性。后期汽缸異形環(huán)槽的實際加工時，整個過程受控，沒有發(fā)生干涉情況，表明所設計的切槽刀具非常實用。