安全阀阀杆切削加工仿真及参数优化

刘建国

（黑龙江省建安公路工程有限公司，哈尔滨 150001）

0 引言

电站用安全阀是电力系统中不可缺少的控制设备，随着国内大型电站机组的发展需要，对电站用安全阀性能的要求不断提高，对阀门的设计和制造也提出了新的挑战。近年来，我国阀门设计和制造工艺的水平虽然有了很大的提高，但与世界先进水平相比仍存在一定的差距。阀杆是安全阀中的重要零件之一，在启闭过程中不但是受力件、运动件，而且是密封件，工作时受到介质的腐蚀和冲击，加上与填料产生摩擦，阀杆的加工精度是影响其性能的关键。由于阀杆的长径比大，刚度分布不均匀，在车削加工时，极易在切削力、离心力和重力的作用下产生振动；其次，加工过程中的切削热不易散出，加剧零件在加工过程的热胀，降低了阀杆的刚性，产生弯曲变形，使加工出来的细长轴产生腰鼓形、多角形、糖葫芦形等缺陷［1］；同时，由于阀杆材料为不锈钢，其韧性和塑性变形都很大，切削时不易分离，而且在切削应力和过高的切削热的作用下，奥氏体稳定性差，会转变为硬度较大马氏体，导致硬化层，再加上一次走刀的时间长，极易造成刀具的磨损，导致阀杆加工精度、表面质量存在一定的问题［2］。

有限元法具有强大的数值分析能力，在金属切削仿真中被广泛应用［3－5］。利用有限元切削分析软件Advantedge FEM，建立切削模型及仿真分析，得到不同切削参数下的切削力和切削热的变化规律，结合现场切削实验，找出最优的加工参数，有效地提高了切削效率，延长了刀具寿命，并保证加工质量。对阀杆等细长杆类的车削加工具有重要的应用价值。

1 阀杆结构特点及工况分析

阀杆是轴类零件，长径比大，由外圆柱面、外圆锥面、外螺纹等组成，是电站阀门重要的传动部件，上接执行机构或者手柄，下面直接带动阀芯移动或转动，以实现调节或开闭作用。电站阀门的开启和闭合，通过手轮、阀杆和阀杆螺母来实现。阀杆除承受轴向力外，还承受传动机构的扭矩，受力情况比较复杂；其外圆的直径精度要求较高，一般要达到6 级，表面粗糙度为Ra1.6。螺纹精度为2～3 级，表面粗糙度为Ra3.2。密封锥的表面粗糙度为Ra2.8。阀杆的轴心线不直度在全长上不应超过外圆直径公差之半。外圆柱的锥度在每100 mm 长度上不得大于0.015 mm。螺纹、密封锥面对外圆柱的不同轴度一般不超过外圆柱直径公差之半。

2 阀杆切削系统分析

2.1 加工弯曲变形分析

在切削阀杆中，切削力是影响加工变形的重要原因，切削力可以分解为切向切削力、径向切削力和轴向切削力。径向切削力方向与工件的轴向方向垂直，且工件的长径比大，刚度差，径向是工件最容易弯曲的方向，径向力较大时，对阀杆的加工造成很大的影响。

一般情况下，阀杆切削采用的装夹方式是卡盘顶尖方式，由于加工的复杂性，通常把这种装夹方式简化为梁如图1 所示，刀尖的横坐标为X，刀尖的径向偏移量为Y，正向车削时，轴向分力Fx使工件轴向受压，Fy使工件产生径向弯曲，根据材料力学理论计算得知左支端A 点的支反力为：

图1 一端卡盘夹紧，一端顶尖支撑的力学模型

如图1 所示，我们假定挠度向下为负值，进给力Fx使杆件受压时为正，求得距A 端为x 处，挠曲线的近似微分方程为：

式中：E为材料的弹性模量；I为截面对X 轴的惯性矩。

可得方程的解为：

根据边界条件，可求特解得：yx=0=0，y′x=0=0。

解出C1、C2代入式（6）、式（7）解微分方程，通解结果为：

可得在距A 点x 的位置，阀杆在Y 方向上的偏移量为式（8）中的y 值。

2.2 加工热变形分析

在工件加工过程中，切削热分布不均，温度最高点分布在刀尖与工件接触点附近。为了研究的需要，把车削阀杆看作受热均匀。可得其加工完成时的轴向长度增量为：

式中：α为热膨胀系数，α＝1 μm/℃；L为工件原长，mm；t1、t2分别为开始、结束温度，℃。

无论采用哪种装夹方式，随着加工的进行，工件温度持续升高，阀杆的直径也随着增大，在轴向也随之伸长，轴类零件直径最大值时，工件加工完成。无论在卡盘顶尖还是两顶尖装夹方式下，当工件受热到一定程度时，都会产生轴向力，当轴向力达到一定程度时，产生加工变形，从而影响加工精度。

阀杆零件的受热变形在径向的自由热变形为Δr1，径向的自由热变形Δr1为：

3 仿真方案设计

针对由切削力和切削热造成的加工误差，通过有限元切削仿真，研究加工参数对切削力和切削热的影响规律，为切削加工参数优化提供重要的数据依据。本文主要研究切削速度和进给量对切削力和切削温度的影响。

3.1 切削速度对切削力和切削温度的影响

假定进给量为f=0.15 mm/r 不变时，切削速度v 取20、30、40···90（m/min）通过有限元软件AdvantEdge FEM对以上8 组数据进行切削仿真，经过MATLAB 对仿真结果X 方向和Y 方向的切削力分别进行加权平均处理，得到切削力与切削速度的变化关系如图2 所示。

同理得到切削温度与切削速度的变化关系如图3 所示。

图2 切削速度-力的关系

3.2 进给量对切削力和切削温度的影响

假定为切削速度v=40（m/min）不变时，进给量取0.12、0.13、0.14 ···0.19 m/min。通过有限元软件 AdvantEdge FEM 对 以 上8 组数据进行切削仿真，经过MATLAB 对仿真结果X 方向和Y 方向的切削力分别进行加权平均处理，得到切削力与切削速度的变化关系如图4 所示。

同理得到进给量与切削温度的变化关系如图5 所示。

图3 切削速度与温度关系

图4 进给量与切削力的关系

4 结论

图5 进给量-温度

通过有限元软件仿真分析可得：当进给量一定时，随切削速度的增加，切削力呈下降趋势，为了减小切削力的波动对工件精度的影响，宜采用切削速度高于40 m/min；然而切削速度过高时，切削温度呈上升趋势，不但影响刀具的寿命，而且会影响工件的加工质量，因此切削速度宜选择在40～60 m/min 范围内。当切削速度一定时，随着进给量的增加，切削力呈上升趋势。为减小切削力对工件质量的影响，通常选进给量低于0.16 mm/r；同时，为避免加工硬化进给量可选择在0.15 mm/r 的附近。采用优化后的切削参数进行切削试验，试验结果为：尺寸误差为0.01 mm，表面粗糙度为Ra1.2，满足设计要求的尺寸误差0.02 mm，表面粗糙度为Ra1.6 的要求。实验表明，采用优化后加工参数，加工效率提高了30%，延长了刀具使用寿命。为细长轴类零件的加工提供了依据。

［1］薛占璞，钱松荣.基于SolidWorks 细长轴的加工方法及有限元分析［J］.煤矿机械，2012，33（7）：143-145.

［2］李家伟.细长轴加工方法探略［J］.现代制造技术，2007，34（9）：63-64.

［3］沙智华，王岩，张生芳.切削加工有限元仿真技术研究进展［J］.机械制造，2010，48（6）：45-49.

［4］黄志刚，柯映林，王立涛.金属切削加工的热力耦合模型及有限元模拟研究［J］.航空学报，2004，25（3）：317-320.

［5］Xu Lan-ying，Ye Ban-yan，Wu Qiang，et al.Study by mechanisms on minipore drilling of austenitic stainless steel ［J］.Science Technology and Engineering，2008（23）：6348-6351.