汽轮机生产中光杆偏心式可转位车刀的应用

 前言
 
 汽轮机有不少大型轴类、盘类和缸体等零部件(如主轴、转子、叶轮、隔板、汽缸等)需进行车削加工，车削工序分为粗、半精(细车)和精车。粗加工时余量大，车刀需要承受很大的切削抗力，而且还要求刀刃在强力切削情况下能保持足够的强度且不能产生位移，而精加工则是零件加工的关键，是加工质量的保证(精度、粗糙度、形位公差等)，所以要求刀具刀刃在使用中其空间位置不能产生任何变化。
 
 原用重型焊接式硬质合金车刀存在着刀片焊接后硬度下降，易产生龟裂，刃磨、安装车刀辅助时间长和综合经济成本高等弊病。因此可转位车刀的出现就成了一次性的刀具革命。同时一把硬质合金可转位车刀，它只要在刀杆上更换不同材质、不同槽形的可转位刀片，就能加工各种材料(钢、铁、有色金属和非金属)和加工不同的工序(粗、半精和精加工)且切削效率、刀具寿命、加工质量和综合经济效益较焊接式硬质合金车刀有极为明显的提高。
 
 1 刀具结构分析
 
 可转位车刀结构繁多，但衡量(结构)好、坏的标准主要应为夹紧可靠、使用方便和成本低。目前国内外应用较多的可转位车刀结构为杠杆式，该结构由于杠杆的作用，在夹紧时刀片既能得到水平方向的作用力(合力)，将刀片一侧(或两侧)紧压在刀槽侧面，又有一个作用力压向刀片底面。这样刀片就能得到稳定而可靠的夹紧。但它的缺点是：元件形状复杂，加工难度大，切屑常易嵌在内六角紧定螺钉孔内造成六方扳手无法正常使用，且杠杆在反复紧定、松开情况下易断裂。经过和其它各种常用车刀结构的试验、应用和对比，自行开发、研制了一种适合于对大型汽轮机零件重型车削加工用的光杆偏心式可转位车刀，其结构示意图见图1。

图1 光杆偏心可转位结构

2 车刀结构特点及可靠性分析

偏心式可转位车刀有两种结构形式一为螺纹偏心，二为光杆偏心。光杆偏心式结构是目前我们推荐选用的，其起锁紧作用的偏心销为光杆圆柱偏心销，该销和刀杆锁紧定位孔的配合为间隙配合，因此，操作起来灵活自如，销孔尾端为锥孔，这样光杆偏心销在工作时只能旋转(夹紧—松开)而不会在松开时，偏心销出现脱落出刀杆的情况。另外旋转偏心销的内六方孔在销子的下端，这样就可避免切屑的堵塞。
偏心式可转位车刀能使其可靠夹紧和使用的理由有3：

1) 偏心量的合理选择

 

图2

偏心量选择极其重要，正确合理的偏心量选择应该通过计算来完成，如图2所示，圆偏心夹紧的自锁条件和斜楔夹紧机构相同，应满足下列条件：a_{max≤Y1+Y2。AB为工作段，夹角g通常取30°～45°。其中amax为圆偏心轮工作段的最大升角；Y1为圆偏心轮与工件间的摩擦角；Y2为圆偏心轮转轴处的摩擦角。}

a_{p≈amax，故得tgap=tg(Y1+Y2)。升角ap之值很小，可使ap=2e/D，为安全起见，不考虑转轴处的摩擦而tg(Y1)=f1，故得在自锁时圆偏心距的关系式如下：}

2e/D≤f1

当f_{1=0.15时，D/e≥14。现选定的偏心轴直径D为f1Omn，偏心距e=0.7mm。则D/e=10/0.7=14.3，此值完全满足自锁条件。}

计算结果证明，当偏心量大小数值选定在自锁角的范围内，即使刀具在切削时遭受冲击和振动，刀片仍能稳定、安全夹紧。

2) 利用切削力夹紧原理

车刀在切削时，由于对工件的切深和走刀运动的作用，刀片上承受水平方向的轴向推力Fx、切深推力Fy和主切削力Fz，此3个力能将刀片紧压在刀杆刀槽的底面上，使刀具正常切削其车削时的合力及分力分析如图3所示，这一般称之为利用切削力夹紧的原理。

图3 车削时的合力及分力

3) 偏心销旋转(锁紧)方向的正确选择

利用偏心销旋转将刀片夹紧在刀杆刀槽定位面时，必须选择正确的旋转方向，正确的旋转(锁紧)方向应该是使切削力和走刀方向一致。此时，刀片就能得到牢固的紧定，其旋转示意图如图4所示。

图4 偏心销锁紧正确旋转示意图

3 结论

在对汽轮机大型零件重型车削中，通过理论分析和实践，特别是经过哈尔滨汽轮机厂20多年的应用，重型可转位车刀采用光杆偏心式是可行的，它的诸多优点已被证实，现哈尔滨汽轮机厂已将该结构的车刀制订为企业标准，并在全厂推广应用。