基于ANSYS的Ω型榫槽精拉刀结构优化

裴宇飞 王腾峤

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

0 引言

随着航空发动机性能要求的不断提升，对其各个零部件的要求越来越严格。在盘类零件方面，其发展趋势主要体现在2个方面。1）对材料的耐高温性要求越来越高。2）榫槽结构向极大和极小2个极端发展，2个方面的要求都导致其可加工性能越来越差。榫槽拉刀为该公司的核心发展产品，拉刀的设计首要准则为强度，即要求拉刀各个部位的应力不超过许用应力，拉刀的拉削力主要集中在与盘类零件的接触部位，即刀齿刃部。拉刀在拉削力的作用下，产生局部变形，如果变形较大，会导致拉刀崩齿，严重时导致盘类零件报废，所以拉刀的强度要满足设计要求。在拉刀的设计过程中，容屑系数也是关键参数。一定程度上，容屑系数决定了拉削效率，即为获得较高的拉削效率，需增加刀齿进刀量，为保证容屑系数，必然会对拉刀强度有所损益。

综上所述，拉刀强度与容屑系数在一定程度上是对立统一的2个参数。随着计算机技术的飞速发展，UG三维软件和ANSYS有限元分析软件的出现，为上述问题提供了解决方案。为减少榫槽加工接刀痕，提高表面粗糙度，成套拉刀的最后2把为型面精拉刀，其特点是拉刀型面较长，切削力较大，是影响拉刀强度和拉削效率的关键部位。因此，该文以Ω型榫槽精拉刀为研究对象，利用UG建立Ω型榫槽精拉刀参数化三维模型，利用ANASY分析拉刀在拉削力作用下的应力分布情况，根据分析改进拉刀设计结构。

1 Ω型榫槽精拉刀参数化三维模型的建立

以某航空发动机涡轮盘榫槽为研究对象，轮盘材料为GH4169镍基变形高温合金，该材料具有良好的高温性能，切削抗力大、易变形难加工、导热性差、切削区温度高、极易发生加工硬化。传统的Ω型榫槽精拉刀前角沟槽方向与榫槽齿厚方向保持一致，由于榫槽较小，按计算齿深，拉刀会形成豁口。该类拉刀在使用的过程中，经常出现崩齿、打刀问题，严重时损伤零件，甚至导致报废。

1.1 基本参数的计算

1.1.1 切削长度

Ω型榫槽在轴向方向的尺寸为24 mm，榫槽型面中心线在涡轮盘的水平对称面上的投影与盘的轴线夹角为15°。因此，切削长度为24÷cos（15°）=24.85 mm

1.1.2 齿升量

盘类零件的材料为高温合金，参考资料，加工零件表面粗糙度要求较高时，为降低拉削力，应选择较小的齿升，拉刀横截面较小时，为提高拉刀强度，应选择较小的齿升，因此，其拉削齿升量精刀为0.015 mm～0.025 mm，取0.015 mm。

1.1.3 齿距

盘类零件的材料为某高温合金，参考资料，其齿距为（1.9～2.0）×L0.5=9 mm～10 mm，考虑其制造过程中需要型面铲磨，需要有足够的砂轮运行空间，齿距给定12 mm。

1.1.4 齿数

Ω型榫槽精拉刀用于去除半精拉型面拉刀拉削后榫槽的残余三角形部分及精拉余量，综合考虑安全性能及拉刀寿命，拉刀总体齿升量为0.42 mm，并增加了4个定型齿，所以齿数设为32。

1.1.5 拉刀总长

拉刀总长=齿数×齿距=390 mm（向上取整）。

1.1.6 前刀面齿根rq

为了保证容屑槽有足够的空间进行正常拉削，应满足下列条件：

式中：L为切削长度，Sz为齿升量，通过查阅《航空工艺装备设计手册》，容屑系数K=2.4，刀齿厚度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型榫槽精拉刀草图建立

在UG软件草图环境中，根据榫槽各尺寸及形位公差建立参数化榫槽最小实体尺寸线。由于盘类零件材料为高温合金，可不考虑其拉削回弹量，以最小实体尺寸线为Ω型榫槽精拉刀的型面线。

该文以HOFFMAN拉床为研究对象，该机床刀具滑动轴是利用钢做成的，且有2个部分，刀具滑动线路是沿着直线滚动轴承引导来运动的，旋转装置由2个部分组成，一个是旋转装置底部，另一个是实际的旋转部分。其刀体尺寸为30 mm×25 mm，左侧为压紧槽，右侧为空刀槽，利用尺寸约束和几何约束保证截线完全约束，进而建立Ω型榫槽精拉刀草图。

1.3 Ω型榫槽精拉刀三维模型的建立

利用“拉伸”命令，以Ω型榫槽精拉刀型面线为被选择曲线，拉伸距离为拉刀总长390 mm，生成拉刀体，利用“倒角”命令，将刀体底面四棱面倒1×45°倒角。利用“孔”命令，在拉刀空刀面打悬挂孔Φ6孔，利用尺寸约束控制圆心位置。

由于拉刀榫槽较小，采用传统的前角沟槽设计方案，双面齿拉刀会出现较大的豁口，在实际应用过程中，该类拉削方式经常出现“崩齿”问题。为解决此问题，在拉刀顶面形成0.4 mm的筋连接，通过调整拉刀前角沟槽成型角度，保证容屑系数满足要求。以拉刀刀体两侧平面的二等分面新建基准平面。距离基准平面0.2 mm（筋厚的一半）新建基准平面。绘制新基准平面与拉刀顶面的相交直线，以相交直线为轴，与基准平面成12°（初始设置前角沟槽成型角度，后续可调整）夹角新建基准平面。以基准平面为草图平面，以相交直线的左端点为草图原点，利用尺寸约束，控制前角、第二后角，并模拟前角沟槽拉刀磨精加工砂轮截面，约束砂轮半径，进而建立出拉刀前角沟槽截线。

利用“拉伸”命令，以曲线为被选择曲线，布尔运算选择“无”，距离设置为能保证完全切割拉刀工作面。利用“投影曲线”命令，将拉刀前角沟槽截线投影在拉伸体端面，再利用“回转”命令，以投影曲线为被选择曲线，布尔运算选择“求和”（与生成体），角度设置保证能完全切割拉刀，生成拉刀前角沟槽拉刀磨精加工路径三维体。利用“镜像几何体”命令和“阵列几何特征”命令，将上述三维体阵列到每一个刀齿部位。利用“减去”命令，生成Ω型榫槽精拉刀三维模型[1]。

以上各参数的变化均可同步改变三维模型，实现了Ω型榫槽精拉刀参数化三维模型的建立。

2 基于A N S Y S的Ω型榫槽精拉刀结构改进

2.1 Ω型榫槽精拉刀切削力的计算

拉削高温合金时，切削力的计算公式为：

式中：Fmax为拉削力（kg），p为单位拉削力（kg/mm2），Sz为齿升量（mm），b为每齿切削刃的工作长度（mm），Zimax为同时工作的最多齿数。

Ω型榫槽精拉刀的齿升量为0.015 mm，齿距为12 mm，经测量刀齿切削长度b=17.14 mm。

通过查阅《航空工艺装备设计手册》，拉削高温合金时，p×Sz=14.37 kg/mm。

根据切削长度与齿距，可以计算出同时切削齿数为Zimax=24.85÷12+1=3.07。

综上所述，Fmax=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 模型简化

在实际拉削过程中，每个参与切削的刀齿状态是一致的，可将多齿切削简化为单齿切削，即在分析过程中选择一个刀齿为分析模型。

2.2.2 模型A N S Y S分析过程

在UG环境下将刀齿三维分析模型导出为igs格式。

2.2.2.1 建立分析项目

打开ANSYS 16.0中Workbench 16.0命令，进入主界面，建立一个含有Static Structural的项目模块。右击A3栏“Geometry”，在弹出的快捷菜单中选择“Import Geometry→Browse”命令，打开“打开”对话框，打开导出后的Ω型榫槽精拉刀模型。双击“Model”启动Mechanical应用程序，在选择菜单栏中的“Units”选择“Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）”。

2.2.2.2 前处理

为部件选择合适的材料，双击“EngineeringData”在弹出的材料特性应用中点击“EngineeringData sources”，选择“Material→Assignment”栏为“Structural Steel”。网格划分，在树形目录中右击“Mesh”分支，选择“Insert→Sizing”。在“Scope→Geometry”栏中选择拉刀实体，并指定网格尺寸为1 mm。施加固定约束。单击Static Structural（A5）分支，点击工具栏中“Supports”下的“Fixed Support”，在“Scope→Geometry”栏中选择拉刀底面及一侧面。施加压力。点击工具栏中“Loads”下的“Force”，在“Scope→Geometry”栏中选择拉刀切削刃，在“Definition→Magnitude”栏中输入756.15，在“Direc-tion”栏中选择拉刀受力方向。添加结构结果。在树形目录中单击Solution（A6）分支，点击工具栏中“Stress”下的“Equivalent（von-Mises）”。

2.2.2.3 求解与结果

求解模型，单击工具栏中的“Slove”。单击树形目录中Solution（A6）分支下的“Equivalent Stress）”，此时在图形窗口中会出现应力分布云图。

根据分析结果，可以看出前角沟槽根部为应力集中区域，为拉刀危险区域。通过调整模型参数，进而实现优化Ω型榫槽精拉刀设计结构。

3 结语

应用ANSYS分析技术对拉刀进行应力分析，为拉刀设计提供了新的理论依据。将该技术运用于拉刀设计中能迅速、直观地观察拉削仿真效果，这是传统设计方法所不能实现的，能有效提高拉刀设计的可靠性，缩短设计周期[2]。