汽轮机叶片曲面加工铣削力预测模型研究

汽轮机叶片曲面加工铣削力预测模型研究

王昌军

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：汽轮机叶片是透平机械中起导流和能量转化作用的重要叶片类零件，文章针对汽轮机叶片曲面的加工特点,建立了铣削力模型,并从瞬时切削厚度的角度分析了数控工艺参数对铣削力模型的影响。运用汽轮机叶片铣削加工实验进一步验证了铣削力模型和金属切削有限元模拟模型的有效性。

关键词：叶片曲面；铣削力模型；数控工艺

一、汽轮机叶片曲面加工变形预测

直接分析复杂的铣削过程有一定的难度，简化处理过程更容易实现对加工变形有限元模拟，假设铣削过程是单齿切削，也就是说，在加工过程中的任意时刻，刀具齿与工件接触的次数始终是一颗齿轮。铣削加工的过程中，刀具和工件从刀具切削力在叶片加工过程的接触面之间模拟这种情况，通过螺旋力的应用和材料的去除，可以更好地模拟铣削过程，获得叶片的加工变形。

球头铣刀加工瞬态芯片厚度在不断变化，许多学者为了有效模拟切削力加载，把芯片厚度简化为固定值，为了能够建立一个更精确的切削过程有限元模型，仍把切削过程看作瞬时芯片厚度不断改变的材料去除过程，刀具去除工件材料是沿着路径轨迹进行去除工作的。切削力沿滚珠铣刀的螺旋边缘加载，实现叶片表面的更精确变形分析。有限元模型中材料的去除过程，在加工仿真过程中使用一样的球头铣刀直径筒和叶片工件的布尔运算，刀具沿进给方向移动，每次进行移动时就进行一次布尔运算，一直循环直到完整的材料去除。

二、汽轮机叶片曲面加工特点

汽轮机叶片汽道由复杂的NURBS曲线拟合而成,加工过程中使用的是广泛用于加工自由曲面的球头铣刀。叶片曲面加工过程中,沿着刀具轴向刀刃,瞬时切削厚度不断变化。瞬时切削厚度对切削力的大小起着决定性的作用。

三、汽轮机叶片的加工过程

1、叶片加工时的变形问题

由于汽轮机叶片边缘较薄，在铣削过程中切削力的作用下，产生较大的加工变形，加工变形是不可避免的，会使得加工精度和表面质量受到严重影响，造成较高的废品率。在叶片的受力变形和研究过程中，大量的试验要求引起了高成本的研究，增加了实验研究的昂贵的制造加工费用，所以有必要探索一种新的方法来实现铣削过程的真正再现。建立接近实际加工状态的切削力预测模型，能够较有效地预测叶片曲面的变形量，进而优化切削参数以对其加工变形进行控制。

建立接近实际加工状态的切削力预测模型,能够较有效地预测叶片曲面的变形量,进而优化切削参数以对其加工变形进行控制。谢小正就汽轮机叶片铣削加工中存在的变形不易控制的问题,借助最小二乘支持向量机原理,建立了被加工不锈钢叶片表面的粗糙度预测模型。目前,国内外对于汽轮机叶片曲面的加工人为因素占较大比重,还不存在一个较为全面、可供参照的工艺参数设置来调节铣削力,建立它们之间相互关系的铣削力模型,实现从过程描述向过程预测发展,从静态预测向动态预测发展。

2、叶片加工中人为因素的影响

目前，国内外对于汽轮机叶片曲面的加工人为因素占较大比重，还不存在一个较为全面、可供参照的工艺参数设置来调节铣削力，建立它们之间相互关系的铣削力模型，实现从过程汽轮机叶片汽道由复杂的NURBS曲线拟合而成，加工过程中使用的是广泛用于加工自由曲面的球头铣刀。叶片曲面加工过程中，沿着刀具轴向刀刃，瞬时切削厚度不断变化。瞬时切削厚度对切削力的大小起着决定性的作用。同时，随着刀具的运动，刀具主轴与叶片法向之间的夹角发生变化，研究汽轮机叶片汽道型线曲率的变化，考虑刀具加工倾角对切削力的影响是必需的。切屑的形成是三维塑性变形过程，过去很多学者也做了不少研究，但都没有把影响瞬时切削厚度的各因素考虑周全。不同刀具不同切削加工方法，切削力计算模型也就不同。

3、叶片曲面加工铣削力模型困难

汽轮机叶片曲面在加工过程中，随着走刀的进行，每齿进给量的水平投影发生了变化，同时当前切削刃微元段切除的不是上一微元段留下的材料置的切削半径发生了变化，汽轮机叶片在铣削过程中，铣刀沿着叶片式蒸汽路进行插补，汽轮机叶片型线是由复杂的有理b样条曲线拟合。但是在走刀过程中，切割的刀工具走的是一条直线，也就是步长。切割面积大小对切削力有极其重要的影响，为了更准确地计算切削力，在微元的总切削面积范围内，然后得到单位微力的力，可以得到力的空间分布。

4、利用金属切削有限元技术解决仿真技术

切削过程的仿真技术非常复杂，一些关键的技术环节对切割仿真的成功有着至关重要的影响。针对汽轮机薄叶片加工变形的问题，在有限元分析的基础上，显示解决方案模块，并提出了薄叶片涡轮铣削过程仿真模型，同时在进行仿真模型的过程中，提出了材料的摩擦模型，芯片分离标准，删除单元技术，任意拉格朗日欧拉法研究的关键技术进行分析研究，得到了更合理的仿真结果。球头铣刀切削微元的瞬时切削厚度是决定铣削力大小和方向的另一关键参数。瞬时切削厚度实际上是当前刀齿的切削路径和前一刀齿的切削路径在切削位置角的径向距离。

四、汽轮机叶片的材料选择

汽轮机叶片材质利用ICrl3、ZCrz3等，含有Mo、W、Nb、B、Ni等强化元素的12%一13%Cr钢，有良好的抗振性能和抗腐化性能，成为汽轮机叶片的重要材质，在某些工作温度400℃和需求抗腐化性不高的过热区工作的叶片，能用一些高合金钢制造叶片以高落造价，比如说是ZoerMo、ZsMnZv及15MnMoVCu等。在湿蒸汽区工作的叶片用抗腐化性高的不锈钢，利用温度的进步及叶片尺寸的利用有更高高温强度或者强度的叶片用钢材质。Icr13、2Cr13等用于工作温度簇45℃叶片。温度跨越500℃，需在ICr13型的基础上，参加多元合金元素Mo、W、Nb、B、Ni等强化的钢。

汽轮机叶片表面处理材料选择模型的热弹塑性本构模型、摩擦模型点球摩擦模型、切削过程有限元模拟的有限元软件ABAQUS显式支持ALE方法，在结合物理分离准则来实现仿真的过程中，汽轮机叶片薄处理芯片分离关闭。对材料失败状态初始定义，采用J-Cdamage层分离单元删除删除相应的故障单元，实现芯片的分离和工件，并提出一种特殊的方法治疗芯片来控制大变形，这种方法结合了ALE方法，芯片端增加材料和倾斜网格的优点。

结论

从铣削力预测模型可以看出，决定铣削力大小的因素有很多。球头铣刀切削微元的瞬时切削厚度是决定铣削力大小和方向的另一关键参数。瞬时切削厚度实际上是当前刀齿的切削路径和前一刀齿的切削路径在切削位置角的径向距离。在铣削加工中，切削微元的瞬时切削厚度是刀具进给速度和切削位置角的函数。另外，刀具切削系统的变形，进给方向和大小，加工倾角的变化都在影响着瞬时未变形切削厚度的大小。而采用各齿（主轴转速、进料、切削深度、切割宽度）汽轮机叶片铣削试验的最优切削参数，采用合理的设定方式，预防汽轮机叶片的加工变形，废品率显著降低。所以本文对汽轮机叶片变形预测的预测方法是可行的。

参考文献

[1]黄素霞，李河宗，崔坚基于ABAQUS的金属切削数值模拟分析[J].工具技术，2010，44（2）：56-59

[2]王文理，陈树巍，康永锋，等.新型复杂航空结构件数控加工技术[J].航空制造技术，2012(9)

[3]李康，李蓓智，杨建国，等.薄壁弱刚性件的工艺方法及变形控制研究[J].组合机床与自动化加工技术，2013(10):101-104

[4]余红英.唐德威.伞红军;汽轮机叶片参数化设计[J].北京航空航天大学学报.2006年10期