汽轮机叶片曲面加工变形预测技术研究张大旺

张大旺

摘要：汽轮机叶片曲面的汽道是由复杂曲面拟合而成，采用传统机械加工方法在加工时有较大困难，其加工过程中受到切削力、切削振动、切削热的作用极易发生变形。由于汽轮机叶片出汽边较薄，铣削过程中受到切削力的作用，产生大的加工变形，其加工变形不可避免，加工精度和表面质量受到严重影响，造成很高的废品率。基于此，本文主要对汽轮机叶片曲面加工变形预测技术进行分析探讨。

关键词：汽轮机；叶片曲面；加工变形；预测技术

前言

研究叶片加工时的受力变形，大量的试验需求造成研究成本过高，铣削加工实验的昂贵使切削加工的研究受到了阻碍，有必要探索一种新的方法实现铣削加工过程的真实再现。随着有限元技术的发展，用有限元技术对加工过程进行模拟研究将成为越来越流行的方式。

1、汽轮机叶片曲面加工铣削力模型

汽轮机叶片在铣削加工的过程中，铣刀沿着叶片汽道型线进行插补，汽轮机叶片汽道型线是由复杂的有理B样条曲线拟合而成。但一次走刀中，刀具走的是一段直线，即一个步长。切削面积大小对切削力有着极其重要的影响，为了更加精确计算切削范围内的受力，对总的切削面积进行微元化处理，然后获得每个微单元的受力情况，即可获得力的空间分布状态。叶片在剪切力和犁切力的共同作用下获得加工表面，剪切力和犁切力之和即为叶片受到的合力。作用在叶片上的微元切向dFt、径向dFr、轴向dFa切削力可以表示为：

dFr（θ，z）=KredS+Krctn（θ，φ，k）db

dFt（θ，z）=KtedS+Ktctn（θ，φ，k）db

dFa（θ，z）=KaedS+Kactn（θ，φ，k）db（1）

其中切削参数对式（1）中的瞬时切削厚度tn（θ，φ，k）有重要影响。

叶片曲面加工所受的切削力转换到笛卡儿坐标系中如式（2）：

2、金属切削有限元技术研究

切削过程模拟技术十分复杂，其中某些关键的技术环节对切削模拟的成功与否有着至关重要的影响。本文就汽轮机薄壁叶片加工变形的问题，在ABAQUS/Explicit求解模块的基础上，提出了汽轮机薄壁叶片的铣削加工过程模拟的模型，同时对模拟过程中的材料模型、摩擦模型、切屑分离准则、单元删除技术、任意拉格朗日—欧拉方法等关键技术进行研究，以得到更合理的模拟结果，以分析在加工过程中切削参数对叶片变形状态的影响。

汽轮机叶片曲面加工的材料模型选用了热弹塑性本构模型，摩擦模型采用罚摩擦模型，在有限元模拟切削过程中采用有限元软件ABAQUS/Explicit支持的ALE法并结合物理分离准则来实现模拟汽轮机薄壁叶片加工过程中的切屑分离。材料的初始失效状态采用了J-Cdamage进行定义，结合单元删除技术删除分离层相应的失效单元，实现切屑和工件的分离，并提出了一种对切屑进行特殊处理的方法以对大变形进行控制，这种方法结合了ALE方法、切屑端部增加材料和倾斜网格的优点。针对汽轮机薄壁叶片的材料不锈钢2Cr13，通过大量的查阅国内外文献，2Cr13的Johnson-Cook公式可以写成：

其中，A、B、n是材料的应变强化项系数；m是材料的热软化系数，材料应变速率强化项系数C随着切削条件的改变而改变，如式（4）。

C=0．061203－185．084t－0．00412v（4）

在对汽轮机薄壁叶片加工变形有限元建模时作出如下假设：

（1）实际切削加工过程中前刀面粘结区刀具与切屑的摩擦系数是变化的，在有限元模型中假设前刀面与切屑的摩擦系数为恒定值；

（2）实际切削加工时，随着切削的进行刀具会有不同程度的磨损，而有限元模型中没有考虑刀具的磨损；

（3）实际铣削加工中不同的齿铣削时铣削力存在差异，在有限元模型中只是模拟单齿铣削过程。

3、汽轮机叶片曲面加工变形预测

在实际的铣削加工过程中，刀具绕自身刀轴作旋转运动的同时相对工件做进给运动，持续地切削工件材料。直接分析复杂的铣削过程具有一定困难，而简化处理加工过程更易于实现对加工变形的有限元模拟，同时，假设条件如下：视夹具和刀具为刚体，工件为线弹性材料，用弹性变形来描述加工变形过程。因此，运用有限元分析时可以采用线弹性静力学分析方法。球头铣刀切削加工时的瞬时切屑厚度在不断改变，许多学者为了模拟切削力的有效加载，将切屑厚度简化为一个定值，本课题为建立更加精确的有限元模型，仍将切削过程认定为瞬时切屑厚度为不断变化的材料去除过程，刀具沿刀位轨迹运动去除工件材料。将切削力沿球头铣刀螺旋刃曲线加载，实现更加精确的叶片曲面加工变形分析。为了更加正确的判定切削参数对切削力和加工变形的影响规律，最后在汽轮机薄壁叶片上选取6个不同的点分别查询变形位移量，试验结果记录于表1中。

表1

4、实验验证

为了验证汽轮机薄壁叶片加工变形预测方法的正确性，本课题通过叶片实验加工变形量与模拟量的对比分析验证薄壁叶片加工变形预测方法的正确性。由于实验条件的限制，本文采用4轴数控机床对汽轮机叶片经特殊工艺进行加工，由于切削过程的复杂性，且由于目前切削过程在线检测技术的不成熟性，本文采用的检测方式为离线检测技术。汽轮机薄壁叶片变形较大的部位为汽轮机叶片出汽边薄壁部分，实验过程中对该部位的切削加工参数进行限定，待工件加工完成后取汽轮机静叶片薄壁部位上6个固定点测定该部位与工件加工前的位移变化量，即认为该位移变化量为叶片该点的加工变形量。并将实验所得叶片变形值与上一节铣削加工有限元模拟的变形值作对比分析：

（1）叶片变形预测值与实验值大小最大误差为791．3%，最小误差为0．00%，误差平均值为11．53%；造成误差太大的原因一方面是该点在金属切削有限元模拟的过程中发生了不应该产生的大变形没有完全得到合理解决；另一方面是切削力的预测并没有完全准确，包括上面所介绍的忽略了切削热、振动等一些因素的影响。

（2）叶片变形量的预测值与实验值的变化在大体上是一致的，通过对比分析，可认为本文提出的铣削力加载方式有效，模拟结果比较合理。

5、切削参数优化分析

汽轮机薄壁叶片的加工精度要求很高，叶片的精加工表面粗糙度为Ｒa3．2，抛光表面粗糙度为Ｒa0．8，向心角度误差为0．01°左右，同时需保证叶片出汽边的轮廓变形度为0．05mm以内。通过对上述模拟结果进行分析，16组正交实验的铣削力合力和叶片最大变形量如表2所示。

表2叶片加工铣削合力和最大变形量

表2表明，切削参数对铣削力、叶片变形量都有较大影响。从表2中16组正交模拟实验的叶片变形量可以看出，其中第1组、第5组、第8组和第9组的最大变形量小于0．05mm满足叶片加工变形要求，而其余组的叶片变形量则不能满足叶片变形量的要求。因此，通过合理选择切削过程中的切削参数，能够有效地控制薄壁叶片的加工变形量。

通过上述对铣削力模型和薄壁叶片加工变形预测方法的验证，认为变形预测方法是基本有效的，即本文认为可以用该方法对汽轮机薄壁叶片的加工变形进行预测。通过正交模拟实验得到了汽轮机薄壁叶片加工的铣削力大小和变形量，现对所得数据进行分析，以得到切削参数对薄壁叶片变形影响的规律，并作显著性检验，分析出切削参数的最优组合。

结语

本文采用金属切削有限元模拟技术对薄壁叶片的加工过程进行模拟，首先就金属切削有限元模拟的关键技术包括模拟过程中材料模型、摩擦模型、切屑分离准则进行了分析，对模拟过程中的网格大变形用了特殊的处理方法，得到了相对理想的模拟结果。并将优化后的汽轮机叶片切削加工参数运用到叶片铣削加工的工程应用中，对叶片汽道型线加工这道工序进行综合的分析，进行加工效果的评估。本文所提出的汽轮机叶片加工变形预测的方法切实可行，提供了一种借鉴的方法。

参考文献：

［1］钟建琳，刘忠和，杨庆东.空间自由曲面五轴联动数控加工［J］.机械设计与制造，2011，（9）：129-131.

［2］王启祥.复杂曲面造型及数控加工仿真研究［J］.科技创新与应用，2014，（16）：13-14.