摘要：汽轮机加工薄壁叶片变形问题一直是困扰加工工程的主要问题，本文利用有限元软件ABAQUS对汽轮机薄叶片加工变形分析，主要是根据金属切削的有限元理论进行汽轮机叶片加工变形的金属切削有限元模拟，实现了接近实际的加工铣刀的三维有限元模拟，控制叶片加工变形，为实际加工叶片提供了参考选择，优化切削参数。
关键词：汽轮机叶片；曲面加工；变形预测技术；研究
1前言
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。随着有限元技术的发展，有限元技术的应用越来越受到人们的重视。
2汽轮机叶片曲面加工铣削力模型
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。在剪切力和犁剪切力的联合作用下，叶片可以获得工作表面，剪切力和犁切力之和是叶片的合力。
3金属切削有限元技术研究
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，显式解决方案模块，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，分析切削状态参数对叶片加工过程中变形。
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。
在汽轮机薄壁叶片加工变形的有限元建模中，提出了以下假设：
（1）切削刃前刃的摩擦系数与切削刃前缘的摩擦系数发生了变化，在有限元模型中假定前刃与芯片的摩擦系数为常数。
（2）在实际加工中，刀具的磨损程度不同，而有限元模型不考虑刀具的磨损；
（3）在实际铣削过程中，不同齿铣之间的铣削力有差异。在有限元模型中，仅对单齿铣削过程进行模拟。
4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，同时，假设如下：把夹具和刀具作为刚体，工件为线弹性材料，弹性变形是用来描述加工变形的过程。因此，在有限元分析中可以采用线性弹性静力学的方法。
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如图1所示。图一的汽轮机薄壁工件毛坯，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。
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，在图1E中螺旋力的加载面和球头铣刀片的尺寸大小是一样的。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。
采用四因素四能级正交实验台对汽轮机薄壁叶片的加工过程进行了数值模拟。采用切削力预测模型计算切削力，通过切削力加载模拟薄壁叶片的加工变形。为了正确确定切削力的切削参数和加工变形的影响规律，分别对汽轮机薄叶片六种不同点的变形位移进行最终选择，记录试验结果并保存。
5实验验证
由于实验条件的限制，本文采用四轴数控机床对涡轮叶片特殊工艺处理后，由于切削过程的复杂性和目前切削过程在线检测技术不成熟，本文使用测试离线测试技术方法。汽轮机薄刀片变形部分的汽轮机叶片薄壁部分，在实验的过程中零件的加工参数有限，待工零件加工完成后对汽轮机静叶片薄壁部分六个定点测定区域和位移变化的工件进行加工，即可认为是加工的位移变化值的叶片变形量。将叶片的变形值与上一节有限元模拟进行了比较，并对预测值与实验值之间的相对误差进行了分析比较。
通过对实验数据的分析和比较，得出以下结论：
（1）叶片变形和实验值预测最大误差为791.3%，最小误差为0.00%，误差平均值为11.53%。错误的原因是在金属切削有限元模拟过程中不应产生的大变形且不能完全解决；另一方面，切削力的预测也不完全准确，包括切削热、振动等因素的影响。
（3）叶片变形的预测值与实验值一致。通过对比分析，得出本文提出的铣削力加载方法是有效的，仿真结果是合理的。
6切削参数优化分析
汽轮机薄叶片对加工的精度要求很高，叶片精密加工表面粗糙度Ra3.2，抛光表面粗糙度Ra0.8，向心角度误差约0.01°左右，同时确保了蒸汽侧的轮廓变形度在0.05毫米以内。通过对上述仿真结果的分析，在16个正交实验中，铣削力和叶片最大变形量见表1。
表一叶片加工铣削合力和最大变形量
表1表明切削参数对铣削力和叶片变形影响较大。从表1 16组正交叶片变形模拟实验表明，组1、5、8和9组最大变形小于0.05毫米满足叶片加工变形的要求，而其余叶片变形不符合集团的叶片变形的要求。因此，通过在切削过程中选择切削参数，可以有效地控制薄壁叶片的加工变形。
7结论
本文利用有限元模拟对金属切削技术薄叶片加工过程进行模拟，首先是金属切削的有限元模拟的关键技术，包括对材料仿真模型的过程，以及对摩擦模型，芯片分离条件都进行了分析，对模拟过程中出现的网格大变形仿真进行特殊的处理，得到了比较理想的仿真结果。并将优化的涡轮叶片切削参数应用于叶片铣削的工程应用，对过程进行综合分析，且进行加工效果评价。因此，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，并提供了一种参考方法。
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]李涛，顾立志金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题[J].工具技术，2008，42（12）：14-18
论文作者:于占华
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：叶片论文; 加工论文; 汽轮机论文; 有限元论文; 过程论文; 过程中论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第6期论文;