基于有限元法微小高精度葉片加工過程控制研究

中航工業(yè)北京長空機(jī)械有限責(zé)任公司 （102200） 肖建國 方秋生

葉輪是航空發(fā)動機(jī)燃油控制機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，其對發(fā)動機(jī)燃調(diào)工作效率、可靠性和使用壽命都起著關(guān)鍵性的作用，并且會直接影響到發(fā)動的推力、推重比等重要參數(shù)。葉輪的核心工作部分就是葉片，提高葉片的加工質(zhì)量，是提高發(fā)動機(jī)整體性能的關(guān)鍵。

在航空發(fā)動機(jī)燃調(diào)中，為了提高發(fā)動機(jī)整體性能，廣泛采用耐熱、高強(qiáng)度合金材料的整體葉輪結(jié)構(gòu)，并且葉片幾何造型設(shè)計越發(fā)復(fù)雜，葉片型面彎扭度越來越大，已經(jīng)成為第三代、第四代航空發(fā)動機(jī)燃調(diào)中的重大改進(jìn)部件。制造過程中，不僅需要保證每個葉片的加工精度，而且更加需要保證葉片全加工過程的穩(wěn)定性和可靠性。唯有如此，才能保證葉片在發(fā)動機(jī)燃調(diào)腔體內(nèi)實現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速、大載荷的運行過程中提供穩(wěn)定的燃油輸出。減少機(jī)械磨損，進(jìn)而提高其使用壽命。

本文選用兩種典型復(fù)雜的微小高精度葉輪零件為例，采用有限單元分析法，基于ABAQUS/CAE通用有限元軟件，利用彈塑性有限元數(shù)值方法，通過載荷折減方式控制加工參數(shù)進(jìn)給，使葉片加工受力情況得到可控。

1. 加工葉輪零件結(jié)構(gòu)特點

（1）某005型 硬鋁合金（7A04－T6）材質(zhì)的整體半閉式葉輪（見圖1），葉片多，雙面對稱兩種葉片數(shù)共48，且有對稱要求輪廓度要求不大于±0.05mm；葉片薄不到1mm，葉片間的間距小于3mm；葉片端面平面度0.02mm，葉片兩端面平行度0.02mm，葉片表面粗糙度值要求Ra=1.6μm。

（2）某270型 高強(qiáng)度鋼質(zhì)（Z5CNU1704類似0Cr17Ni4Cu4Nb）整體閉環(huán)葉輪（見圖2），零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其余加工要素多；葉片兩端面平行度要求0.005mm，垂直度要求0.005mm，葉片厚度1.2mm；葉片型面為三維曲面，表面粗糙度值要求Ra=2.2μm，動平衡量小于0.7cm·g。

圖1 整體閉環(huán)葉輪

圖2 雙面對稱葉輪

2. 加工思路

（1）加工前分析 利用有限元法進(jìn)行葉片與刀具在加工過程的相互作用力的分析，基于SIMULIA的ABAQUE/CAE把葉輪、刀具、夾盤當(dāng)成一個裝配整體，把切削力、裝夾力當(dāng)成動力載荷、靜力載荷，通過在不同切削參數(shù)情況下切削力產(chǎn)生的應(yīng)力云圖判斷加工過程對葉片的影響。在分析過程中，對于二階導(dǎo)數(shù)求值時，自變量采用微小變量，用差商近似表示導(dǎo)數(shù)，微小變量的表達(dá)就直接使其趨近于無窮小，并且在實際的加工過程中，會有諸如機(jī)床振動、刀具加工過程損耗、裝夾力的大小變化等的影響，在這個過程中則采用理想模型進(jìn)行分析，進(jìn)而判定參數(shù)選用是否合理。以下計算以某270整體閉環(huán)葉輪為例（見圖3）。

圖3 葉片加工載荷（加工切削力）

（2）關(guān)于加工切削力的計算 根據(jù)機(jī)械工程手冊金屬切削原理，假設(shè)機(jī)床、刀具和工件材料確定的情況下，切削力Fz和銑削參數(shù)之間的關(guān)系如下

其中設(shè)定精加工R1.5mm球刀時，銑削深度aF=0.05mm，進(jìn)給速度fZ=140mm/min，銑削寬度ae=0.005mm，轉(zhuǎn)速n=6 000r/min，由切削力粗略的計算Fz≈1.4N，在Abaqus/CAE中用線性靜力學(xué)模塊使用載荷0.1N、0.15N、0.2N，彈性模量：2.13×1011N/m2，泊松比：0.27。分別生成其應(yīng)力云圖（見圖4、圖5），在其變形過程中會有一個變形（縮放）系數(shù)，由此，在其變形趨于過大會引起實體變化前，此時的系數(shù)與加載載荷的值相乘后，其值即可為合理參數(shù)。經(jīng)過此方式分析后，所產(chǎn)生的加工參數(shù)用于實際加工。

圖4 某270型葉片網(wǎng)格及加工變形趨勢應(yīng)力云圖

圖5 某005型葉片網(wǎng)格及加工變形趨勢應(yīng)力云圖

3. 加工驗證及刀軌優(yōu)化

根據(jù)以上的思路分析，由于不同的區(qū)域其受力強(qiáng)弱不同，因此在加工過程在葉片不同的區(qū)域采用不同的加工參數(shù)，充分考慮并多次試驗加工過程中刀具與葉片所成角度大小、加工切削參數(shù)等的影響，原則就是避免切削力大于葉片的變形應(yīng)力，避免葉片在加工過程產(chǎn)生的應(yīng)力集中過大（見圖6、圖7）。

圖6 加工刀軌（三軸立式加工中心）

圖7 加工刀軌（四軸立臥加工中心）

最終葉片加工參數(shù)表如下（精加工）：

加工后零件如圖8所示。

加工參數(shù)表

圖 8

4. 結(jié)語

有限元法是一種在變分原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效、常用的計算方法。其廣泛應(yīng)用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類場物理中。用在剖分、單元分析后，求解近似變分方程。本文采用的ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬有限元軟件，其應(yīng)用范圍從簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性分析問題都能得到很好的解決。

葉片加工完畢后會存在殘余應(yīng)力，在其表層為拉應(yīng)力，表層下則是壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力會使加工好的零件逐漸變形，殘留的拉應(yīng)力會降低零件的疲勞強(qiáng)度，降低其耐腐蝕性。同時，加工過程會有熱效應(yīng)，其結(jié)果是在加工工件的表層有幾十至幾百微米的顯微硬度提高，也就是加工硬化，這會使得零件的高溫耐久性與疲勞強(qiáng)度也隨加工硬化的嚴(yán)重而下降，另外一個結(jié)果是表層金相組織的變化。如果加工效果不理想，則會在零件的表層產(chǎn)生微裂紋。這對于航空發(fā)動機(jī)的使用穩(wěn)定性及使用壽命都是致命的，并且會付出巨大的經(jīng)濟(jì)成本。

因此，在將來的發(fā)動機(jī)研制中，對于加工過程的控制要求肯定會越來越嚴(yán)格，也就是說在加工后不僅僅是要求得到一個尺寸的合格，利用先進(jìn)的殘余應(yīng)力檢測儀，就可以對其表層應(yīng)力進(jìn)行檢測。關(guān)于有限元法在具體零件的加工工藝中的應(yīng)用還沒有先例，但是在CAE的基礎(chǔ)上去研究零件的加工過程，尤其是對于發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵部件的加工過程控制，對于零件的質(zhì)量保證有著非常積極的意義。