基于有限元技術的汽輪機葉片數控加工參數選擇

張李鐵,王小旭

（吉林工業職業技術學院 化工機械系，吉林 吉林132012）

0 引言

葉片制造品質的優劣直接影響汽輪機整機性能［1］。由于汽機葉片自身存在著截面厚度不均勻、整體形狀有扭轉特征且型面較為復雜的特點，大幅度提高了加工難度，同時加工精度也不易保證［2］。邊緣薄壁處的“讓刀”現象更難以避免，使零件尺寸偏離設計尺寸，造成加工尺寸超出公差尺寸。為了預測加工時變形是否會超過設定公差，并合理調整各切削用量以保證加工質量，有必要對葉片薄邊進行受力變形分析。

1 建立力學模型

本試驗使用的是四刃硬質合金球頭銑刀，銑削力計算公式為

由文獻［3］可知在 ae=0.05dt，af=0.1～0.2 mm 條件下，有下列計算公式成立：

式中：FX為沿機床X軸的銑削分力，FY為沿機床Y軸銑削分力，FZ為沿機床Z軸銑削分力。

2 葉片受力變形分析

按設計要求，本實驗所用汽機葉片成品上下偏差均小于0.03 mm方為合格。為了研究葉片加工過程中是否會出現超差現象，必須以葉片上最薄弱的點進行研究，即尋找變形量最大的點作為研究對象［4］。

2.1 模型導入與網格劃分

將葉片型面模型以STP格式保存，通過數據傳輸接口在ANSYS軟件中打開，在葉片型面長度方向上40等分劃分網格，最后完成的網格單元如圖1所示。

圖1 中片有限元網格劃分圖

2.2 施加約束條件

設定材料屬性后需正確地施加約束條件，所謂約束條件就是工件裝夾方式在數控加工過程中對工件變形產生的約束。由于不同的裝夾方式會對銑削變形產生不同的影響，本試驗對被加工材料的裝夾采用一夾一頂方式，即一端為三爪卡盤，另一端為頂尖。在ANSYS軟件設定材料的裝夾約束條件如圖2和圖3所示。

圖2 卡盤裝夾約束設定圖

圖3 頂尖裝夾約束的設定圖

2.3 施加載荷并求解變形

銑削過程是一個動態連續過程，為了方便研究，將銑削力簡化為一個集中載荷加載到每個位置，如圖4所示。通過ANSYS分析軟件計算出每個節點變形量，求解出在相同的銑削力作用下，葉片型面上變形量最大的位置，是我們要尋找的最“薄弱”研究點。

圖4 施加銑削分力圖

本文取葉片薄邊最邊緣的一排網格節點為研究對象，初步將工藝參數ae=0.4 mm，af=0.18 mm，ap=2 mm，dt=8 mm，nt=2000 r/min，Vf=700 mm/min，代入式（1）、式（2）得到 Ft=9.75 N，FX=8.78 N，FY=3.90 N，FZ=7.80 N，通過軟件分析各變形量。以葉片頂端第一個網格節點為始點，將上述計算好的分力分別施加在各節點上，得到變形量曲線如圖5所示，從曲線圖中可以看出第四點變形量最大，為0.0285 mm，圖6為該點變形云圖。

圖5 各節點變形量曲線

圖6 第四節點變形云圖

3 葉片銑削加工參數優化

以參數 ae=0.4 mm，af=0.18 mm，ap=2 mm，nt=2000 r/min計算出加工葉片時，以最“薄弱”的第四網格節點為研究對象，應用ANSYS軟件進行分析，找出參數變化與產生變形量的相對關系，最終達到優化參數的目的。

3.1 進給速度Vf的選擇

不同的進給速度會產生不同的銑削力［5］，保持其它參數不變，根據經驗選取不同的進給速度及其產生的銑削力如表1所示。

表1 進給速度與銑削力對應參數表

根據式（2）計算出各進給速度產生的分力FX、FY、FZ，在ANSYS軟件中計算出各進給速度對應的變形量，對應關系如圖7所示。

圖7 進給速度對變形量的影響

據圖分析得出，隨著進給速度的增加，變形量隨之增加。進給速度選擇800 mm/min時較合適，此時變形量為0.0295 mm，符合要求。

3.2 主軸轉速n t的選擇

主軸轉速的不同產生的銑削力也不同，保持ae=0.4 mm，af=0.18 mm，ap=2mm不變，轉速從2000r/min到3000 r/min，對應產生的銑削力如表2所示。

表2 主軸轉速與銑削力對應參數表

根據式（2）計算出各轉速產生的分力 FX、FY、FZ，在ANSYS軟件中計算出各轉速對應產生的變形量，對應關系如圖8所示。可見，隨著轉速的增加變形量減小，結合設備特點，加工材料特點，裝夾情況，選擇主軸轉速3000r/min。

圖8 主軸轉速對變形量的影響曲線

3.3 銑削深度a p的選擇

銑削深度對加工變形也有影響，保持其他參數不變，將銑削深度從2.5 mm變化到0.1 mm對應產生的銑削力如表3所示。

表3 銑削深度與銑削力對應參數表

計算出各銑削深度產生的分力 FX、FY、FZ，在ANSYS軟件中計算出各銑削深度對應產生的變形量，對應關系如圖9所示。可見，葉片加工變形量與銑削深度成正比關系，半精加工過程中，銑削深度ap≤2 mm，所以產生變形不會超過公差±0.03 mm。

圖9 銑削深度對變形量的影響曲線

4 結論

本文以汽輪機高速轉子葉片的加工參數確定過程為主要研究內容，針對葉片加工變形問題進行了有限元分析，建立銑削力學模型，得出了工藝參數和銑削變形量的關系曲線，進一步優化了加工工藝參數，保證了加工精度。

［1］ 吳季蘭.汽輪機設備與系統［M］.北京：中國電力出版社，2006：5-10.

［2］ 王知行，陳輝，石勇.用七軸聯動并串聯機床加工汽輪機葉片［J］.世界制造技術與裝備市場，2002（6）：31-32.

［3］ 高軍.自由曲面數控加工刀具軌跡優化算法的研究［J］.新技術新工藝，2001（11）：16-17.

［4］ 蔡蘭，王霄.數控加工工藝學［M］.北京：化學工業出版社，2004：4-6.

［5］ 章泳健，潘毅.汽輪機彎扭葉片型面的四軸數控加工方法研究［J］.現代制造工程,2004（7）：27-28.