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        基于有限元法微小高精度葉片加工過程控制研究

        2013-07-09 11:40:52中航工業(yè)北京長(zhǎng)空機(jī)械有限責(zé)任公司102200肖建國(guó)方秋生
        金屬加工(冷加工) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:有限元法發(fā)動(dòng)機(jī)變形

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

        葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件,其對(duì)發(fā)動(dòng)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(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵。

        在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃調(diào)中,為了提高發(fā)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)燃調(diào)腔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速、大載荷的運(yùn)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(diǎn)

        (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(duì)稱兩種葉片數(shù)共48,且有對(duì)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(dòng)平衡量小于0.7cm·g。

        圖1 整體閉環(huán)葉輪

        圖2 雙面對(duì)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(gè)裝配整體,把切削力、裝夾力當(dāng)成動(dòng)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(duì)葉片的影響。在分析過程中,對(duì)于二階導(dǎo)數(shù)求值時(shí),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(shí)際的加工過程中,會(huì)有諸如機(jī)床振動(dòng)、刀具加工過程損耗、裝夾力的大小變化等的影響,在這個(gè)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(jì)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(jì)算 根據(jù)機(jī)械工程手冊(cè)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(shí),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(jì)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(huì)有一個(gè)變形(縮放)系數(shù),由此,在其變形趨于過大會(huì)引起實(shí)體變化前,此時(shí)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(shí)際加工。

        圖4 某270型葉片網(wǎng)格及加工變形趨勢(shì)應(yīng)力云圖

        圖5 某005型葉片網(wǎng)格及加工變形趨勢(shì)應(yīng)力云圖

        3. 加工驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(chǎng)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(jiǎn)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(huì)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(huì)使加工好的零件逐漸變形,殘留的拉應(yīng)力會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度,降低其耐腐蝕性。同時(shí),加工過程會(huì)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(huì)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(gè)結(jié)果是表層金相組織的變化。如果加工效果不理想,則會(huì)在零件的表層產(chǎn)生微裂紋。這對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用穩(wěn)定性及使用壽命都是致命的,并且會(huì)付出巨大的經(jīng)濟(jì)成本。

        因此,在將來的發(fā)動(dòng)機(jī)研制中,對(duì)于加工過程的控制要求肯定會(huì)越來越嚴(yán)格,也就是說在加工后不僅僅是要求得到一個(gè)尺寸的合格,利用先進(jìn)的殘余應(yīng)力檢測(cè)儀,就可以對(duì)其表層應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵部件的加工過程控制,對(duì)于零件的質(zhì)量保證有著非常積極的意義。

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