張李鐵,王小旭

（吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 化工機械系，吉林 吉林132012）

0 引言

葉片制造品質(zhì)的優(yōu)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(zhuǎn)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(xiàn)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(diào)整各切削用量以保證加工質(zhì)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(zhì)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，F(xiàn)Y為沿機床Y軸銑削分力，F(xiàn)Z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(xiàn)超差現(xiàn)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(wǎng)格劃分

將葉片型面模型以STP格式保存，通過數(shù)據(jù)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(wǎng)格，最后完成的網(wǎng)格單元如圖1所示。

圖1 中片有限元網(wǎng)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(shù)控加工過程中對工件變形產(chǎn)生的約束。由于不同的裝夾方式會對銑削變形產(chǎn)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(tài)連續(xù)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(jié)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(wǎng)格節(jié)點為研究對象，初步將工藝參數(shù)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，F(xiàn)X=8.78 N，F(xiàn)Y=3.90 N，F(xiàn)Z=7.80 N，通過軟件分析各變形量。以葉片頂端第一個網(wǎng)格節(jié)點為始點，將上述計算好的分力分別施加在各節(jié)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(jié)點變形量曲線

圖6 第四節(jié)點變形云圖

3 葉片銑削加工參數(shù)優(yōu)化

以參數(shù) 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(wǎng)格節(jié)點為研究對象，應用ANSYS軟件進行分析，找出參數(shù)變化與產(chǎn)生變形量的相對關(guān)系，最終達到優(yōu)化參數(shù)的目的。

3.1 進給速度Vf的選擇

不同的進給速度會產(chǎn)生不同的銑削力［5］，保持其它參數(shù)不變，根據(jù)經(jīng)驗選取不同的進給速度及其產(chǎn)生的銑削力如表1所示。

表1 進給速度與銑削力對應參數(shù)表

根據(jù)式（2）計算出各進給速度產(chǎn)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(guān)系如圖7所示。

圖7 進給速度對變形量的影響

據(jù)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(zhuǎn)速n t的選擇

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

表2 主軸轉(zhuǎn)速與銑削力對應參數(shù)表

根據(jù)式（2）計算出各轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的分力 FX、FY、FZ，在ANSYS軟件中計算出各轉(zhuǎn)速對應產(chǎn)生的變形量，對應關(guān)系如圖8所示?？梢?，隨著轉(zhuǎn)速的增加變形量減小，結(jié)合設備特點，加工材料特點，裝夾情況，選擇主軸轉(zhuǎn)速3000r/min。

圖8 主軸轉(zhuǎn)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(shù)不變，將銑削深度從2.5 mm變化到0.1 mm對應產(chǎn)生的銑削力如表3所示。

表3 銑削深度與銑削力對應參數(shù)表

計算出各銑削深度產(chǎn)生的分力 FX、FY、FZ，在ANSYS軟件中計算出各銑削深度對應產(chǎn)生的變形量，對應關(guān)系如圖9所示?？梢姡~片加工變形量與銑削深度成正比關(guān)系，半精加工過程中，銑削深度ap≤2 mm，所以產(chǎn)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(jié)論

本文以汽輪機高速轉(zhuǎn)子葉片的加工參數(shù)確定過程為主要研究內(nèi)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(shù)和銑削變形量的關(guān)系曲線，進一步優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，保證了加工精度。

［1］ 吳季蘭.汽輪機設備與系統(tǒng)［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(lián)動并串聯(lián)機床加工汽輪機葉片［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場，2002（6）：31-32.

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

［4］ 蔡蘭，王霄.數(shù)控加工工藝學［M］.北京：化學工業(yè)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(shù)控加工方法研究［J］.現(xiàn)代制造工程,2004（7）：27-28.