透平葉片變切削力加工參數(shù)研究*

鄧宇鋒

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，無錫 214153）

透平葉片變切削力加工參數(shù)研究*

鄧宇鋒

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，無錫 214153）

文章分析了透平葉片的剛性特點(diǎn)和其在切削力的作用下的變形情況，得出各位置的力與變形的擬合關(guān)系。然后，根據(jù)各區(qū)域給定的葉片變形量的控制要求，得出各個(gè)區(qū)域合理的切削力。最后將切削力要求體現(xiàn)在變切削參數(shù)中，為透平葉片的變切削參數(shù)加工提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明了將變切削參數(shù)加工應(yīng)用于透平葉片的切削加工中有效的提高了其加工精度。

透平葉片；變形；切削參數(shù)

0　引言

由于透平葉片不同區(qū)域的剛性不同，若在其銑削加工中施以恒定切削力，葉身極易產(chǎn)生較大的變形而導(dǎo)致讓刀現(xiàn)象，因此，對(duì)于提高透平葉片的加工精度，葉片自身的變剛性特點(diǎn)是個(gè)不可忽略的重要因素。

一般機(jī)械加工中的剛性是指系統(tǒng)剛性，包括機(jī)床、刀具、葉片本身和夾具剛性等。目前企業(yè)主要是通過機(jī)床選型、刀具選用、采用葉片專用夾具和增加輔助支撐等方法來提高透平葉片加工中的系統(tǒng)剛性［1-6］，從而提高透平葉片的加工精度。而通過研究透平葉片自身變剛性來提高透平葉片的加工精度的研究還很不足，因此迫切需要對(duì)銑削加工過程中透平葉片自身結(jié)構(gòu)的剛性進(jìn)行分析，提出一種新方法來提高透平葉片的加工精度。

因此，本文針對(duì)此問題提出了通過變切削參數(shù)的方法來提高透平葉片的切削加工精度。研究結(jié)果表明了此方法有效的控制了透平葉片切削加工中的變形量，提高了葉片的加工精度。

1　有限元模型

在透平葉片的銑削加工中，五軸機(jī)床螺旋綜合銑削透平葉片的葉身部位時(shí)，榫齒葉根類型的葉片是通過采用與葉根形狀相契合的夾緊機(jī)構(gòu)將其葉根在機(jī)床上夾緊。葉冠多采用一頂尖頂住，葉身隨主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行螺旋銑削。

直榫齒葉根的工作面與機(jī)床夾具緊密貼合夾緊，葉冠被頂尖頂緊，所以有限元分析［7］時(shí)，在榫齒葉根工作面加固定約束和在葉冠端頂尖處加軸向位移約束。對(duì)其材料參數(shù)，參考企業(yè)汽輪機(jī)葉片用鋼的性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為：密度為7.8g/cm3，泊松比為0.27，彈性模量為181GPa。根據(jù)企業(yè)加工經(jīng)驗(yàn)，精加工的切削用量為：切削速度220m/min，切深2mm，進(jìn)給量0.3mm。對(duì)透平葉片建立坐標(biāo)系，X向是沿著葉型截面刀具切削方向，Y向是垂直葉片方向，Z是葉片軸向方向。設(shè)置三個(gè)方向的切削力為：沿著葉身型線螺旋切削方向2082N，螺旋銑削橫向切削方向645N，垂直葉片截面方向1126N。透平葉片葉身長(zhǎng)度為480mm，在葉身縱向長(zhǎng)度上每間隔20mm劃分一個(gè)截面，共24個(gè)截面。在截面上選取多個(gè)點(diǎn)，如圖1所示，然后對(duì)各個(gè)點(diǎn)加載切削力。

圖1　葉片有限元分析模型

2　有限元分析及其結(jié)果

依據(jù)建立的透平葉片有限元模型，通過有限元軟件對(duì)其進(jìn)行不同位置的變形的數(shù)值模擬計(jì)算，得到透平葉片不同位置的變形和切削力之間的關(guān)系。

2.1總體變形分析

根據(jù)工廠測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，刀具在銑削加工中，葉片沿葉身截面型線切削方向的變形量（X向）變形遠(yuǎn)大于垂直葉片方向（Y向）的變形量，因此主要針對(duì)X切削方向進(jìn)行切削力和變形量分析。為了研究葉身縱向（X向）剛度的變化，本文選取一條葉身素線上的點(diǎn)，施以恒定的切削力，觀察葉片在X方向的變形量隨葉片加工位置變化的規(guī)律。

圖2　葉片在X方向上的變形和加工位置關(guān)系

從圖2中可以看出，24個(gè)位置在恒定的切削力作用下，葉片在X方向的變形量有非常明顯的變化，最小變形量低于0.02mm，最大變形量則接近0.3mm。從葉片中段位置起，其變形量增加趨勢(shì)更明顯，在葉身19/20位置時(shí)變形量達(dá)到最大，約為0.2942mm。

因此，在透平葉片的銑削加工中，以恒定的切削力一次銑削成型是很不合理的，需要對(duì)各位置進(jìn)行受力分析，得到葉片變形和切削力的關(guān)系，根據(jù)其不同位置剛性要求對(duì)切削力提出變化要求。

2.2擬合分析

2.2.1靠近葉根位置擬合分析

對(duì)靠近葉根位置的葉身銑削加工時(shí)，由于夾具外力的支持，且該區(qū)域葉身厚度較大，所以剛性最好。從位置1開始對(duì)靠近葉根側(cè)的各個(gè)截面逐一進(jìn)行切削力和X方向上的變形量進(jìn)行分析，得出位置1～11的切削力和X方向上的變形量的擬合曲線及關(guān)系式，位置11的擬合曲線及關(guān)系式如圖3所示。

圖3　位置11葉片在X方向上的變形和切削力關(guān)系擬合曲線

由圖3可知，公式的擬合優(yōu)度為0.9999，是可靠的。若根據(jù)葉片尺寸公差0.15mm來控制變形量，在此變形量下，利用擬合公式計(jì)算所得切削力約為2470N，相應(yīng)的切削深度也會(huì)很大，這在實(shí)際加工中是不合理的。因此這些位置的切削力要求不能根據(jù)尺寸公差來控制，而應(yīng)當(dāng)采用粗加工或精加工余量來控制。

葉片鍛件毛坯的單邊余量一般控制在4～5mm之間，粗加工留余量在0.5～1mm之間。若已知葉片鍛件毛坯單邊余量為3mm，粗加工留余量為0.5mm，則以切深2.5mm計(jì)算，根據(jù)切削力公式［8-10］得到切削力為2235N，以此數(shù)值作為調(diào)整后切削力。

2.2.2最大變形加工位置擬合分析

由圖2可知，葉片出現(xiàn)最大變形量是在加工位置20的時(shí)候，變形量大小為0.2942mm。編號(hào)20以后的位置因?yàn)榭拷~冠端頂尖約束，葉片變形量逐漸減小，但這些位置的葉片截面上的弦長(zhǎng)短、最大直徑小，葉片變形量依然很大。對(duì)位置20進(jìn)行切削力和X方向上的變形關(guān)系的分析，得到擬合曲線及關(guān)系式如圖4所示。

圖4　位置20葉片在X方向上的變形和切削力關(guān)系擬合曲線

由圖3可知，公式擬合優(yōu)度為0.9988，是可靠有效的。根據(jù)葉片尺寸公差0.15mm來控制變形量，在此變形量下，根據(jù)擬合公式計(jì)算所得切削力為1200N左右，以此數(shù)值作為調(diào)整后切削力。

2.2.3其他截面位置切削力分析

同分析位置11和位置20的切削力要求類似，根據(jù)各個(gè)截面位置的多次切削力加載和葉片在X方向上的變形情況，進(jìn)行切削力和變形量的關(guān)系擬合，得到各自的擬合曲線及關(guān)系式。然后根據(jù)葉片的自身剛性特點(diǎn)和擬合公式對(duì)各位置提出合適的變切削力要求。其中，靠近葉冠位置區(qū)域因有頂尖支撐，加工時(shí)葉片的變形量相對(duì)降低，因此該區(qū)域根據(jù)加工余量對(duì)切削力提出要求。

綜上所述，位置1～11和位置24均采用加工余量控制變形量，根據(jù)此變形量，通過銑削力公式對(duì)切削力提出相應(yīng)的變化要求；位置12～23均采用葉片尺寸公差來控制變形量，根據(jù)此變形量，通過擬合公式對(duì)切削力提出相應(yīng)的變化要求。

2.3變切削力的葉片加工變形分析

根據(jù)調(diào)整后的切削力，對(duì)葉片X方向上的變形進(jìn)行分析，驗(yàn)證透平葉片的變切削力加工是否可以有效的控制加工中的變形量，提高葉片的加工精度。圖5是單一切削力加工和變切削力加工后，葉片在X方向上的變形量的對(duì)比。

圖5　單一切削力加工和變切削力加工后葉片在X方向上的變形量對(duì)比

由圖5知變切削力加工后葉片在X方向上的變形量情況?？拷~根的位置區(qū)域的變形量稍有增加；而之前變形量較大的位置區(qū)域，變形量均降到了0. 15mm以下?？梢娎们邢髁蚗方向上的變形量的擬合公式進(jìn)行變切削力銑削加工的方法是有效的，尤其是對(duì)剛性最差的葉身中段和略靠近葉冠的位置區(qū)域的變形量控制是顯著有效的。

因此，對(duì)某個(gè)結(jié)構(gòu)類型的葉片進(jìn)行切削力和加工變形量分析，得出其擬合關(guān)系。然后，根據(jù)給定的葉片變形量進(jìn)行切削力計(jì)算，得出葉片各個(gè)位置合理的切削力，實(shí)現(xiàn)變切削力加工，從而較好的解決葉片因剛性不足而產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象，提高了葉片的加工精度。

3　切削參數(shù)推薦

根據(jù)切削力加載后透平葉片在X方向上的變形量，可將其葉身銑削區(qū)域進(jìn)行劃分，如表1所示，然后對(duì)葉片進(jìn)行分區(qū)域變切削參數(shù)推薦。

表1　葉身區(qū)域劃分

切削深度是對(duì)葉片切削力影響最大的因素［11］，所以對(duì)切削深度進(jìn)行推薦最有意義。根據(jù)上述分析，已得出各個(gè)區(qū)域合理的切削力，將切削力要求體現(xiàn)在銑削加工中，就需要對(duì)切削深度進(jìn)行分區(qū)域的變參數(shù)推薦。

給定葉片區(qū)域?yàn)閚，F(xiàn)i（i=1，2，...n）表示i區(qū)域的切削力要求，輸入擬定的進(jìn)給量和切削速度參數(shù)，帶入切削力公式計(jì)算得到對(duì)應(yīng)區(qū)域的切削深度值：

根據(jù)葉片變切削力的分析的結(jié)果，i區(qū)域三個(gè)方向的切削力對(duì)葉片的變形量分別為Δix、Δiy和Δiz，其中變形量最大值對(duì)應(yīng)的切削分力即為Fi的取值。在葉片加工中，刀具沿著葉身截面型線切削方向的力對(duì)葉片變形作用最顯著，因此在葉片銑削加工中以主切削力Fx作為Fi的取值。

對(duì)于剛性較好的靠近葉根、葉冠的位置區(qū)域，葉片加工切削力基本沒有變化，其切削深度均根據(jù)加工余量進(jìn)行控制；對(duì)于剛性較差的其他位置區(qū)域，其切削深度根據(jù)上述葉片的變切削力要求通過公式（1）算得。對(duì)于上圖所示類型的葉片，根據(jù)上述方法進(jìn)行切削參數(shù)推薦，其結(jié)果如表2所示。

表2　變切削參數(shù)推薦

4　結(jié)論

（1）針對(duì)透平葉片的自身剛性特點(diǎn)，對(duì)各位置進(jìn)行受力分析，擬合得到葉片在X方向上的變形和切削力關(guān)系，根據(jù)葉身不同位置剛性對(duì)切削力提出變化要求。

（2）在透平葉片的銑削加工中，切削深度是對(duì)葉片切削力影響大的因素，本文根據(jù)每個(gè)區(qū)域的切削力要求對(duì)切削深度進(jìn)行了合理的參數(shù)推薦。

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（編輯 趙蓉）

Research on Parameters of the Alterable Cutting Forces in Machining Turbine Blade

DENG Yu-feng
（Department of Mmechanical and Electrical Engineering，Jiangsu College of Information Technology，Jiangsu Wuxi，214153，China）

The rigid characters and the deformation of turbine blade under the action of cutting force were analyzed in this paper.Moreover，the fitting relationship of all positions between forces and deformations were also discussed.And then the reasonable cutting forces of different positions of turbine blade were obtained according to the requirements of deformation.Finally，the requirements are reflected in the variable cutting parameters，which could provided the theoretical

for the machining of variable cutting parameters of turbine blade.The results indicated that machining precision can be effectively improved by applying the cutting parameters to the machining of turbine blade.

turbine blade；distortion；cutting parameter

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）02-0135-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.038

2014-05-04；

2014-06-09

鄧宇鋒（1981—），男，江蘇無錫人，江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向?yàn)镃AD/CAM/CAE、機(jī)械制造技術(shù)，（E-mail）dengyufeng1981@yeah.net。