汽轮机叶片曲面加工铣削力预测模型研究
基于逆向工程的汽轮机叶片型面CAD建模方法的研究
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５３叶 片型面优化 ．
一
般情况下 ， 由于数据精度问题可能造成构造 出的曲面在
过渡部分曲率变化较大或者 出现扭 曲， 以要对所得曲面进行修 所 改。 Ｐｏ 在 ｒ Ｅ软件 中， ／ 选择“ 分析” “ 一 几何” “ 一 着色 曲率” 此处利用 。
图 １叶片扫描数据 图 图 ２点云切片图
建模 方 法的研 究
邢 健 付 大鹏 郝 德成
（ 东北电力大学 机械工程学院， 吉林 １２ １ ） ３０ ２
Ｓｔ ｄ ｆ ｕ ｙｏ ＣＡＤ ｍｏ ｅ ｉｇ ｆ ｕ ｂ ｎ ｌｄ ｒ ｆｅ ｂ ｓ ｄ ｄ ｌ ｏｒ ｒ ｉ ｅ ｂ ａ ｅ ｐ ｏ ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｌ ｏ ｅ ｅ ｓ ｎ ｍｅ ｎ ｇ ｎ ｒｖ ｒｅｅ ｇ ｅ ｎ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｖｅ ｓ ｎｇ ｎｅ ｒ ｎｇ； ａ Ｒｅ ｒ ｅ ｅ ｉ ｅ ｉ Ｂｌ ｄｅ； ｉ ｌ ｕｄ； ｏ ｉｅ ｒ ｃ ｎｓ ｒ ｔｏ ＰＯ ｎｔｃ ｏ Ｐｒ ｆｌ ｅ ｏ ｔ ｕｃ ｉ ｎ
汽轮机叶轮曲面加工问题分析
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.24.062汽轮机叶轮曲面加工问题分析①朱昆林1 赵春岩2 刘强1(1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150046;2.东北轻合金有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150060)摘 要：正是因为五轴加工技术所具备的优势十分显著，所以被广泛应用到机械加工之中。
但是在汽轮机动叶片这类结构复杂的曲面零件加工中，采取五轴联动加工时极易造成刀具与工作台、夹具之间出现干涉问题，进而严重影响到实际的加工效率。
所以，如何针对干涉问题提出有效的处理办法，从而有效提高汽轮机叶轮加工效率与加工质量则是本文笔者重点探讨与分析的对象，以供广大同行参考借鉴。
关键词：汽轮机叶轮 曲面加工 干涉中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)08(c)-0062-02将五轴联动应用到汽轮机动叶片结构复杂曲面类零件的实际加工过程中，往往会因为刀具干涉问题而直接对汽轮机叶轮曲面的加工效率与加工质量造成影响。
因此，要想进一步提高汽轮机叶轮曲面的加工效率与加工质量，就必须要有效解决五轴加工过程中出现的干涉问题。
为此以下笔者即结合相关参考文献与个人研究经验，就汽轮机叶轮曲面五轴加工过程中出现的干涉问题及其处理方法加以粗浅的分析与探讨，以期为广大同行在今后的实践工作上提供有益的借鉴。
1 干涉的形式与类型我们都知道现如今在汽轮机叶轮加工过程中使用五轴加工技术具有十分明显的优势，被越来越多的机械制造企业广泛应用。
然而由于汽轮机动叶片其本身的结构相对复杂，因此在这类复杂曲面零件的实际加工过程中，就会造成刀具干涉问题严重影响到汽轮机叶轮曲面的实际加工效率与加工质量。
因此对汽轮机叶轮曲面的五轴加工过程中所出现的干涉问题加以处理则尤为重要。
通常来讲所谓的刀具干涉指的就是刀具刀刃与被切入加工曲面或者是刀杆与被加工曲面、夹具之间等约束表面发生了碰撞问题。
在汽轮机叶轮曲面的实际加工过程中，刀刃与曲面发生干涉，刀具底部与曲面发生碰撞干涉，刀具与曲面或者是夹具之间发生了碰撞问题，这三种形式可以说是刀具与曲面之间最为常见的三种干涉形式。
基于主轴和进给轴电流的铣削力间接预测方法
第 43 卷第 4 期2023 年 8 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 4Aug.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis基于主轴和进给轴电流的铣削力间接预测方法∗吴石，董泽煜，刘献礼，孟悦（哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室哈尔滨，150080）摘要提出了一种基于主轴和进给轴电流最优变权法的瞬时铣削力预测方法。
首先，分析了主轴电流与x向瞬时铣削力的映射关系，基于互相关方法考虑了电流信号的延迟效应；其次，基于Devavit Hartenberg法对五轴机床进行运动学建模，将进给轴驱动力矩从机床坐标系映射到刀具坐标系，基于力雅可比矩阵得到进给轴驱动力矩和瞬时铣削力的映射关系；最后，基于最优变权法，综合考虑了主轴和进给轴电流对瞬时铣削力的影响，进行了瞬时铣削力预测实验。
实验结果表明，基于主轴和进给轴电流最优变权法的瞬时铣削力预测误差在10%以内，能够有效预测加工过程的瞬时铣削力。
关键词五轴机床；主轴电流；进给轴电流；最优变权法；瞬时铣削力中图分类号TH164引言瞬时铣削力直接影响加工过程中的铣削振动和铣削热的产生，精准预测瞬时铣削力对分析和改善加工工艺有重要意义［1］。
微元法是瞬时铣削力预测的传统建模方法，但其预测瞬时铣削力的精度较低且实时性差［2‐4］。
学者们开展了基于电流信号的瞬时铣削力预测方法研究［5］。
Altintas等［6］针对叶轮和整体叶片等复杂零件的五轴加工，利用进给驱动电机电流信号来识别五轴铣削加工中的铣削力，证明了实现无传感器监控系统是可行的。
Aslan等［7‐8］提出了直接利用数控机床主轴电流信号监测铣削加工过程中的颤振情况，并证明该方法可用于切削扭矩预测。
Kim 等［9］分析了进给系统和主轴系统中交流感应电动机电流的灵敏度和带宽，选择主轴电流信号设计模糊逻辑控制器调节铣削力预测模型，将预测值与实测值进行比较。
复杂曲面薄壁叶片点铣加工弹性变形预测
关 键词 ：复 杂 曲面 ； 薄壁 叶 片 ； 削力 ； 铣 弹性 变形 中图分 类号 ：ＴＨ１ １ 文献标 志码 ：Ａ 文章编 号 ：０ ５ －８ Ｘ（０ ２ ０ 一Ｏ ７Ｏ ６ ２ ３９ ７ ２ １ ） ５Ｏ ６ 一６ Ｄｅ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ Ｐｒ ｄ ｃ ｉ ｎ ｏ ｉ － ａ ｌ ｄ Ｖａ ｅ ｗｉｈ ｆ ｒ ｔｏ ｅ ｉ ｔｏ ｆ Ｔｈ ｎ Ｗ ｉｅ ｎ ｔ
（ 京 交通 大学 机械 与 电子 控 制 工 程 学 院 ，１０ ４ ，北 京 ） 北 ００４
摘 要 ：针 对 复杂 曲面薄壁 叶 片点铣加 工 刀住 的特点 ， 建立 了平 均铣 削力预 测模 型 ， 用 多因素 正交 利
试 验 法对铣 削力 系数 进行 了标 定 ， 并验证 了该模 型 的 正确 性． 此 基 础上 ， 虑 了铣 削力 与 弹性 变 在 考
第４卷 ６
第 ５期
西
安交通源自大 学 学报 Ｖｏ ． ６ Ｎ ｏ ５ １４ ．
Ｍ ａ ２ １ ｖ ０２
２１ 年 ５ ０２ 月
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＸＩＡＮ Ｉ ’ ＪＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
复 杂 曲面 薄 壁 叶片点 铣 加 工弹 性 变 形预 测
黄泽华 ，李建 勇 ，樊文 刚 ，马丽 梅
ｆ ｒｅ ｉ ｅ ｔｂ ｉｈ ｄ ｏ ｃ ｓ ｓａ ｌ ｅ ．Ｔｈ ｎ ｅ ｅｍ ｉｅ ｏ ｆｉｉｎ ｓａ ｅｃ ｌ ｒ ｔｄ ｂ ｒｈ ｇ ｎ ｌ ｅ ｔ ｎ ｈ ｎｔ ｅ ｓ ｅｕ ｄ ｔｒ ｎ ｄｃ ｅｆｃｅ ｔ ｒ ａｉ ａ ｅ ｙｏ ｔ ｏ ｏ ａ ｓ ，ａ ｄｔ ｅ ｈ ｂ ｔ ｖ ｌ ｉｙｏ ｈ ｓｅ ｉｉａ ｏ ｍ ｕ ａｉ ｅ ｉ ｅ ｔ ｖ ｎ Ｅｄ ｅｓ ｆｗａｅ Ｎｏｉ ｇｔ ｅｃ ｕ ｌ ｇ ｒ ｜— ａｉ ｔ ｆｔ ｉ ｍｐｒｃ ｌ ｒ ｌ ｓｖ ｒｆ ｄｗｉｈ Ａｄ ａ ｔ ｇ ｏ ｔ ｒ ． ｄ ｆ ｉ ｔ ｈ ｏ ｐ ｉ ｅａ ｎ ｎ
基于UG NX的汽轮机叶片三维造型研究
基于UG NX的汽轮机叶片三维造型研究2010-05-05 14:07:32 作者：admin来源：浏览次数：0 网友评论 0 条一、前言在大型汽轮机（涡轮机）零件中，叶片的设计是比较难的一个环节。
因为一般的叶片在径向、轴向都有扭动（俗称“3D扭转叶片”），而且这些叶片的前缘和后缘曲率变化十分剧烈。
这种叶片实体是由许多曲面构一、前言在大型汽轮机（涡轮机）零件中，叶片的设计是比较难的一个环节。
因为一般的叶片在径向、轴向都有扭动（俗称“3D扭转叶片”），而且这些叶片的前缘和后缘曲率变化十分剧烈。
这种叶片实体是由许多曲面构成，同时对于叶片的表面质量还有很高的要求。
设计情况如果不理想，或者设计精度不高，都会对后续的加工，以及整台汽轮机的效率、使用寿命和运行安全带来致命的影响。
因此，目前国内的企业普遍都引入了三维高端CAD/CAM /CAE软件，希望提高对于复杂产品的设计能力。
Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件，广泛应用于航空、航天、汽车、造船、通用机械和电子等工业领域。
主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。
自从我公司引进UG NX以来，以其先进的理论、强大的工程背景、完善的功能和专业的技术服务深受广大工程师和专业技术人员的喜爱，并将其最大程度的运用到实际开发、研究和生产制造中去，使我公司的技术手段与国际水准接轨，持续提高新产品的设计周期和设计质量，并使我公司生产出高质量低成本的汽轮机成为现实，有力地参与国际化的市场竞争。
二、传统设计方法60年代末，70年代初，国内绝大多数汽轮机制造厂在设计汽轮机叶片时，均采用速度三角形法，它以均匀一元流动理论作为理论基础，以平面叶栅的静吹风试验为依据，通过基本热力方程和速度三角形确定叶片参数，然后根据热力参数，绘制叶片型线。
螺旋桨叶片加工变形实验研究与仿真分析
华中科技大学硕士学位论文ABSTRACTThe propeller is the core component of the vessel, the quality and performance of which are important factors to the vessel’s power and stablity. The machining accuracy of the propeller scale model affects the result of the test, and indirectly affects the service performance. The blade of the propeller scale model has the characters of complicated surface structure, small thickness and long overhanging, and it may produce machining deformation caused by cutting force during machining process, which leads that it is diffcult to control the machining error and improve the processing efficiency. In this dissertation, the research mainly invloves the propeller scale model, in which the processing scheme of each stage is developed, the joint simulation technology of ANSYS and MATLAB software is achieved and applied to the calculation of deformation of the blade. Besides, the distribution regularity of the deformation of the blade under different working the machining deformation of the blade is analyzed and the feasibility is verified by experiments.The processing scheme is developed based on the structural characters of the propeller scale model in this paper, and different processing methods are choosed for the blade processing in different regions, and the appropriate measures are developed for the technical problems in the machining process. The approriate measure method is developed base on the structural characters and accuracy requirement of the propeller scale model, and then the measurement results are analyzed.A cutting force prediction model in five-axis machining surface is established based on the machining process of the propeller scale model, and the method of calculating the elastic deformation in the NC milling process of free-form surface is researched. Considering the coupling relationship between cutting force and elastic deformation , an iteration relationship for calculating the elastic deformation of free-form surface blade华中科技大学硕士学位论文during machining. The iterative program is written and the joint simulation considering the interaction between the cutting force and the elastic deformation is achieved by using the data transfer between ANSYS and MATLAB software.The cutting force in the finish machining process is predicted by calibrate the cutting force coefficient.The elastic deformation on each cutter contact point of the blade under different process methods are predicted by using the joint simulation technique, and the accuracy of the deformation simulation is verified by blade processing experiment. The regularity of the machining deformation is predicted by calculating the machining deformation of the whole blade surface under different process methods.The processing scheme and the joint simulation technique of the machining deformation are applied on the processing of a certain propeller scale model, and the finish machining of the blade is accomplished by optimizing the tool path mode, and then the accuracy of the machining deformation regularity and the feasibility of the tool path mode optimizing are verified.Key Words: Propeller, Blade, Five-axis Machining, Machining deformation, Iteration, Joint simulation华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)ABSTRACT (I)目录 (III)1. 绪论 (1)1.1课题来源 (1)1.2研究背景与意义 (1)1.3 研究综述 (3)1.4 主要工作 (8)2. 螺旋桨缩比模型加工误差测量实验分析 (9)2.1螺旋桨缩比模型建模 (9)2.2螺旋桨缩比模型加工方案及难点 (11)2.3 螺旋桨缩比模型测量及测量结果分析 (15)2.4 本章小结 (19)3. 基于Ansys和Matlab联合仿真的螺旋桨叶片加工变形仿真 (20)3.1 叶片变形静力学仿真 (20)3.2基于Ansys和Matlab联合仿真的迭代技术研究 (29)3.3 本章小结 (34)4. 螺旋桨缩比模型加工变形实验验证与规律分析 (35)4.1叶片加工变形实验 (35)华中科技大学硕士学位论文4.2叶片加工变形仿真结果验证 (40)4.3螺旋桨缩比模型不同加工方式下变形规律分析 (45)4.4本章小结 (48)5. 螺旋桨缩比模型加工实验验证 (49)5.1螺旋桨缩比模型加工工序安排 (49)5.2加工变形规律分析在叶背加工中的应用 (54)5.3本章小结 (56)6.总结与展望 (57)6.1全文总结 (57)6.2研究展望 (57)致谢 (59)参考文献 (61)附录1攻读学位期间发表学术论文专利目录 (65)华中科技大学硕士学位论文1. 绪论1.1课题来源湖北省重大科技创新计划项目“船舰用非线性纵倾侧倾多叶片转子五轴联动数控加工技术研发与应用”（项目编号：2015AAA002）。
汽轮机叶片数控砂带磨床可控磨削力磨头结构设计
汽轮机叶片数控砂带磨床可控磨削力磨头结构设计周建中;项余建;王隆太【摘要】研究了汽轮机叶片复杂曲面型面砂带磨削的要求,建立了六轴联动的砂带磨削运动关系模型;根据砂带磨削的特点,提出了通过控制磨削压力实现对磨削深度的控制解决柔性砂带磨削精度难以控制的难题;设计出可控磨削力的砂带磨头.用Pro-Mechanism对磨头结构进行了运动学仿真,用ANSYS对磨头支架进行了力学分析.试验验证,设计的砂带磨头满足使用要求.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】5页(P50-54)【关键词】汽轮机叶片;砂带磨削;可控磨削力;仿真【作者】周建中;项余建;王隆太【作者单位】南京理工大学泰州科技学院机械工程学院,江苏泰州225300;扬州大学机械学院,江苏扬州225009;扬州大学机械学院,江苏扬州225009【正文语种】中文【中图分类】TH16汽轮机叶片是汽轮机的重要部件，其表面加工质量直接影响汽轮机的效率。
汽轮机叶片一般为复杂的曲面型面，国内外采用五轴联动铣削加工中心加工叶片型面的表面，由于精度和表面质量达不到希望的要求，所以还需要对其表面进行光整加工。
国内外研究使用砂轮和砂带两种技术对叶片表面进行磨削加工，可以集磨削和抛光于一体。
由于砂带磨削具有高效率和冷态的特性，所以其技术发展非常迅速，已经能够用于干磨、高速、大吃刀量等的重磨削领域及高精密零件的磨削加工领域。
国内很多高校、研究所和企业也都做了研究，并取得了可喜的成果。
扬州大学机电研究所从事叶片磨削技术研究多年，相继研制了四轴联动、五轴联动的数控叶片砂带磨床样机[1-2]。
本课题针对以前研究存在的问题结合最新的研究成果，在江苏省科技支撑计划BE2010141项目的支持下，开展了六轴联动数控砂带磨床可控力磨削技术磨头结构研究设计。
1 砂带磨削运动及磨削特点分析1.1 砂带磨削运动分析汽轮机叶片具有复杂型面，砂带磨削是由主动轮经张紧轮带动柱形接触轮转动，接触轮带动包裹在它外层的砂带运动，对叶片型面进行磨削包络成型，如图1所示。
叶片的曲面加工
随着航空航天，汽车制造业的飞速发展，自由曲面广泛应用于复杂零件的 形状表达，对于自由曲面类零件的加工需要在多坐标数控机床上进行，以便获 得更高的加工效率和更好的加工质量。因此自由曲面造型与多坐标数控加工已 成为 CAD/CAM 技术的一个重要研究方向。 本文对离心压缩机叶轮叶片的几何造型与数控加工技术进行了系统、深入 的分折与研究。主要的研究工作为叶片曲面的菲均匀 B 样条方法造型和多坐标 数控加工刀具轨迹生成。主要研究内容如下： 首先，对非均匀 B 样条曲线曲面相关算法进行了研究，并用 C++语言和 面向对象的程序设计方法实现了非均匀 B 样条曲线曲面的正算、反算、导矢等 核心算法。通过 Visual C++/MFC 集成开发环境下的 OpenGL 程序创建，实现 了叶片曲面的三维显示。 其次，在对自由曲面数控加工刀具轨迹的生成方法进行分析的基础上，本 文采用等参数线法与等残斟高度法两种方法生成叶片曲面数控加工刀具轨迹。 采用等参数线法，计算出走刀行距、走刀步长、刀触点、刀位点以及刀轴矢量， 完成了叶片数控加工刀具轨迹计算。等参数线法的特点是算法简单，计算速度 快，但加工效率相对较低。在对曲面微分几何特性的分析以及相邻切触点轨迹 计算的基础上，采用等残留高法进行数控加工刀具轨迹的计算，使刀具按相邻 刀具轨迹加工时所形成的残留高度保持为常数。采用这种方法加工曲面，曲面 上所形成的刀痕高度处处相等，避免了走刀的冗余，大大提高了加工效率。通 过球形刀刀具轨迹的计算，在 Visual C++/OpenGL 环境下实现了刀具轨迹的三 维显示，结果表明迹线均匀分布在原叶片曲面的等距面上。 再次，对多坐标数控加工后置处理的特点进行了分析，结合四坐标数控机 床的结构特点研究了四坐标数控机床的后置处理算法。 最后，通过后置处理算法生成的数控加工程序，用 SLEXSLwIN 数控仿真 软件对叶片加工过程进行了仿真，并在三坐标数控机床上完成试验加工，验证 了相关算法的正确性。 关键词：叶片自由曲面非均匀 B 样条数控加工刀具轨迹生成
汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究
汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究发表时间：2019-01-03T15:14:41.037Z 来源：《基层建设》2018年第34期作者：曹志广[导读] 摘要：对于汽轮机，叶片事故是造成机组强迫停机的主要原因之一，因此，叶片强度和振动的研究受到国内外各大制造商和研究机构的重视，并已形成了叶片静强度和动强度的设计校准准则，但叶片事故仍时有发生。
中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨 150000摘要：对于汽轮机，叶片事故是造成机组强迫停机的主要原因之一，因此，叶片强度和振动的研究受到国内外各大制造商和研究机构的重视，并已形成了叶片静强度和动强度的设计校准准则，但叶片事故仍时有发生。
基于此，本文主要对汽轮机叶片疲劳寿命预测方法进行分析探讨。
关键词：汽轮机；叶片疲劳寿命；预测方法；研究1、前言随着大功率核电汽轮机的发展，末级叶片高度变得越来越长，离心力随之变大，枞树型叶根圆弧过渡区域有限元计算出的峰值应力已超过材料的屈服强度，针对叶根超屈服区域缺乏相应的安全评估标准。
为此，本文通过应用三维弹性有限元方法和Ｎｅｕｂｅｒ理论，建立了核电汽轮机长叶片低周疲劳寿命预测模型。
该模型综合考虑了尺寸因素、表面状态因素和微动磨损因素等对长叶片寿命的影响，为汽轮机叶片低周疲劳寿命的工程评估提供参考。
2、核电汽轮机长叶片启停机低周疲劳寿命评估方法疲劳破坏与传统的静强度破坏有着本质的区别，静强度破坏是一次最大载荷作用下的破坏，而疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏。
疲劳分析通常包括以下内容：载荷谱、材料疲劳相关数据和计算评估方法。
其中材料疲劳相关数据一般可以通过标准疲劳试样实验获得，因此正确分析载荷谱和采用合适的计算评估方法是疲劳计算重要的基础。
2.1叶片名义载荷谱的建立在汽轮机“启动－稳定运行－停机”过程中，若只考虑离心力的影响，叶片的受力情况可以用图1近似描述，即在汽轮机启动时，叶片不受离心力的作用；当汽轮机加速至额定转速并稳定运行时，叶片受力最大；最后在停机的过程中，随着转速减小，叶片所受离心力减小为0，叶片完成一次启停机循环。
复杂曲面薄壁叶片点铣加工弹性变形预测
复杂曲面薄壁叶片点铣加工弹性变形预测黄泽华;李建勇;樊文刚;马丽梅【摘要】针对复杂曲面薄壁叶片点铣加工刀位的特点,建立了平均铣削力预测模型,利用多因素正交试验法对铣削力系数进行了标定,并验证了该模型的正确性.在此基础上,考虑了铣削力与弹性变形之间的耦合效应,提出了复杂曲面薄壁叶片点铣加工过程中弹性变形量计算的迭代格式,并利用Matlab和Ansys集成实现了薄壁叶片在各刀触点处弹性变形量的计算.试验结果表明,弹性变形预测值与实际加工测量值之间的最大偏差为27.255 μm,最小偏差为2.001 μm,平均偏差为11.164 μm,预测结果与实际结果十分吻合.%According to the cutter location characteristics of complex surface thin-walled vane in ball end milling process, an empirical formula considering tool inclination angle of average cutting force is established. The undetermined coefficients are calibrated by orthogonal test, and then the validity of this empirical formula is verified with AdvantEdge software. Noting the coupling rela-tionship between cutting force and elastic deformation, and taking cutting depth, cutting width and tool inclination angle as the feedback variables, an iteration format for calculating elastic de-formation is suggested, by which the elastic deformation at each cutter contact point of a complex surface thin-walled vane is calculated combining Matalb and Ansys softwares. It is shown that the predicted and experimental results well coincide, the maximum deviation gets to 27. 255 μm, the minimum to 2. 001 μm and the average to 11. 164 μm.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2012(046)005【总页数】6页(P67-72)【关键词】复杂曲面;薄壁叶片;铣削力;弹性变形【作者】黄泽华;李建勇;樊文刚;马丽梅【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院 100044 北京;北京交通大学机械与电子控制工程学院 100044 北京;北京交通大学机械与电子控制工程学院100044 北京;北京交通大学机械与电子控制工程学院 100044 北京【正文语种】中文【中图分类】TH161薄壁叶片在数控铣削过程中易受到切削力作用发生弹性变形，进而产生加工误差.为了满足更高的性能要求，薄壁叶片通常被设计为复杂曲面形式，这使得其加工过程中铣削力预测和弹性变形量的计算难以实现，从而无法保证叶片的加工精度和质量.由铣削力引起的薄壁类零件产生弹性变形误差的问题，得到了国内外学者的广泛关注.例如，Ratchev等［1-5］针对直壁类薄壁件三轴侧铣加工过程，建立了一种自适应柔性力模型，并借助有限元技术对铣削力引起的工件弹性变形量进行了计算.梅中义等［6-7］以航空薄壁结构件（如航空弧形结构件和长梁）为研究对象，利用经验公式计算获得了铣削力，并利用刚性预测法对工件进行了弹性变形量计算，同时还考虑了残余应力和装夹布局对加工误差的影响.万敏等［8-9］针对薄壁件三轴侧铣加工弹性变形的预测及误差补偿问题进行了深入的研究，它包括对加工后表面形貌进行仿真、建立侧铣加工过程的铣削力与弹性变形量之间的迭代格式、对加工误差进行离线补偿等.武凯等［10-11］建立了瞬态铣削力模型，借助有限元方法分析了薄壁腹板的变形规律，并提出了大切深法和分步环切法对加工变形进行控制.张臣等［12］在只考虑刀具变形的情况下，对平板薄壁件进行了铣削加工弹性变形预测及误差补偿.目前，大多数文献均以直壁或框架类简单薄壁件三轴侧铣加工过程为研究对象，对工件或刀具弹性变形预测方法进行了较为深入的研究，而对复杂曲面类薄壁件多轴铣削加工过程弹性变形预测研究则相对较少.为此，本文以复杂曲面薄壁叶片为研究对象，提出了一种适用于五轴数控点铣加工过程的弹性变形预测方法.1 平均铣削力预测模型经验公式是一种描述平均铣削力的常用方法.目前，大多数铣削力经验公式以三轴铣削条件为前提，并没有考虑刀轴矢量变化对于铣削力的影响，而在多轴联动加工过程中，刀轴矢量不断变化也会使得刀具和工件之间的切削条件发生改变，因此常见的经验公式在描述多轴数控铣削加工过程的铣削力方面存在着不足之处.1.1 考虑刀轴倾角的平均铣削力经验公式复杂曲面薄壁叶片的加工通常采用五轴点铣的方法来完成，为了保证更好的气动性能，薄壁叶片点铣加工的刀位轨迹一般沿着气体流动方向进行规划.同时，为了使切削区域远离球头刀刀尖，进而避开球头刀刀尖切削速度为0的缺陷，将刀轴矢量放置于垂直进给方向的法截面上，并与刀触点处曲面法矢量有一定的倾斜角度，如图1所示.针对复杂曲面薄壁叶片点铣加工的刀位特点，考虑刀具倾角因素的铣削力为式中：ap为切削深度；vt为切削速度；f为进给速度；ae为切削宽度；C、b1～b5 为铣削力系数；ψ 为刀具倾角.1.2 铣削力系数的标定铣削力系数依赖于具体的加工条件，而由不同加工条件得到的铣削力系数则完全不同，因此在进行正交试验之前，需要给出工件、刀具的几何和材料参数信息.本文正交试验所采用的工件材料为AL2024，刀具为两刃高速钢球头刀，刀具直径D 为6mm，刀具前角α为10°，刀具螺旋角β为30°.根据式（1），可确定铣削力F的影响因素主要包括ap、vt、f、ae和ψ.根据实际加工中各个影响因素常用的取值范围，可确定各个影响因素的最大取值和最小取值.这里ap的最大取值为2mm，最小取值为0.5 mm；主轴转速n的最大取值为8000r／min，最小取值为2 000r／min；进给速度f 的最大取值为1000 mm／min，最小取值为200mm／min；ae的最大取值为3mm，最小取值为0.5mm；ψ的最大取值为80°，最小取值为10°.其中，铣削速度由n和D 决定，计算公式如下根据上述条件构造的正交表L16（45）如表1所示.按照表中16组试验过程进行铣削试验，选用长方体工件，规划2条相邻刀位轨迹与工件一条边界线平行，这2条刀位轨迹的行向间距即为切削宽度.当进行第2条刀轨切削时，记录一个刀具旋转周期的瞬时铣削力数据，并对瞬时铣削力数据进行采样求平均值，从而可获得各组试验中切削力的切向分力Ft、径向分力Fr和轴向分力Fa.图1 薄壁叶片点铣加工刀位示意图τ：刀具在刀触点处的切矢量；Β：叶片曲面在刀触点处的法矢量；l：刀轴矢量；b：副法矢量将式（1）取对数后转化为线性函数根据最小二乘法原理对式（4）求解，可得到铣削力系数，进而获得平均铣削力经验公式表1 切削力正交试验表试验编号 ap／mmvt／m·min-1f／mm·min-1 ae／mm ψ／（°） Ft／N Fr／N Fa／N 1 2.00 95.00 342.00 1.65 10 44.892 12.045 21.448 2 0.79 37.70 1000.00 1.65 20 160.793 40.947 62.624 3 1.26 37.70 342.00 0.91 40 67.290 20.679 34.773 4 0.50 95.00 1000.00 0.91 80 41.744 13.487 21.213 5 2.00 59.85 1000.00 0.50 80 41.880 13.609 20.635 6 0.79 150.80 342.00 0.50 40 8.723 2.622 4.588 7 1.26 150.80 1000.00 3.00 20 72.135 19.113 33.433 8 0.50 59.85 342.00 3.00 10 22.089 6.126 8.453 9 2.00 150.80 200.00 0.91 20 12.228 3.395 6.212 10 0.79 59.85 584.80 0.91 10 49.502 13.414 20.351 11 1.26 59.85 200.00 1.65 80 25.228 8.208 12.408 12 0.50 150.80 584.80 1.65 40 32.078 8.953 16.548 13 2.00 37.70 584.80 3.00 40 192.13972.498106.460 14 0.79 95.00 200.00 3.00 80 28.665 9.241 14.245 15 1.26 95.00 584.80 0.50 10 34.424 9.081 15.578 16 0.50 37.70 200.000.50 20 19.513 3.798 6.5751.3 铣削力模型验证以复杂曲面薄壁叶片实例的一条精加工刀位轨迹为例，提取该刀位轨迹对应的切削条件如下：刀具半径为3mm，切削厚度为0.5mm，主轴转速n为5000r／min （vt 为94.25m／min），进给速度为350mm／min；ψ随着刀位点位置的不同而不断变化，最大倾角为80°，（对应的刀位点在叶片进气口端），最小倾角为60°（对应的刀位点在叶片出气口端）.假设刀具倾角按照线性规律变化，即由60°线性变化至80°，切削宽度也随着刀位点位置的不同而不断变化，最大切削宽度为0.28mm（对应的刀位点在叶片进气口端），最小切削宽度为0.16mm，假设切削宽度也按照线性规律变化，即由0.16mm线性变化至0.28mm.按照刀位点顺序依次将切削条件带入到式（4）中，即可完成该条刀位轨迹加工过程中铣削力的预测.利用专业切削物理仿真软件AdvantEdge对预测结果进行验证.在AdvantEdge软件中，载入加工前的毛坯几何模型，设置机床类型和刀具参数，导入相应的数控加工程序，对该刀位轨迹加工过程中的铣削力进行计算.利用本文预测方法获得的铣削力及由AdvantEdge软件计算获得的铣削力的对比如图2所示.图2 铣削力预测的验证2 薄壁叶片弹性变形量计算2.1 铣削力与弹性变形迭代格式的建立铣削力引起的弹性变形计算方法可分为刚性变形预测法和柔性变形预测法两大类.刚性变形预测法是指不考虑铣削力和变形量之间的耦合关系，按照初始切削条件计算出的铣削力对变形量进行预测，而柔性变形预测法则考虑了铣削力和变形量之间的耦合关系，将变形引起的切削条件变化反馈到铣削力模型中，对最终的弹性变形量进行迭代计算.很多文献研究表明，柔性变形预测法更加符合实际情况，预测精度也更高，因此越来越多地被国内外学者采用.目前，大多数柔性变形预测方法只考虑了铣削力引起的切深因素的变化，进而对弹性变形量进行迭代计算，并多应用于薄壁框架类零件的三轴侧铣加工变形的预测.对于复杂曲面薄壁零件多轴点铣加工变形的预测，铣削力不仅会引起切深的变化，还会引起切宽、刀轴倾角的变化.因此，本文针对复杂曲面薄壁叶片点铣加工过程，提出一种将切削深度、切削宽度和刀轴倾角这3个因素作为反馈变量的弹性变形量迭代计算格式，即式中：ap（k）为第k次迭代的切削深度；ae（k）为第k次迭代的切削宽度；ψ（k）为第k次迭代的倾斜角度.如图3所示，根据复杂曲面薄壁叶片点铣加工过程中，发生弹性变形前、后的空间几何关系，得到切削深度、切削宽度和刀轴倾角3个反馈变量的计算公式如下式中：ap（1）、ae（1）分别为第1次迭代时的切削深度及宽度；ψ（1）为第1次迭代时的倾斜角度；δ（k）为第k次迭代计算获得的刀触点相对于理论刀触点的位置矢量；θ（k）为刀触点处的原始法矢量β（1）与第k次迭代后的法矢量β（k）间的夹角.2.2 薄壁叶片弹性变形预测实例图3 复杂曲面薄壁叶片变形的几何关系图以薄壁叶片精加工为例，双参数叶片曲面的刀位轨迹是沿着参数u向规划的，则沿着另一个参数v向可间隔选取4条刀位轨迹作为加工弹性变形预测的计算实例，在每条刀位轨迹上间隔选取10个刀触点，并在每个刀触点处对叶片进行弹性变形计算.被选取的刀触点在叶片曲面上的分布情况如图4所示.利用Matlab、Ansys集成，对薄壁叶片实例在每个刀触点处依次进行弹性变形量迭代计算，计算结果见表2.表2 各刀触点处弹性变形量的计算结果注：δj（j=1，2，3，4）表示v向第j个刀触点处的弹性变形量.刀触点序号δj／μm刀迹1 刀迹2 刀迹3 刀迹4 111.879 32.257 79.980 205.141 2 3.755 16.473 55.803 168.938 3 3.49412.459 49.676 142.201 4 2.558 10.073 35.170 102.084 5 2.228 7.26921.767 67.072 6 2.413 6.640 16.366 50.532 7 2.598 7.612 16.385 43.626 8 2.351 8.701 18.213 44.475 9 3.051 8.403 20.922 52.247 10 6.57625.645 57.705 101.406图4 刀触点在叶片曲面上的分布图各刀位轨迹对应的弹性变形量的预测结果如图5所示.从弹性变形预测中可以看出，薄壁叶片实例的弹性变形具有如下规律：①所有刀触点对应的弹性变量均会引起工件欠切误差；②距离叶根越近的刀触点处的弹性变形量越小，距离叶根越远的刀触点处的加工弹性变形量越大；③对同一条刀位轨迹，两端刀触点处的变形量大于中间刀触点处的变形量，且变形曲线呈U字型走势.图5 弹性变形预测结果3 试验验证通过实际加工及测量试验，对叶片实例弹性变形的预测精度进行了验证.在双转台式五轴数控机床上进行整体叶轮的加工试验，选取其中一个叶片作为试验样件，如图6a所示.利用三维扫描仪zS-napper对叶轮曲面进行数据测量，并对叶轮曲面进行了重构处理（见图6b）.图6 叶轮加工及叶轮曲面测量试验由于在实际测量叶片样件曲面边界过程中容易受到外界条件的干扰，因此选择叶片中间位置的曲面对叶片弹性变形预测的精度进行验证.叶片曲面双参数方向的取值范围：u向参数依次为0.3～0.9，间隔0.1；v向参数依次为0.3～0.9，间隔0.1.利用本文给出的弹性变形预测方法，计算叶片样件曲面参数网格交点处的加工误差预测值，如表3所示.在重构的叶轮曲面中提取出叶片样件曲面，并利用Imageware软件中点到曲面距离的计算功能，来获得加工后叶片样件曲面参数网格点到理论叶片曲面的距离.叶片样件曲面的加工误差实际值见表4.表3 叶片样件曲面加工误差预测值μm注：i表示u向的刀触点序号.i δ1 δ2 δ3 δ4 δ5 δ6 δ7 1 3.787 6.120 10.061 17.461 31.715 57.595 96.538 2 2.700 4.904 8.293 13.466 22.953 41.116 69.474 3 2.197 4.042 6.443 9.243 14.49426.30046.164 4 2.217 4.013 6.092 8.000 11.44720.19535.653 5 2.255 4.278 6.686 8.912 12.16219.37531.724 6 1.909 4.280 7.331 10.20813.797 20.732 32.138 7 2.626 4.499 6.926 10.00114.832 23.528 36.789表4 叶片样件曲面加工误差实际值μmi δ1 δ2 δ3 δ4 δ5 δ6 δ7 1 9.99113.743 20.817 32.28450.884 80.977123.793 2 8.186 14.205 21.672 28.078 36.524 55.739 89.602 3 5.857 11.727 17.604 20.473 23.242 34.763 58.959 4 4.724 8.997 13.256 15.108 17.122 26.727 47.109 5 4.256 11.624 19.788 23.329 23.326 27.359 39.341 6 5.532 10.392 16.288 21.506 26.96 36.234 50.938 7 13.317 17.593 22.145 26.354 30.892 37.718 47.689由叶片样件曲面弹性变形引起的加工误差的实际值、预测值的对比图如图7所示.按照参数网格交点对叶片样件曲面弹性变形的加工误差预测值、实际值之间的偏差进行计算，可得最大偏差值为27.255μm，最小偏差值为2.001μm，偏差平均值为11.164μm.由于弹性变形的加工误差的预测值与实际值十分相近，因此证明了本文方法的正确性和有效性.图7 叶片样件曲面加工误差的实际值和预测值对比S1：加工误差实际值；S2：加工误差预测值4 结论（1）本文针对复杂曲面薄壁叶片加工刀位的特点，建立了考虑刀具倾角的平均铣削力预测模型，并利用AdvantEdge软件对该模型的预测结果进行了验证试验.试验结果表明，铣削力预测结果与专业仿真软件的计算结果具有较好的一致性. （2）本文提出了一种将切削深度、切削宽度和刀轴倾角作为反馈变量的弹性变形量计算的迭代格式，利用Matlab和Ansys软件集成实现了针对薄壁叶片实例的各个刀触点处弹性变形量的计算，并利用实际加工和测量试验对预测结果进行了精度验证.试验结果表明，弹性变形的预测结果与实际加工结果有较高的一致性.【相关文献】［1］ RATCHEV S，LIU S，HUANG W，et ling error prediction and compensation in machining of low-rigidity parts ［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2004，44（15）：1629-1641.［2］ RATCHEV S，LIU S，HUANG W，et al.A flexible force model for end milling of low-rigidity parts［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，153／154：134-138.［3］ RATCHEV S，NIKOV S，MOUALEK I.Material removal simulation of peripheral milling of thin wall low-rigidity structures using FEA ［J］.Advances in Engineering Software，2004，35（8／9）：481-491.［4］ RATCHEV S，LIU S，BECKER A A.Error compensation strategy in milling flexiblethin-wall parts ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，162／163（15）：673-681.［5］ RATCHEV S，LIU S，HUANG W，et al.An advanced FEA based force induced error compensation strategy in milling ［J］.International Journal of Machine 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复合材料的汽轮机叶片三维建模及有限元分析
复合材料的汽轮机叶片三维建模及有限元分析摘要运用UG进行叶片的准确CAD三维建模，特别是叶身部分。
通过转换格式并导入patran中，进行复合材料叶片有限元分析，比较叶片各处的应力，可以为叶片的设计制造提供帮助和依据，并对于复合材料在叶片这一领域的应用具有重要意义。
关键词复合材料；汽轮叶片；有限元叶片是燃气轮机、汽轮机、水泵、水轮机以及各类飞机、船舶螺旋桨等机械设备中的关键零件和重要装置。
汽轮机叶片是一种复杂的三维空间曲面，无法运用直观有效的数学方程描述，致使设计、加工制造都有一定的难度，运用UG曲面造型功能对叶片进行CAD三维建模，并导入patran中，对复合材料的叶片进行有限元分析，比较叶片各处的应力，可以为叶片的设计制造提供帮助和依据，并对于复合材料在叶片这一领域的应用具有重要意义。
1 叶片材料的选用复合材料是由两种或多种性质不同的组分构成的材料。
材料的各组分具有不同的物理性质，组分间存在明显的界面，且复合材料的性质也明显不同于组分性质，其由增强组分和基体构成。
复合材料具有高比强度、比模量、各向异性、抗疲劳性好、减振性能好、可设计性强、加工成型方便、耐候性好、耐腐蚀等特点。
研究发现，叶片在运转时主要受拉压、弯曲、扭转等应力作用，此外叶片还受到激振作用。
众多叶片失效现象中，主要是疲劳失效、腐蚀开裂、塑性变形。
现在的叶片材料广泛采用镍铬的合金，并不能很好的适应各种工作环境，同时加工成型存在一定的难度。
结合复合材料的特点，可见复合材料对于应用在汽轮机叶片这个领域是具有很大潜力的。
现今风力发电机叶片的材料开始采用了复合材料，专家预测中国风力发电正在逐步进入高速发展期，复合材料的使用将不断增大。
对于汽轮机叶片这一领域的材料开发具有重要的启示作用。
碳纤维复合材料和高性能塑性树脂基复合材料以及氮化硅等陶瓷复合材料都适合作为叶片的材料。
高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重，其比重仅为钢的四分之一，而随着叶片重量的减轻，传动轴、平台等也可以轻量化，从而可整体降低汽轮机组的成本。
汽轮机薄壁叶片加工变形预测及误差补偿
汽轮机薄壁叶片加工变形预测及误差补偿
江敏;董久虎;何美蝶;唐天德
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】2022(56)8
【摘要】针对汽轮机薄壁叶片的加工过程进行简化,建立了叶片加工过程中的切削力模型,在此基础上借助ABAQUS有限元模拟软件对叶片加工变形进行分析,建立了叶片加工变形预测模型。
基于反向误差补偿原理,对叶片变形进行了误差补偿。
采用NURBS曲线理论对获取补偿后的叶片数据进行优化处理,重构叶片模型。
经验证,新构建的叶片模型能够有效减小误差,提高加工质量,为汽轮机薄壁叶片零件提高加工精度及降低变形量提供了一种可参考的误差补偿方法。
【总页数】6页(P147-152)
【作者】江敏;董久虎;何美蝶;唐天德
【作者单位】绵阳职业技术学院;丰田汽车技术中心(中国)有限公司;成都工具研究所有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG501.3;TH161.1
【相关文献】
1.薄壁叶片加工变形误差补偿技术
2.航空发动机薄壁叶片加工变形误差补偿技术研究
3.薄壁叶片加工变形模型预测与误差补偿
4.薄壁叶片侧铣变形误差补偿及刀位规划研究
5.汽轮机叶片薄壁曲面加工变形分析及切削参数选择
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整体叶轮五轴侧铣加工的铣削力预测模型研究
第！期2018年！月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing TechnitjueN o; Mar. 2018文章编号：1001 -2265(2018)0(-0094 -05 D01：10.13462/j.c n k i.mmtamt.2018.03.026整体叶轮五轴恻铣加工的铣削力预测模型研究！张家兴！，赖喜德！，张小俭2,代星2(1.西华大学能源与动力工程学院，成都610039;2.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074)摘要：为了对整体叶轮等复杂曲面的半精或精加工过程进行仿真和铣削力预测，提出了采用锥度球头铣刀五轴侧铣加工叶片型面的刀轴运动和铣削力计算模型。
将锥度球头铣刀沿刀轴方向分解成一定数量的微元，为每个微元创建独立的进给坐标系，并将各微元的总进给速度朝垂直刀轴和平行刀轴等两个方向进行分解，进而得到水平和垂直方向的进给量，由此精确建立微元的总切屑厚度模型。
通过斜角切削的正交实验计算相应的摩擦角、剪切应力和剪切角等参数，得到各微元被作用的铣削力，即可预测刀具和工件接触的总铣削力。
仿真计算和实验结果对比表明：所建立的铣削力预测模型仿真计算结果与实测一致性好，基本符合实际加工规律。
关键词：五轴侧铣；叶片；计算模型；铣削力预测中图分类号:T H166;TG659 文献标识码:AA Cutting Force Prediction Model for Five-axis Flank Milling of an Integral Im pellerZ H A N G J ia-x iiig1,L A I X i-d e1,Z H A N G X ia o-jia n2,D A I X iiig2(1.School o f E n e rg y a nd P ow er E n g in e e rin g,X ih u a U n iv e rs ity%C h e n g du 610039,C h in a；2. S chool o f Mc h a n ic a l S cience &E n g in e e rin g,H u a z lio n g U n iv e rs ity o f S cience a nd Te c h n o lo g y,W u h a n430074,C h in a)A b stra ct:T o o l m o v e m e n t m o d e l a nd m illin g fo rc e c a lc u la tio n m o d e l is p re se n te d fo r fiv e-a x is fla n kb la d e w ith ta p e re d,h e lic a l,b a ll-e nd m ills,a nd the n g e o m e tric a l s im u la tio n a n d m illin g fo rc e p re d ic tio n arec a rried o u t fo r the s e m i-fin is h in g o r fin is h in g p rocess of c o m p le x s u rfa ce such as in teg ra l im p e lle r.Th e c u tte r is d iv id e d a x ia lly in to a n u m b e r o f d e fe re n tia l e le m e n ts,e a d i w it li its o w n fe e d-c o o rd in a te to ta l v e lo c ity is s p lit in to h o riz o n ta l a nd v e rtic a l fe e d c o m p o n e n ts.I t can o b ta in th e h o riz o n ta l an d v e rti re c tio n o f th e fe e d,w h ic h a c c u ra te ly e s ta b lis h th e to ta l c h ip th ic k n e s s m o d e l.T h e c u ttin g fo rc e s f o r e a c li e le m e n t a e c a lc u la te d b y tra n s fo rm in g fr ic tio n a n g le,shear s tre s s,a nd shear a n g le fr o m an o rth o g o n a l c u ttin gdatabase to th e o b liq u e c u ttin g p la n e.T h e d is trib u te d c u ttin g lo a d is d ig ita lly s u m m e d to o b ta fo rc e s a c tin g o n th e c u tte r a n d b la d e.S im u la tio n a nd e x p e rim e n ta l re su lts s h o w th a t th e m a th o f m illin g fo rc e p re d ic tio n is b a s ic a lly a c c o rd e d w it li th e a c tu a l m a c h in in g r u le.K ey w o rd s：f^e-a x is f la n k m illin g；b la d e；c a lc u la tio n m o d e l；p re d ic tin g o f c u ttin g fo rce s〇引言叶片式流体机械（透平机械）在航空、航天、发电、汽车和军事工业中广泛应用。
基于汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究
基于汽轮机叶片疲劳寿命预测方法的研究摘要：汽轮机作为一种重要机械设备在航空航天、航海等诸多领域占据举足轻重地位，关系着整个机械运行可靠性与安全性。
预测和分析汽轮机叶片疲劳寿命，对提高叶片可靠性，延长叶片使用寿命具有重要意义。
由此，本文重点探讨了汽轮机叶片三维有限元应力特性，建立了三维有限元叶片疲劳寿命预测模型，分析了汽轮机叶片疲劳寿命预测方法，得出该叶片疲劳寿命的预测模型可以较好的分析出叶片疲劳寿命。
关键词：汽轮机叶片；疲劳寿命预测方法；三维有限元模型前言：不同于一般的机械元件，汽轮机叶片工作环境非常复杂恶劣，且叶片运行安全受多种因素影响，叶片安全事故时有发生。
一旦汽轮机叶片发生事故，不仅所需检修费占据了整个汽轮机检修费用的一半之多，而且事故严重还会造成巨大经济损失。
鉴于叶片疲劳断裂是造成汽轮机叶片事故的主要原因，因而对汽轮机叶片疲劳寿命进行分析预测至关重要。
1 汽轮机叶片三维有限元应力特性分析以燃气汽轮机涡轮叶片为例，对汽轮机叶片三维有限元应力特性进行分析，并进行叶片疲劳寿命预测模型建立与计算。
1.1三维几何模型和有限元模型的建立三维几何模型的建立需要构建三维空间坐标系，用以将汽轮机叶片三维应力矩阵和应变矩阵表示出来，进而找出三维应力与应变之间的关系[1]。
三维应力矩阵与应变矩阵公式如下，式中T为单元节点温度，ε为三维应力矩阵，σ为三维应变矩阵。
采用10节点二次四面体三维等参单元在直角坐标系与自然坐标系下对汽轮机叶片有限元应力应变进行计算和分析。
根据三维等参单元的几何特点，采用的自然坐标系为体积坐标。
假设等参单元内任一点体积坐标为（L1，L2，L3，L4），且有L1+L2+L3+L4=1，则能求出10节点等参单元位移函数。
根据上述所得函数与坐标公式，可以求出10节点三维等参单元应变矩阵的几何方程为。
式中，B为三维单元的矩阵形式，它反映的是单元中节点位移与任一点应变之间的关系，而三维单元的应力矩阵反映的是单元节点位移与任一点应力之间的关系。
基于密切曲率法的汽轮机叶片数控加工
基于密切曲率法的汽轮机叶片数控加工摘要：随着数控技术的发展，数控机床已用于加工各种复杂叶片，目前，叶片加工一般采用球头铣刀、鼓形铣刀或平底铣刀来完成。
在切削过程中，形成条形包络面，由于在垂直于进给方向的法截面上，条形包络面的法曲率无法随被加工曲面的几何形状而改变，为了避免在某些部位发生干涉，刀具半径一般取得较小。
这样为获得较高的加工精度，刀具轨迹必须密集，加工效率大大降低。
为提高其加工效率，采用密切曲率法，即采用内锥盘形铣刀，在每一次行程中，使刀具轴线绕工件的旋转轴线按特殊的规律摆动，使得在垂直于进给方向的法截面中，刀尖轨迹的包络面的法截线与理论曲面的法截线具有相同的曲率，从而使每一行程中刀尖轨迹的包络面都成为理论曲面的密切曲面，采用这种方法，可以在保持精度不变的前提下，使实际行程次数得以大幅度地减少。
关键词：基于密切曲率法；汽轮机叶片；数控加工1、叶片数学模型的建立叶片的设计数据一般由不同截面的一系列型值坐标点构成，每个截面由不同半径的圆弧组成。
在进行曲线或曲面拟合时，目前普遍采用的自由曲线数学模型有COONS曲线(曲面)、BEZIER曲线(曲面)、NURBS曲线(曲面)。
NURBS曲面由于采用统一的数据结构和求值算法，同时控制点和权因子的引入为曲线(曲面)的表示提供了更大的灵活性，局部改变控制点或权因子可以调整局部的曲线(曲面)形状，而不影响其它部分。
因此，采用混合幂次(2×3次)的NURBS方法建立叶片的数学模型，可精确表示每一个截面的圆弧曲线，又可使纵向达到C1、C2的连续。
1.1 NURBS曲面表达式k×l幂次NURBS曲面的方程表示为一分段有理多项式矢函数:(1)式中，di，j，i=0，1，…m，j=0，1，…n构成网格控制点;wi，j是与顶点di，j相联系的权因子;Bi，k(u)，i=0，1，…m和Bj，l(v)，j=0，1，…n分别为u向k次和v向l次的B样条基函数。
汽轮机静叶片出汽边铣削力模型分析
汽轮 机 静 叶 片出汽 边 铣 削力模 型 分析
江敏 ，谌永祥 ，李双跃 ，曾岳飞 ，董久虎
（ 西 南科 技 大学制 造科 学与 工程 学院 ，四川 绵 阳 ６ ２ １ ０ １ ０ ）
摘要 ：汽轮机静 叶片汽道出汽边 加工变形 是影 响加工 质量 的关 键 。分析 汽轮机 静 叶片加工 过程 中出汽边 薄壁部 分变 形 ，结合静叶片出汽边 的加工工艺 ，研究球头铣刀在 出汽边铣削 中的几何加工特征 ，构建其铣削力模 型。在 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ环境
基于LS-SVM的汽轮机叶片高速铣削表面质量预测建模
基于LS-SVM的汽轮机叶片高速铣削表面质量预测建模谢小正;赵荣珍;陈惠贤【摘要】针对汽轮机叶片高速铣削加工中存在的表面质量不易控制问题,借助最小二乘支持向量机原理,建立了被加工不锈钢叶片表面的粗糙度预测模型.实验结果表明,该模型能方便地预测切削速度、主轴转速、进给量、铣削宽度等铣削参数对铣削加工工件表面粗糙度的影响,并能利用有限的实验数据得出整个工作范围内的表面粗糙度预测值,模型适合于表面粗糙度预测,回归预测精度高.【期刊名称】《机械制造》【年(卷),期】2012(050)010【总页数】4页(P73-76)【关键词】表面质量;预测模型;最小二乘支持向量机;高速铣削【作者】谢小正;赵荣珍;陈惠贤【作者单位】兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州730050;兰州理工大学机电工程学院兰州 730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州 730050;兰州理工大学机电工程学院兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州730050;兰州理工大学机电工程学院兰州 730050【正文语种】中文【中图分类】TH161+.14叶片是汽轮机将蒸汽动能转换为转子机械能的关键部件，其设计和制造水平很大程度上决定着汽轮机的性能。
从材料来看，2Cr13不锈钢在淬火状态下硬度高，耐蚀性良好，常用作汽轮机叶片材料［1］，但是不锈钢叶片高速铣削属于典型的难加工材料复杂曲面精密加工。
由于叶片形状复杂、尺寸跨度大、受力恶劣、承载大且又在高温高压和高速状态下运转，因此当叶片表面质量不高时会严重影响汽轮机的动力学性能；另外叶片榫槽表面质量低时产生的振动、冲击会严重影响汽轮机整机使用性能，因此提高叶片表面及叶片榫槽表面质量对提高汽轮机的性能至关重要。
目前汽轮机叶片的加工设备可以保障尺寸精度与技术条件要求，但是表征表面质量的重要指标表面粗糙度却因切削参数等诸多因素的影响而不易控制。
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汽轮机叶片曲面加工铣削力预测模型研究
发表时间：2018-11-13T20:10:30.447Z 来源：《电力设备》2018年第20期作者：王昌军
[导读] 摘要：汽轮机叶片是透平机械中起导流和能量转化作用的重要叶片类零件，文章针对汽轮机叶片曲面的加工特点,建立了铣削力模型,并从瞬时切削厚度的角度分析了数控工艺参数对铣削力模型的影响。
（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨 150046）
摘要：汽轮机叶片是透平机械中起导流和能量转化作用的重要叶片类零件，文章针对汽轮机叶片曲面的加工特点,建立了铣削力模型,并从瞬时切削厚度的角度分析了数控工艺参数对铣削力模型的影响。
运用汽轮机叶片铣削加工实验进一步验证了铣削力模型和金属切削有限元模拟模型的有效性。
关键词：叶片曲面；铣削力模型；数控工艺
一、汽轮机叶片曲面加工变形预测
直接分析复杂的铣削过程有一定的难度，简化处理过程更容易实现对加工变形有限元模拟，假设铣削过程是单齿切削，也就是说，在加工过程中的任意时刻，刀具齿与工件接触的次数始终是一颗齿轮。
铣削加工的过程中，刀具和工件从刀具切削力在叶片加工过程的接触面之间模拟这种情况，通过螺旋力的应用和材料的去除，可以更好地模拟铣削过程，获得叶片的加工变形。
球头铣刀加工瞬态芯片厚度在不断变化，许多学者为了有效模拟切削力加载，把芯片厚度简化为固定值，为了能够建立一个更精确的切削过程有限元模型，仍把切削过程看作瞬时芯片厚度不断改变的材料去除过程，刀具去除工件材料是沿着路径轨迹进行去除工作的。
切削力沿滚珠铣刀的螺旋边缘加载，实现叶片表面的更精确变形分析。
有限元模型中材料的去除过程，在加工仿真过程中使用一样的球头铣刀直径筒和叶片工件的布尔运算，刀具沿进给方向移动，每次进行移动时就进行一次布尔运算，一直循环直到完整的材料去除。
二、汽轮机叶片曲面加工特点
汽轮机叶片汽道由复杂的NURBS曲线拟合而成,加工过程中使用的是广泛用于加工自由曲面的球头铣刀。
叶片曲面加工过程中,沿着刀具轴向刀刃,瞬时切削厚度不断变化。
瞬时切削厚度对切削力的大小起着决定性的作用。
三、汽轮机叶片的加工过程
1、叶片加工时的变形问题
由于汽轮机叶片边缘较薄，在铣削过程中切削力的作用下，产生较大的加工变形，加工变形是不可避免的，会使得加工精度和表面质量受到严重影响，造成较高的废品率。
在叶片的受力变形和研究过程中，大量的试验要求引起了高成本的研究，增加了实验研究的昂贵的制造加工费用，所以有必要探索一种新的方法来实现铣削过程的真正再现。
建立接近实际加工状态的切削力预测模型，能够较有效地预测叶片曲面的变形量，进而优化切削参数以对其加工变形进行控制。
建立接近实际加工状态的切削力预测模型,能够较有效地预测叶片曲面的变形量,进而优化切削参数以对其加工变形进行控制。
谢小正就汽轮机叶片铣削加工中存在的变形不易控制的问题,借助最小二乘支持向量机原理,建立了被加工不锈钢叶片表面的粗糙度预测模型。
目前,国内外对于汽轮机叶片曲面的加工人为因素占较大比重,还不存在一个较为全面、可供参照的工艺参数设置来调节铣削力,建立它们之间相互关系的铣削力模型,实现从过程描述向过程预测发展,从静态预测向动态预测发展。
2、叶片加工中人为因素的影响
目前，国内外对于汽轮机叶片曲面的加工人为因素占较大比重，还不存在一个较为全面、可供参照的工艺参数设置来调节铣削力，建立它们之间相互关系的铣削力模型，实现从过程汽轮机叶片汽道由复杂的NURBS曲线拟合而成，加工过程中使用的是广泛用于加工自由曲面的球头铣刀。
叶片曲面加工过程中，沿着刀具轴向刀刃，瞬时切削厚度不断变化。
瞬时切削厚度对切削力的大小起着决定性的作用。
同时，随着刀具的运动，刀具主轴与叶片法向之间的夹角发生变化，研究汽轮机叶片汽道型线曲率的变化，考虑刀具加工倾角对切削力的影响是必需的。
切屑的形成是三维塑性变形过程，过去很多学者也做了不少研究，但都没有把影响瞬时切削厚度的各因素考虑周全。
不同刀具不同切削加工方法，切削力计算模型也就不同。
3、叶片曲面加工铣削力模型困难
汽轮机叶片曲面在加工过程中，随着走刀的进行，每齿进给量的水平投影发生了变化，同时当前切削刃微元段切除的不是上一微元段留下的材料置的切削半径发生了变化，汽轮机叶片在铣削过程中，铣刀沿着叶片式蒸汽路进行插补，汽轮机叶片型线是由复杂的有理b样条曲线拟合。
但是在走刀过程中，切割的刀工具走的是一条直线，也就是步长。
切割面积大小对切削力有极其重要的影响，为了更准确地计算切削力，在微元的总切削面积范围内，然后得到单位微力的力，可以得到力的空间分布。
4、利用金属切削有限元技术解决仿真技术
切削过程的仿真技术非常复杂，一些关键的技术环节对切割仿真的成功有着至关重要的影响。
针对汽轮机薄叶片加工变形的问题，在有限元分析的基础上，显示解决方案模块，并提出了薄叶片涡轮铣削过程仿真模型，同时在进行仿真模型的过程中，提出了材料的摩擦模型，芯片分离标准，删除单元技术，任意拉格朗日欧拉法研究的关键技术进行分析研究，得到了更合理的仿真结果。
球头铣刀切削微元的瞬时切削厚度是决定铣削力大小和方向的另一关键参数。
瞬时切削厚度实际上是当前刀齿的切削路径和前一刀齿的切削路径在切削位置角的径向距离。
四、汽轮机叶片的材料选择
汽轮机叶片材质利用ICrl3、ZCrz3等，含有Mo、W、Nb、B、Ni等强化元素的12%一13%Cr钢，有良好的抗振性能和抗腐化性能，成为汽轮机叶片的重要材质，在某些工作温度400℃和需求抗腐化性不高的过热区工作的叶片，能用一些高合金钢制造叶片以高落造价，比如说是ZoerMo、ZsMnZv及15MnMoVCu等。
在湿蒸汽区工作的叶片用抗腐化性高的不锈钢，利用温度的进步及叶片尺寸的利用有更高高温强度或者强度的叶片用钢材质。
Icr13、2Cr13等用于工作温度簇45℃叶片。
温度跨越500℃，需在ICr13型的基础上，参加多元合金元素Mo、W、Nb、B、Ni等强化的钢。
汽轮机叶片表面处理材料选择模型的热弹塑性本构模型、摩擦模型点球摩擦模型、切削过程有限元模拟的有限元软件ABAQUS显式支持ALE方法，在结合物理分离准则来实现仿真的过程中，汽轮机叶片薄处理芯片分离关闭。
对材料失败状态初始定义，采用J-Cdamage层
分离单元删除删除相应的故障单元，实现芯片的分离和工件，并提出一种特殊的方法治疗芯片来控制大变形，这种方法结合了ALE方法，芯片端增加材料和倾斜网格的优点。
结论
从铣削力预测模型可以看出，决定铣削力大小的因素有很多。
球头铣刀切削微元的瞬时切削厚度是决定铣削力大小和方向的另一关键参数。
瞬时切削厚度实际上是当前刀齿的切削路径和前一刀齿的切削路径在切削位置角的径向距离。
在铣削加工中，切削微元的瞬时切削厚度是刀具进给速度和切削位置角的函数。
另外，刀具切削系统的变形，进给方向和大小，加工倾角的变化都在影响着瞬时未变形切削厚度的大小。
而采用各齿（主轴转速、进料、切削深度、切割宽度）汽轮机叶片铣削试验的最优切削参数，采用合理的设定方式，预防汽轮机叶片的加工变形，废品率显著降低。
所以本文对汽轮机叶片变形预测的预测方法是可行的。
参考文献
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