CN101840457A - 大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法 - Google Patents

Abstract

一种机械切削技术领域的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，包括以下步骤：取枞树型铣刀轮廓形线上若干离散点作为检测点，得到使用标准整体式圆柱立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度；采用微元建模方法，得到各检测点的有限元模拟的残余应力；进行标准切削实验，采用X射线衍射法与腐蚀方法测量残余应力，对等效的二维正交切削有限元模型进行修正；利用修正后的仿真模型对其他离散点进行仿真，得到每个离散点的残余应力，从而拟合得到整体叶根轮槽型面的残余应力场分布。本发明针对轮槽复杂型面加工，减少后续滚压处理次数，大大提高了生产效率，并降低了滚压工具的消耗成本。

Description

大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械切削技术领域的方法，具体是一种大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法。

背景技术

转子轮槽是连接汽轮机转子主轴和叶片的部位，在汽轮机开机与停机过程中不仅承受来自汽轮机室内温差产生的交变热应力作用，同时还承受叶片对轮槽表面交变拉伸与压缩应力的作用，1000MW超临界汽轮机转子轮槽工作环境为高温、高压且有水蒸气存在，轮槽承载大，轮槽的残余应力状态对轮槽寿命至关重要，要求末级轮槽根部距表层0.5mm(毫米)处具有300MPa(兆帕)残余压应力状态。由于1000MW超临界汽轮机转子轮槽加工工艺和刀具都比较复杂，影响因素较多，且轮槽几何形状复杂，因而增加了其表层残余应力定量评估的难度。

现有的技术都集中在残余应力的实验检测上，很少涉及通过理论方法得到残余应力。汽轮机轮槽的铣削残余应力的仿真比较复杂：首先体现在有限元模型边界条件的确定上，轮槽铣刀为枞树型铣刀，切削刃为连续型曲线刃，切削刃上每一点的切削参数都不一样，需要建立起逐一的等效切削参数模型；相对于车削的等厚度切削模型，轮槽铣削模型由于铣刀的切入、切出，瞬时切削厚度一直在发生变化，由此引起有限元模型中不均匀的几何边界条件，对网格的划分特别是网格的自适用带来挑战。

在加工过程中进行残余应力的测量是不现实的，残余应力的测量属于破坏性测量，特别是为了获得沿层深方向的残余应力分布时。为了获得工艺要求的残余应力分布，生产现场通常做法是：根据经验选用切削用量加工零件、取样测量残余应力、与工艺要求进行比较、如不符合要求则重复上述过程。显然在汽轮机轮槽加工过程中按照以上的技术路线来获得理想的残余应力是不现实的，昂贵的材料费用决定了必须依靠理论的方法获得残余应力层的分布来指导生产现场。实际上，具体到超超临界汽轮机转子轮槽的加工，为了获得轮槽加工表面以下0.5mm深处300MPa的残余压应力，在铣削过后进行滚压工艺。滚压过程能够引入残余应力，但是滚压参数及滚压次数却需要多次试验才能确定。

经对现有文献检索，至今未发现对1000MW超临界汽轮机转子轮槽大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法。本发明对1000MW超临界汽轮机转子轮槽采用先离散后拟合的方法得出了转子轮槽整个已加工表面层的残余应力分布，并可以通过改变仿真的边界条件优化残余应力场，从而为实际生产加工提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步，分别取枞树型铣刀轮廓形线上轮槽根部、中部和顶部的若干离散点作为检测点，采用等效切削速度、等效切削厚度和等效每齿进给量的原则，得到使用标准整体式圆柱立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度。

所述的等效切削速度，是：

其中：

n_圆是等效切削速度，n_枞是枞树型铣刀转速，d_枞是枞树型铣刀直径，d_圆是圆柱立铣刀直径，v是刀具轮廓取样点线速度。

所述的等效切削厚度，是：

a_c＝f_z·sinθ，

其中：

a_c是等效切削厚度，f_z是每齿进给量，θ是枞数型铣刀接触角度，a_e枞是枞数型铣刀侧吃刀量，d_圆是圆柱立铣刀直径。

所述的等效进给速度，是：

v_f＝f_z·z·n_圆/60，

其中：v_f是等效进给速度，f_z为每齿进给量，z为标准圆柱铣刀的齿数，n_圆为等效切削速度。

第二步，采用微元建模方法，以第一步得到的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度作为边界条件建立轮槽型面上各检测点的等效二维正交切削模型，确定等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分、载荷施加量、铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层，进而得到各检测点的有限元模拟的残余应力。

所述的工件材料采用Johnson-Cook(杰森-库克)本构模型模拟得到。

所述的刀具与工件材料的摩擦力是采用库伦摩擦定律进行模拟得到的。

所述的网格划分，是：刀-屑接触区域网格为欧拉区域，其他区域为拉格朗日区域。

第三步，采用与等效二维正交切削模型中的刀具相同的铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层的标准螺旋铣刀，在等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度下进行标准切削实验，实验结束后进行t时间的残余应力释放过程，利用线切割方法进行取样，采用X射线衍射法与腐蚀方法测量残余应力，以实验测量所得的残余应力对等效的二维正交切削有限元模型进行修正，得到修正后的仿真模型。

所述的修正是通过调整等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分和载荷施加量使得有限元模拟的残余应力和实验测量所得的残余应力的差值小于阈值T。

第四步，利用修正后的仿真模型对叶根轮槽型面上除检测点外的其他离散点进行仿真，得到每个离散点的残余应力，从而拟合得到整体叶根轮槽型面的残余应力场分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对轮槽复杂型面加工，通过有限元仿真技术与实验相结合的方法，拟合出整个叶根轮槽型面的残余应力场分布，为刀具的设计、切削参数的匹配提供指导，在切削过程中引入残余压应力，减少后续滚压处理次数，大大提高了生产效率，并降低了滚压工具的消耗成本。

附图说明

图1为实施例的检测点示意图；

图2为实施例的等效二维正交切削模型示意图；

图3为实施例的叶根轮槽型面残余应力场分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的方法进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例中采用直径为80mm的枞树型铣刀加工轮槽，轮槽的残余应力场的重构具体包括以下步骤：

第一步，分别取枞树型铣刀轮廓形线上轮槽根部、中部和顶部的若干离散点作为检测点，采用等效切削速度、等效切削厚度和等效每齿进给量的原则，得到使用标准整体式圆柱立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度。

所述的等效切削速度，是：

其中：

n_圆是等效切削速度，n_枞是枞树型铣刀转速，d_枞是枞树型铣刀直径，d_圆是圆柱立铣刀直径，v是刀具轮廓取样点线速度。

所述的等效切削厚度，是：

a_c＝f_z·sinθ，

其中：

a_c是等效切削厚度，f_z是每齿进给量，θ是枞数型铣刀接触角度，a_e枞是枞数型铣刀侧吃刀量，d_圆是圆柱立铣刀直径。

所述的等效进给速度，是：

v_f＝f_z·z·n_圆/60

其中：v_f是等效进给速度，f_z为每齿进给量，z为标准圆柱铣刀的齿数，n_圆为等效切削速度。

如图1所示，本实施例取枞树型铣刀轮廓形线上A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K和L共12个不同位置离散点作为检测点，标准圆柱铣刀的直径为12mm。

第二步，采用微元建模方法，以第一步得到的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度作为边界条件建立轮槽型面上各检测点的等效二维正交切削模型，确定等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分、载荷施加量、铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层，进而得到各检测点的有限元模拟的残余应力。

所述的工件材料采用Johnson-Cook本构模型模拟得到。

所述的刀具与工件材料的摩擦力，是采用库伦摩擦定律进行模拟得到的，其中需要进一步确定刀具与工件材料的比热容、刀具与工件的热导率以及刀具与工件之间的热辐射系数。

所述的网格划分，是：刀-屑接触区域网格为欧拉区域，其他区域为拉格朗日区域。

本实施例中刀具为完全刚性，运动载荷加载在刀具上，刀具前进过程中材料发生变形并从刀尖处实现自动分离，一部分材料沿前刀面流出形成切屑，另一部分则沿后刀面方向形成已加工表面。切削过程结束后，刀具退刀，工件卸载并冷却至室温。这个过程让已加工表面进行弹性回弹，并通过定义工件材料与周围空气介质的热辐射系数来实现热应力释放，残余应力的释放以工件材料冷却到室温视为结束，最终得到已加工表面层的残余应力分布。

本实施例得到的等效二维正交切削模型如图2所示。

第三步，采用与等效二维正交切削模型中的刀具相同的铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层的标准螺旋铣刀，在等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度下进行标准切削实验，实验结束后进行t时间的残余应力释放过程，利用线切割方法进行取样，采用X射线衍射法与腐蚀方法测量残余应力，以实验测量所得的残余应力对等效的二维正交切削有限元模型进行修正，得到修正后的仿真模型。

所述的X射线衍射法是晶体物质晶面间距与入射波长和最大波峰衍射角之间存在着以下定量关系，即布拉格定律：2d sinθ＝λ，其中：d为晶体的晶面间距，λ为入射X射线波长，θ为最大波峰衍射角。当晶体的晶面间距在受应力σ下发生变化时，由测角仪测量θ的变化，就可以得到晶面间距变化或应变Δd，继而由物质模量得到物体所受应力。

所述的腐蚀方法是逐层腐蚀，对不同的工件材料用不同的腐蚀剂进行腐蚀，从而得到不同深度的新表面，对新的表面再采用X射线衍射法测量残余应力，最终就得到了已加工表层沿深度方向的残余应力分布。

所述的修正是通过调整等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分和载荷施加量使得有限元模拟的残余应力和实验测量所得的残余应力的差值小于阈值T。

本实施例中T＝20MPa。

第四步，利用修正后的仿真模型对叶根轮槽型面上除检测点外的其他离散点进行仿真，得到每个离散点的残余应力，从而拟合得到整体叶根轮槽型面的残余应力场分布。

本实施例得到的残余应力场的分布图如图3所示，其中1、2、3、…、12分别对应离散点A、B、C、…、L，由该图可知叶根轮槽型面上各个离散点在各个深度的残余应力。

采用本实施例方法，当铣削刀具增加刃带、铣削参数、滚压参数以及滚压次数发生改变时，都能够通过计算机模拟出相应的应力场分布，从而节省了大量的实验、降低了生产成本，提高了生产效率。现有技术中轮槽加工带有相当大的盲目性，铣削参数与铣削刀具的选取缺乏针对性，滚压压力与滚压次数完全靠操作人员的经验来确定。本实施例方法单位时间材料去除率大约为现有工艺的1.5倍，滚压次数由现有的7次减小到4次，极大地缩短了加工时间并降低了生产成本。

Claims (8)

1.一种大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，分别取枞树型铣刀轮廓形线上轮槽根部、中部和顶部的若干离散点作为检测点，采用等效切削速度、等效切削厚度、等效每齿进给量的原则，得到使用标准整体式圆柱立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度；

第二步，采用微元建模方法，以第一步得到的等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度作为边界条件建立轮槽型面上各检测点的等效二维正交切削模型，确定等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分、载荷施加量、铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层，进而得到各检测点的有限元模拟的残余应力；

第三步，采用与等效二维正交切削模型中的刀具相同的铣刀几何角度、切削刃钝圆半径和涂层的标准螺旋铣刀，在等效切削速度、等效切削厚度以及等效进给速度下进行标准切削实验，实验结束后进行t时间的残余应力释放过程，利用线切割方法进行取样，采用X射线衍射法与腐蚀方法测量残余应力，以实验测量所得的残余应力对等效的二维正交切削有限元模型进行修正，得到修正后的仿真模型；

第四步，利用修正后的仿真模型对叶根轮槽型面上除检测点外的其他离散点进行仿真，得到每个离散点的残余应力，从而拟合得到整体叶根轮槽型面的残余应力场分布。

2.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的等效切削速度，是：

其中：

n_圆是等效切削速度，n_枞是枞树型铣刀转速，d_枞是枞树型铣刀直径，d_圆是圆柱立铣刀直径，v是刀具轮廓取样点线速度。

3.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的等效切削厚度是：

a_c＝f_z·sinθ，

其中：

a_c是等效切削厚度，f_z是每齿进给量，θ是枞数型铣刀接触角度，a_e枞是枞数型铣刀侧吃刀量，d_圆是圆柱立铣刀直径。

4.根据权利要求1或2所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的等效进给速度，是：

v_f＝f_z·z·n_圆/60，

其中：v_f是等效进给速度，f_z为每齿进给量，z为标准圆柱铣刀的齿数，n_圆为等效切削速度。

5.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的工件材料采用Johnson-Cook本构模型模拟得到。

6.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的刀具与工件材料的摩擦力是采用库伦摩擦定律进行模拟得到的。

7.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的网格划分是：刀-屑接触区域网格为欧拉区域，其他区域为拉格朗日区域。

8.根据权利要求1所述的大尺寸枞树型叶根轮槽型面残余应力场重构的方法，其特征是，所述的修正是通过调整等效二维正交切削模型中的工件材料、刀具与工件材料的摩擦力、网格划分和载荷施加量使得有限元模拟的残余应力和实验测量所得的残余应力的差值小于阈值T。

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