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常规转子轮槽铣刀铣削力的有限元分析及优化

发表时间：2020/11/11 来源：《基层建设》2020年第21期作者：杨婷

[导读] 摘要：针对笔者所在公司研究的常规汽轮机转子轮槽铣削加工过程中工艺参数难以确定的问题，利用有限元软件建立铣削仿真模型，模拟分析转子轮槽铣削过程中的切削力，并结合正交试验的方法，设计不同切削用量不同水平的正交试验表，研究铣削速度、进给量、背吃刀量对切削力的影响规律。

        东方电气集团东方汽轮机有限公司四川德阳 618000
        摘要：针对笔者所在公司研究的常规汽轮机转子轮槽铣削加工过程中工艺参数难以确定的问题，利用有限元软件建立铣削仿真模型，模拟分析转子轮槽铣削过程中的切削力，并结合正交试验的方法，设计不同切削用量不同水平的正交试验表，研究铣削速度、进给量、背吃刀量对切削力的影响规律。以铣削过程中的切削力的大小为优化目标，通过极差及方差分析获得最优参数组合，并将最优参数组合切削力仿真值与理论值进行对比分析，以验证有限元数值模拟应用于轮槽铣刀铣削过程的可行性，对汽轮机转子轮槽铣削加工过程参数的优化具有一定的参考价值。
        关键词：常规转子；铣削；有限元分析；优化
        1 引言
        汽轮机转子是汽轮机的关键零部件，其在运转过程中受力复杂，需要具备足够的强度及刚度，并且时刻处于高温高压下，工作环境恶劣。由于动叶片是精密零部件，因此在设计转子轮槽时，对尺寸公差及表面粗糙度等都有较高的要求，其加工质量的好坏将直接影响汽轮机转子与动叶片的连接精度。而轮槽的加工精度及表面质量受切削热的影响，切削热的产生与切削力有直接的关系。因此，通过转子轮槽铣削过程中切削力的研究对轮槽质量的提高具有十分重要的意义。传统的工艺参数优化普遍采用经验试错法，耗时费财，随着有限元技术的发展，数值模拟在切削试验中得到了广泛的应用。应用DEFORM-3D 对轮槽铣刀加工轮槽的过程进行了仿真，分析其切削力，并结合正交试验，设计不同切削用量不同水平的正交试验表，以获得最优参数。
        2 有限元模型建立
        2.1 轮槽铣刀及分析模型的建立
        轮槽在铣削加工过程中影响因素较多，刀具不仅伴随有磨损，表面也因与切屑摩擦而产生大量的切削热，基于此，建立一个完整的分析模型是极其困难的。因此，在不影响整个模拟结果准确性的前提下，对工件及铣刀的几何形状进行简化[4]。选取轮槽铣刀的单齿切削刃作为研究对象，将转子轮槽的整体铣削简化成单齿切削刃的平面铣削。
        2.2 材料模型建立及网格划分
        本构关系是保证有限元数值模拟准确性的重要因素之一[5]。建立一个在高应变率下能反应材料特性的模型是确保仿真模拟结果正确性的先决条件。选择Johnson-Cook材料本构模型来描述工件材料的力学行为，J-C 材料模型是一种刚塑性强化模型，其通过变量乘积关系来量化温度、应变以及应变率的变化[6]，此模型与实际切削状态相吻合。具体的表述式如下：
        σ=（A+Bε - n ）[1+Cln（ε -/ε . 0）][1-（T*） m ] （1）
        T*=（T-Tr ）（/ Tm -Tr ）（2）
        式中：A—屈服强度；B—应变硬化系数；C—应变率硬化系数；m— 热软化系数；ε -—有效塑性应变率；ε . 0—参考塑性应变率，一般取ε . 0 =1s-1；T*—量纲（温度）；T—环境温度；Tr—参考温度；Tm—熔点温度。
        汽轮机转子的材料为 26NiCrMov145，属于低合金结构钢，设为弹塑性体，划分为 40000 个网格，切削部位采用网格局部细化，以缩短仿真时间，提高模拟的精度。刀具材料为 M42 ，划分为 25000 个网格。材料的热膨胀系数、杨氏模量、泊松比等通过实验测定。
        3 基于正交试验的铣削仿真试验及结果分析
        3.1 正交试验方案设计
        铣削过程中存在着多种对切削力有不同程度的影响因素，比如切削用量、刀具的几何特征参数、切削液的选择以及工件材料及刀具材料的选择等[7]。主要分析切削用量对切削力的影响情况，因此设置切削速度vc，进给量f以及背吃刀量ap为试验因素，并在合适的范围内选取不同的4个水平量，正交试验因素水平表
        3.2 正交试验结果
        根据上述确定的正交试验方案进行模拟结果分析，以铣削过程中的切削力作为优化目标，仿真试验结果，如表2所示。

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        3.3 切削力极差分析
        极差分析反映的是各影响因素对目标结果的重要程度，直观、形象，极差数值越大表明该因素越重要。从数据反馈可知，各因素对切削力影响程度最大的是背吃刀量，其次是进给量，影响程度最小的是切削速度。对各因素仿真结果做均值分析处理之后可知，当轮槽铣刀的切削速度为700m/min时，切削力最小，为422.925N，当切削速度为500m/min 时，切削力最大，为477.725N；当进给量为0.8mm/r时，切削力最小，为359.400N，当进给量为0.4mm/r时，切削力最大，为476.600N；当背吃刀量为0.25mm时，切削力最小，为368.550N，当背吃刀量为0.45mm 时，切削力最大，为523.175N。由以上分析可以得出结论，在工件、刀具材料、切削液等其他因素相同的情况下，选取切削速度为700m/min，进给量为0.8mm/r，背吃刀量为0.25mm时，可以得到轮槽铣刀切削的最优参数。
        3.4 切削力方差分析
        极差分析无法估计试验误差的大小，存在一定的缺陷，而方差分析很好的弥补这一缺陷，并且能剖析各影响因素之间的交互作用，同时也能体现各因素对切削力的影响力大小，以验证极差分析的正确性，是正交试验不可缺少的一部分。可以看出，F比的值越大表明该因素对切削力的影响力就越大，表中背吃刀量的F比的数值较其他两因素大，更接近于F临界值，因此可得出背吃刀量对切削力的影响最为显著。与以上极差分析的结果是一致的。
        3.5 切削力理论值与仿真值数据对比
        为了验证仿真结果的正确性，将模拟得到的切削力仿真值与传统经验公式的计算值进行对比，计算主切削力的指数公式为：
        Fc=CFc A xFc p f yFc v nFc c KFc （3）
        式中：CFc —工件材料等对切削力的影响系数；xFc 、yFc 、nFc —背吃刀量、进给量以及切削速度对切削力的影响指数；KFc —各因素对切削力影响指数的乘积。一般取 CFc =2795，xFc =1，yFc =0.75， nFc =-0.15，KFc =1.75。
        将上述基于正交试验方法获得的最优参数组合带入公式，计算获得切削力数值为 384.57N。利用DEFORM-3D 对最优参数组合进行数值模拟，得到的切削力数值为356.74N，误差为 7.2%，数据较为接近，表明应用有限元数值模拟轮槽铣刀铣削过程中的切削力是可行的，具有一定的可靠性。
        4 切削力实验验证
        基于模拟仿真的结果，采用等效切削试验方案对刀刃不同位置的切削力变化进行验证，通过设置不同的切削参数，在UCP710五坐标加工中心上进行一系列切削加工实验，如图2 所示。利用瑞士生产的KISTLER 9257B动态测力系统进行切削力的测量，如图3所示。通过结果可知，实验获得的各点切削力的数值与仿真结果相差无几，表明应用有限元数值模拟轮槽铣刀铣削过程中的切削力是可行的，具有一定的可靠性。
        5 结论
        （1）建立了轮槽铣刀及工件的简化模型，并利用有限元软件DEFORM-3D对轮槽铣刀铣削加工过程进行了模拟仿真。
        （2）采用正交试验的方法，以切削力为优化目标，建立了切削速度、进给量、背吃刀量的三因素四水平正交试验表，并基于极差及方差分析可知，对切削力影响程度最大的是背吃刀量，其次是进给量，影响程度最小的是切削速度。最终获得切削速度为700m/min，进给量为 0.8mm/r，背吃刀量为0.25mm 的最优参数组合。（3）通过主切削力的传统经验公式计算与仿真数值进行对比分析可知，切削力的理论值与数值模拟结果较为吻合，进一步验证了仿真试验的可靠性。表明应用有限元数值模拟轮槽铣刀铣削过程中的切削力是可行的，对轮槽铣削加工过程参数的优化具有一定的参考价值。
        参考文献
        [1]杨辉军，陈惠贤.基于Deform的枞树型轮槽铣刀加工仿真研究[J].工具技术，2014，48（1）：28-31.
        [2]于国红，楚功，陈惠贤.基于Deform-3D的转子轮槽加工切削力仿真研究[J].新技术新工艺，2014（7）：83-86.
        [3]韩胜超，陈燕，徐九华.多齿铣刀侧铣加工多层CFRP铣削力的建模与仿真[J].复合材料学报，2014，31（5）：1375-1381.
        [4]杨辉军.基于等磨损约束的枞树型轮槽铣刀几何参数优化[D].兰州：兰州理工大学，2014.