透平叶片变切削力加工参数研究*

邓宇锋

（江苏信息职业技术学院机电工程系，无锡 214153）

透平叶片变切削力加工参数研究*

邓宇锋

（江苏信息职业技术学院机电工程系，无锡 214153）

文章分析了透平叶片的刚性特点和其在切削力的作用下的变形情况，得出各位置的力与变形的拟合关系。然后，根据各区域给定的叶片变形量的控制要求，得出各个区域合理的切削力。最后将切削力要求体现在变切削参数中，为透平叶片的变切削参数加工提供了理论依据。研究结果表明了将变切削参数加工应用于透平叶片的切削加工中有效的提高了其加工精度。

透平叶片；变形；切削参数

0　引言

由于透平叶片不同区域的刚性不同，若在其铣削加工中施以恒定切削力，叶身极易产生较大的变形而导致让刀现象，因此，对于提高透平叶片的加工精度，叶片自身的变刚性特点是个不可忽略的重要因素。

一般机械加工中的刚性是指系统刚性，包括机床、刀具、叶片本身和夹具刚性等。目前企业主要是通过机床选型、刀具选用、采用叶片专用夹具和增加辅助支撑等方法来提高透平叶片加工中的系统刚性［1-6］，从而提高透平叶片的加工精度。而通过研究透平叶片自身变刚性来提高透平叶片的加工精度的研究还很不足，因此迫切需要对铣削加工过程中透平叶片自身结构的刚性进行分析，提出一种新方法来提高透平叶片的加工精度。

因此，本文针对此问题提出了通过变切削参数的方法来提高透平叶片的切削加工精度。研究结果表明了此方法有效的控制了透平叶片切削加工中的变形量，提高了叶片的加工精度。

1　有限元模型

在透平叶片的铣削加工中，五轴机床螺旋综合铣削透平叶片的叶身部位时，榫齿叶根类型的叶片是通过采用与叶根形状相契合的夹紧机构将其叶根在机床上夹紧。叶冠多采用一顶尖顶住，叶身随主轴旋转进行螺旋铣削。

直榫齿叶根的工作面与机床夹具紧密贴合夹紧，叶冠被顶尖顶紧，所以有限元分析［7］时，在榫齿叶根工作面加固定约束和在叶冠端顶尖处加轴向位移约束。对其材料参数，参考企业汽轮机叶片用钢的性能技术标准设置为：密度为7.8g/cm3，泊松比为0.27，弹性模量为181GPa。根据企业加工经验，精加工的切削用量为：切削速度220m/min，切深2mm，进给量0.3mm。对透平叶片建立坐标系，X向是沿着叶型截面刀具切削方向，Y向是垂直叶片方向，Z是叶片轴向方向。设置三个方向的切削力为：沿着叶身型线螺旋切削方向2082N，螺旋铣削横向切削方向645N，垂直叶片截面方向1126N。透平叶片叶身长度为480mm，在叶身纵向长度上每间隔20mm划分一个截面，共24个截面。在截面上选取多个点，如图1所示，然后对各个点加载切削力。

图1　叶片有限元分析模型

2　有限元分析及其结果

依据建立的透平叶片有限元模型，通过有限元软件对其进行不同位置的变形的数值模拟计算，得到透平叶片不同位置的变形和切削力之间的关系。

2.1总体变形分析

根据工厂测量经验，刀具在铣削加工中，叶片沿叶身截面型线切削方向的变形量（X向）变形远大于垂直叶片方向（Y向）的变形量，因此主要针对X切削方向进行切削力和变形量分析。为了研究叶身纵向（X向）刚度的变化，本文选取一条叶身素线上的点，施以恒定的切削力，观察叶片在X方向的变形量随叶片加工位置变化的规律。

图2　叶片在X方向上的变形和加工位置关系

从图2中可以看出，24个位置在恒定的切削力作用下，叶片在X方向的变形量有非常明显的变化，最小变形量低于0.02mm，最大变形量则接近0.3mm。从叶片中段位置起，其变形量增加趋势更明显，在叶身19/20位置时变形量达到最大，约为0.2942mm。

因此，在透平叶片的铣削加工中，以恒定的切削力一次铣削成型是很不合理的，需要对各位置进行受力分析，得到叶片变形和切削力的关系，根据其不同位置刚性要求对切削力提出变化要求。

2.2拟合分析

2.2.1靠近叶根位置拟合分析

对靠近叶根位置的叶身铣削加工时，由于夹具外力的支持，且该区域叶身厚度较大，所以刚性最好。从位置1开始对靠近叶根侧的各个截面逐一进行切削力和X方向上的变形量进行分析，得出位置1～11的切削力和X方向上的变形量的拟合曲线及关系式，位置11的拟合曲线及关系式如图3所示。

图3　位置11叶片在X方向上的变形和切削力关系拟合曲线

由图3可知，公式的拟合优度为0.9999，是可靠的。若根据叶片尺寸公差0.15mm来控制变形量，在此变形量下，利用拟合公式计算所得切削力约为2470N，相应的切削深度也会很大，这在实际加工中是不合理的。因此这些位置的切削力要求不能根据尺寸公差来控制，而应当采用粗加工或精加工余量来控制。

叶片锻件毛坯的单边余量一般控制在4～5mm之间，粗加工留余量在0.5～1mm之间。若已知叶片锻件毛坯单边余量为3mm，粗加工留余量为0.5mm，则以切深2.5mm计算，根据切削力公式［8-10］得到切削力为2235N，以此数值作为调整后切削力。

2.2.2最大变形加工位置拟合分析

由图2可知，叶片出现最大变形量是在加工位置20的时候，变形量大小为0.2942mm。编号20以后的位置因为靠近叶冠端顶尖约束，叶片变形量逐渐减小，但这些位置的叶片截面上的弦长短、最大直径小，叶片变形量依然很大。对位置20进行切削力和X方向上的变形关系的分析，得到拟合曲线及关系式如图4所示。

图4　位置20叶片在X方向上的变形和切削力关系拟合曲线

由图3可知，公式拟合优度为0.9988，是可靠有效的。根据叶片尺寸公差0.15mm来控制变形量，在此变形量下，根据拟合公式计算所得切削力为1200N左右，以此数值作为调整后切削力。

2.2.3其他截面位置切削力分析

同分析位置11和位置20的切削力要求类似，根据各个截面位置的多次切削力加载和叶片在X方向上的变形情况，进行切削力和变形量的关系拟合，得到各自的拟合曲线及关系式。然后根据叶片的自身刚性特点和拟合公式对各位置提出合适的变切削力要求。其中，靠近叶冠位置区域因有顶尖支撑，加工时叶片的变形量相对降低，因此该区域根据加工余量对切削力提出要求。

综上所述，位置1～11和位置24均采用加工余量控制变形量，根据此变形量，通过铣削力公式对切削力提出相应的变化要求；位置12～23均采用叶片尺寸公差来控制变形量，根据此变形量，通过拟合公式对切削力提出相应的变化要求。

2.3变切削力的叶片加工变形分析

根据调整后的切削力，对叶片X方向上的变形进行分析，验证透平叶片的变切削力加工是否可以有效的控制加工中的变形量，提高叶片的加工精度。图5是单一切削力加工和变切削力加工后，叶片在X方向上的变形量的对比。

图5　单一切削力加工和变切削力加工后叶片在X方向上的变形量对比

由图5知变切削力加工后叶片在X方向上的变形量情况。靠近叶根的位置区域的变形量稍有增加；而之前变形量较大的位置区域，变形量均降到了0. 15mm以下。可见利用切削力和X方向上的变形量的拟合公式进行变切削力铣削加工的方法是有效的，尤其是对刚性最差的叶身中段和略靠近叶冠的位置区域的变形量控制是显著有效的。

因此，对某个结构类型的叶片进行切削力和加工变形量分析，得出其拟合关系。然后，根据给定的叶片变形量进行切削力计算，得出叶片各个位置合理的切削力，实现变切削力加工，从而较好的解决叶片因刚性不足而产生的让刀现象，提高了叶片的加工精度。

3　切削参数推荐

根据切削力加载后透平叶片在X方向上的变形量，可将其叶身铣削区域进行划分，如表1所示，然后对叶片进行分区域变切削参数推荐。

表1　叶身区域划分

切削深度是对叶片切削力影响最大的因素［11］，所以对切削深度进行推荐最有意义。根据上述分析，已得出各个区域合理的切削力，将切削力要求体现在铣削加工中，就需要对切削深度进行分区域的变参数推荐。

给定叶片区域为n，Fi（i=1，2，...n）表示i区域的切削力要求，输入拟定的进给量和切削速度参数，带入切削力公式计算得到对应区域的切削深度值：

根据叶片变切削力的分析的结果，i区域三个方向的切削力对叶片的变形量分别为Δix、Δiy和Δiz，其中变形量最大值对应的切削分力即为Fi的取值。在叶片加工中，刀具沿着叶身截面型线切削方向的力对叶片变形作用最显著，因此在叶片铣削加工中以主切削力Fx作为Fi的取值。

对于刚性较好的靠近叶根、叶冠的位置区域，叶片加工切削力基本没有变化，其切削深度均根据加工余量进行控制；对于刚性较差的其他位置区域，其切削深度根据上述叶片的变切削力要求通过公式（1）算得。对于上图所示类型的叶片，根据上述方法进行切削参数推荐，其结果如表2所示。

表2　变切削参数推荐

4　结论

（1）针对透平叶片的自身刚性特点，对各位置进行受力分析，拟合得到叶片在X方向上的变形和切削力关系，根据叶身不同位置刚性对切削力提出变化要求。

（2）在透平叶片的铣削加工中，切削深度是对叶片切削力影响大的因素，本文根据每个区域的切削力要求对切削深度进行了合理的参数推荐。

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（编辑 赵蓉）

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

邓宇锋（1981—），男，江苏无锡人，江苏信息职业技术学院讲师，硕士，研究方向为CAD/CAM/CAE、机械制造技术，（E-mail）dengyufeng1981@yeah.net。