一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法技术

本发明专利技术涉及一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，属于加工表面完整性研究领域，首先，应用三维设计软件建立涡轮叶片榫齿三维模型，将生成的三维模型另存实体模型输出格式，并将其导入有限元软件中，建立叶片榫齿的有限元模型。按有限元软件要求输入镍基高温合金等叶片榫齿材料属性，并进行单元类型选取和网格划分。随后，进行叶片榫齿缓进深切成形磨削温度有限元分析和磨粒‑工件界面接触压力计算。最后，基于以上热分析以及接触压力计算结果，进行磨削残余应力的热‑应力耦合仿真计算，并查看仿真结果。比普通有限元仿真方法具有更高的准确性和精准度。

【技术实现步骤摘要】
一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法
：本专利技术提供一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，属于加工表面完整性研究领域。
技术介绍
：镍基高温合金等涡轮叶片是航空发动机最重要的热端部件，形状复杂的榫齿是连接涡轮叶片与涡轮盘的关键部位。镍基高温合金属于典型的高强高韧难加工材料，缓进深切成形磨削是涡轮叶片榫齿高效精密加工的主要方法。由于磨削过程会产生热-力强耦合作用，因此榫齿磨削加工表面/亚表面会形成明显的残余应力。工件表面的残余应力对叶片榫齿的疲劳强度和服役寿命具有至关重要的影响。近年来，磨削残余应力已成为加工表面完整性研究关注的重点内容，其准确预测是难点。利用有限元仿真方法，探究镍基高温合金等涡轮叶片榫齿缓进深切成形磨削加工后表面的的残余应力分布规律，是解决磨削工件表面残余应力应力分布预测难题的主要手段。然而，使用现有的普通有限元仿真方法预测镍基高温合金等叶片榫齿磨削表面残余应力时，仅仅考虑磨削温度的作用，未涉及磨粒-工件之间接触界面压力的作用，导致有限元仿真计算得出的残余应力值非常小，最大值为12Mpa左右，与实验测量结果偏差特别大。
技术实现思路
：专利技术目的：为了解决现有普通有限元仿真方法预测精度低、准确性差的难题，本专利技术的目的是为了提供一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，预测精度高、准确性好。技术方案：本专利技术通过如下技术方案实现：首先，应用三维设计软件建立涡轮叶片榫齿三维模型，将生成的三维模型另存实体模型输出格式，并将其导入有限元软件中，建立叶片榫齿的有限元模型。按有限元软件要求输入镍基高温合金等叶片榫齿材料属性，并进行单元类型选取和网格划分。随后，进行叶片榫齿缓进深切成形磨削温度有限元分析和磨粒-工件界面接触压力计算。最后，基于以上热分析以及接触压力计算结果，进行磨削残余应力的热-应力耦合仿真计算。本专利技术中加载的磨削力为由实际测量磨削力换算成磨粒-工件界面接触压力，真实模拟缓进深切成形磨削涡轮叶片榫齿残余应力的形成过程，从而得到磨削残余应力。实现了基于有限元仿真方法的缓进深切成形磨削涡轮叶片榫齿表面残余应力的计算，其操作流程及步骤如图1所示。本专利技术是一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，该方法的步骤如下：步骤一：航空发动机叶片榫齿有限元建模航空发动机叶片榫齿三维建模，包括应用三维设计软件，绘制叶片榫齿的二维草图；基于画好的草图，使用拉伸命令建立叶片榫齿三维模型；测量获取相关参数以便后续理论计算使用，如磨削弧区面积、磨削弧长、磨削宽度和叶片榫齿几何尺寸等；将生成的三维模型另存实体模型输出格式，并将其导入有限元仿真软件。叶片榫齿模型材料属性赋值，包括按有限元软件要求输入镍基高温合金等叶片榫齿材料属性。在热力耦合仿真中需要用到的材料属性是密度、比热容、导热率、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、屈服强度、切向模量。叶片榫齿模型有限元网格建模，包括单元类型选取和网格划分。该网格单元类型选取分为两类，其一是在热分析中使用的实体单元，其二是在应力分析中使用的实体单元；该网格划分要兼顾计算量和计算精度的要求，合理控制网格划分密度，对关键部位进行网格细化，合理实现镍基高温合金叶片榫齿网格划分的精度分布。步骤二：叶片榫齿缓进深切成形磨削温度计算叶片榫齿缓进深切成形磨削温度计算是在有限元建模的基础上，根据磨削条件，计算出热流量和对流换热量并施加在榫齿模型表面，进行缓进深切成形磨削叶片榫齿的磨削温度仿真计算，获得磨削过程中榫齿的温度分布；温度场热源模型，根据单颗磨粒切厚的形状，单颗磨粒切厚从切入区到切出区逐渐增加，选择的是三角形热源，其定义式为：步骤三：磨粒-工件界面接触压力计算基于磨削弧区有效磨粒与工件材料之间的接触压力作用模型，根据磨粒数、磨粒尺寸和磨削力计算出接触压力。其中，磨粒数通过观察砂轮表面获得，磨粒尺寸为砂轮固有参数，磨削力由磨削试验测量获得。施加磨粒-工件界面接触压力时在工件表面选取随机单元，以此来模拟磨粒和工件之间的相互作用。首先计算随机单元表面的磨削力，将实验测得的磨削力除以磨削弧区磨粒的个数，得到每个磨粒受到的作用力，如式(3)：其中Fn与Ft分别为磨削实验中实际测量的切向与法向磨削力，N为磨削弧区的磨粒数量，Fn’与Ft’分别为单个磨粒受到的切向与法向磨削力。因磨削力应以压强的形式施加，随后需将单个磨粒受到的作用力再除以磨粒的受力面积ACS，最终得到施加在单元表面的接触压力，如式(4)：其中Pn与Pt分别为施加在单元表面的法向压力和切向压力。步骤四：叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力仿真计算磨削残余应力仿真计算，是在叶片榫齿缓进深切成形磨削温度计算和磨粒-工件界面接触压力计算基础上，将热分析的结果转换成载荷和计算得到的接触压力共同施加在叶片榫齿模型表面单元上，并对榫齿模型施加约束，进行磨削温度与磨粒-工件界面接触压力之间的热力耦合仿真。计算完成后，隐藏叶片榫齿最上层单元(其中单元厚度为磨削深度)，并查看仿真结果，最终得到叶片榫齿缓进深切成形磨削形成的残余应力及其分布特征。有益效果：本专利技术基于磨削温度与磨粒-工件界面接触压力之间热力耦合作用的叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，比现有有限元仿真方法显著提高预测结果精度。附图说明：图1是本专利技术方法流程图。图2是涡轮叶片榫齿有限元模型图。图3是涡轮叶片榫齿有限元模型网格图。图4是考虑磨粒-工件界面接触压力的磨削力施加图。图5是涡轮叶片榫齿隐藏最上层单元图。图6考虑磨削温度与磨粒-工件界面接触压力之间热力耦合作用的残余应力计算结果云图。图7是常规方法仿真计算的磨削表面残余应力结果云图。图8是残余应力实测结果。具体实施方式：下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。实施例1图1是本专利技术方法流程图。参照图1所示，从航空发动机叶片榫齿有限元建模、叶片榫齿缓进深切成形磨削温度计算、磨粒-工件界面接触压力计算、叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力仿真计算，四个方面对本专利技术进行详细阐述。一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，步骤如下：步骤一：叶片榫齿三维建模首先应用三维机械设计软件(Solidworks)，根据叶片榫齿实际结构，使用草图工具，绘制叶片榫齿的二维草图，其中榫齿的宽度和高度分别为12mm和6mm；基于草图，然后使用拉伸工具建立叶片榫齿三维模型，其中榫齿的长度是21mm；然后根据磨削工艺参数(砂轮速度Vs＝35m/s、工件进给速度Vw＝300mm/min、磨削深度ap＝0.13mm)以及微晶刚玉砂轮直径(400mm)，根据式(1)计算出磨削弧长(lg＝7.21mm)：根据磨削弧长直接在Solidworks软件中测量相关参数，以便后续计算使用，如磨削弧区面积(99.74mm2)、磨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，其特征在于，首先，应用三维设计软件建立涡轮叶片榫齿三维模型，将生成的三维模型另存实体模型输出格式，并将其导入有限元软件中，建立叶片榫齿的有限元模型。按有限元软件要求输入镍基高温合金等叶片榫齿材料属性，并进行单元类型选取和网格划分。随后，进行叶片榫齿缓进深切成形磨削温度有限元分析和磨粒-工件界面接触压力计算。最后，基于以上热分析以及接触压力计算结果，进行磨削残余应力的热-应力耦合仿真计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，其特征在于，首先，应用三维设计软件建立涡轮叶片榫齿三维模型，将生成的三维模型另存实体模型输出格式，并将其导入有限元软件中，建立叶片榫齿的有限元模型。按有限元软件要求输入镍基高温合金等叶片榫齿材料属性，并进行单元类型选取和网格划分。随后，进行叶片榫齿缓进深切成形磨削温度有限元分析和磨粒-工件界面接触压力计算。最后，基于以上热分析以及接触压力计算结果，进行磨削残余应力的热-应力耦合仿真计算。


2.根据权利要求1所述的叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、航空发动机叶片榫齿有限元建模：叶片榫齿三维建模，是使用三维设计软件建立叶片榫齿实体模型，并将生成的模型导入有限元仿真软件；叶片榫齿模型材料属性赋值，包括按有限元仿真软件要求输入温度计算与应力计算相关的材料属性；叶片榫齿模型有限元网格建模，包括单元类型选取和网格划分；
步骤二、叶片榫齿缓进深切成形磨削温度计算：对榫齿模型表面施加热流量和对流换热量，进行缓进深切成形磨削叶片榫齿的磨削温度仿真计算，获得磨削过程中榫齿的温度分布；
步骤三、磨粒-工件界面接触压力计算：基于磨削弧区有效磨粒与工件材料之间的接触压力作用模型，根据磨粒数，磨粒尺寸和磨削力计算出接触压力；
步骤四、叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力仿真计算：磨削温度与磨粒-工件界面接触压力之间热力耦合作用形成的残余应力计算是在磨削温度仿真计算的基础上，耦合有效磨粒与工件材料之间的接触压力，通过有限元仿真软件计算缓进深切成形磨削叶片榫齿的残余应力，从而获得磨削表面的残余应力分布，待计算完成后查看计算的残余应力结果。


3.根据权利要求1所述的叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法，其特征在于：在步骤二中温度场热源模型，根据单颗磨粒切厚的形状，单颗磨粒切厚从切入区到切...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁文锋，况伟杰，苗情，徐九华，傅玉灿，苏宏华，陈燕，杨长勇，张全利，赵正彩，殷景飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32