[发明专利]一种叶片榫齿缓进深切成形磨削残余应力预测方法

说明书

本发明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。

技术领域：

本发明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。

背景技术：

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。

发明内容：

发明目的：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，本发明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：本发明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。

本发明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。

本发明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。