发动机叶片受力变形「E分析M及应用
2014-5-25 来源： 中航工业沈阳黎明航空发动机集助有限责任 作者：胡家农 庞继有 李春波
摘要: 航空发动机叶片多采用钦合金或高温合金制造, 加工质量差、刀具消耗大等问题困扰着航空发动机制造企业。由于弹性变形、振动和刀具磨损等原因, 在铣削加工叶片时产生的振纹尤其严重, 大大增加了后续的抛光工作量, 同时切削过程中叶片弹性变形造成超差。在生产现场, 刀具没有达到显著磨损时, 就加剧了振纹的产生, 刀具磨损成为引起叶片振纹和超差的不可忽视的因素。研究叶片加工时的受力变形。对不同铣削力、铣削力作用于叶片的不同位置、不同的装夹方式进行有限元分析。FE M分析结果与实验结果一致, 应用于生产实际。进行无余量加工实验, 在优化参数的情况下, 无余量加工是可行的。
1 引言
航空发动机压气机叶片属于典型的薄壁零件, 在切削加工过程中, 由于变形、振动和刀具磨损等原因, 存在加工质量差等问题, 其中加工过程中叶片的变形是造成型面超差的主要原因, 因此在加工过程中需要优化工艺参数, 控制加工过程中叶片的变形。
叶片型面是空间复杂曲面, 用解析法来解决其变形问题非常困难, 本文采用AN S Y S 软件, 对某压气机静子叶片铣加工过程的变形问题进行分析, 分析时考虑生产实际过程中不同铣削力大小、铣削力作用于叶片的不同位置、不同的装夹方式等因素的影响, 并把分析结论应用于改进切削加工系统和优化切削加工参数, 从而达到了叶片高效加工的目的。
图1 某发动机压气机静子叶片
2 不同装夹方式下叶片变形分析
根据五轴切削加工所测得的切削力, 施加其中一组工况下的切削力撮大澎, 做静力分析臼卜瞬彻, 同时, 假定刀具强度足够大, 没有产生变形, 来分析工件在静载作用下的叶片变形。具体工况如下:
2.1 大端轴肩和小端抱轴装夹
叶背边缘受力与变形分析
图2 节点70958受力时叶片的综合位移, 放大80倍观察
因此, 可以得出结论:
2.2 大端轴肩加小端顶尖装夹
可以得到以下结论:
在加工条件相同, 抱轴改为顶尖装夹的情况下, 最大综合变形处不在叶身, 而到了小端的外圆上,综合位移最大值为U=0.718mm , 相比第一种工况下的最大变形位移U=0.108mm大了很多, 因此, 引入轴向压力的预紧力对抑制叶片加工变形是不利的。
在受力的节点70958处的变形与第一种装夹状态比较, 可以看出, 各种位移增大了一个数量级, 虽然预紧力假设为100N有可能偏大, 但趋势是符合总体规律的。同样也证明了预紧压应力对叶片变形是不利的。
3 不同切削力作用下的叶片变形分析
具体工况:
通过比较可以发现, 当切削力变大时, X方向的变形增大了52%, Y方向的变形增大了47%, 而Z方向上的变形不大。可以得到以下结论:
（1）显而易见, 切削用量增大时, 切削力增大, 叶片的变形也变大;
（2） 另一方面, 随着切削力的增大, 不同方向上的变形的增大程度并不一样, 这是由于沿着叶片轴向方向刚度比垂直于轴向的方向刚度要大。
图4 节点70658受力时叶片的综合位移, 放大80倍观察
4 不同加工位置叶片变形分析
叶片的不同位置在受到同样的力时, 对变形的影响是不同的。前面在靠近进排汽边处施加力, 本部分对不同位置的切削力对整个叶片的变形、施加力的位置变形进行分析。
4.1 叶背中部受力与变形分析
受力位置如图5 所示, 在叶背中部。
图5 节点77602及其受力图
图6 节点77602受力时叶片的综合位移, 放大80 倍观察
4.2 叶盆中部受力与变形分析
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