1000MW 超临界汽轮机转子轮槽面温度场重构的方法 【技术领域】
本发明涉及的是一种机械切削技术领域的方法， 具体是一种 1000MW 超临界汽轮 机转子轮槽面温度场重构的方法。背景技术
转子轮槽是连接汽轮机转子主轴和叶片的部位， 在汽轮机开机与停机过程中不仅 承受来自汽轮机室内温差产生的交变热应力作用， 同时还承受叶片对轮槽表面交变拉伸与 压缩应力的作用。苛刻的工作环境对轮槽材料提出了很高的要求， 相应地转子轮槽材料加 工性较差， 主要表现为切削力大、 切削温度高、 刀具磨损严重以及已加工表面质量不高等 特点。与此同时， 1000MW( 兆瓦 ) 超超临界汽轮机转子轮槽工作环境为高温高压且有水蒸 气存在， 轮槽承载大， 轮槽的残余应力状态对轮槽寿命至关重要， 要求末级轮槽根部距表层 0.5mm( 毫米 ) 处具有 300MPa( 兆帕 ) 残余压应力状态。切削过程中引入的残余应力主要 来自两方面， 一部分是由材料的塑性变形引起的， 另外一部分则来自于温度引起的。 前者可 以通过测量切削力加以监控， 而切削温度的测量无论是实验设备还是实验方法都要复杂的 多。 1000MW 超超临界汽轮机转子轮槽加工工艺和刀具都比较复杂， 影响因素较多， 且轮槽几 何形状复杂， 因而增加了其表层温度场定量评估的难度。
关于汽轮机轮槽切削加工过程中温度的重构， 现有的技术更多关于与温度相 关的汽轮机技术集中在不同温度条件下的汽轮机某关键零件疲劳寿命技术。西班牙的 E.Silveira， G.Atxaga 和 A.M.Irisarri 分析了涡轮盘在不同温度下的疲劳寿命。
轮槽加工温度在线测量是非常困难的， 生产现场通常是操作人员通过加工过程中 的噪音、 火花等现象来定性地判断刀具是否过度磨损、 切削温度是否急剧上升， 然后再据此 做出反应， 这种反应是滞后的。相对而言在基础实验中定量测量切削温度要比在线检测容 易， 但切削温度的测量容易受到实验条件以及外部环境的干扰， 且测量过程复杂、 稳定性较 差， 因而通过理论预测切削温度具有重要意义。
经对现有文献检索， 至今未发现 1000MW 超临界汽轮机转子轮槽面温度场重构方 法的公开报道。 发明内容 本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足， 提供一种 1000MW 超临界汽轮 机转子轮槽面温度场重构的方法。本发明对 1000MW 超临界汽轮机转子轮槽采用先离散后 拟合的方法得出了转子轮槽整个已加工表面层的温度场分布， 并可以通过改变仿真的边界 条件优化温度场， 从而为实际生产加工提供依据。
本发明是通过以下技术方案实现的， 本发明包括以下步骤 ：
第一步， 分别取枞树型铣刀轮廓形线上轮槽根部、 中部和顶部的若干离散点作为 检测点， 采用等效切削速度、 等效切削厚度和等效每齿进给量的原则， 得到使用标准整体式 圆柱立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、 等效切削厚度及等效进给速度。
所述的等效切削速度， 是：
其中 ：n 圆是等效切削速度对应的等效转速， n 枞是枞树型铣刀转速， d 枞是枞树型铣刀直 径， d 圆是圆柱铣刀直径， v 是刀具轮廓取样点线速度。
所述的等效切削厚度， 是：
ac ＝ fz·sinθ，
其中 ：ac 是等效切削厚度， fz 是每齿进给量， θ 是枞树型铣刀接触角度， ae 枞是枞树型铣 刀侧吃刀量， d 圆是圆柱铣刀直径。
所述的等效进给速度， 是：
vf ＝ fz·z·n 圆 /60，
其中 ： vf 是等效进给速度， fz 为每齿进给量， z 为标准圆柱铣刀的齿数， n 圆为等效 转速。
第二步， 采用微元法建模方法， 以第一步得到的等效切削速度、 等效切削厚度以及 等效进给速度作为边界条件建立轮槽型面上各检测点的等效二维正交切削模型， 确定等效 二维正交切削模型中的工件材料、 刀具与工件材料的摩擦系数、 网格划分、 载荷施加量、 铣 刀几何角度、 切削刃钝圆半径和涂层， 进而得到各检测点的有限元模拟的切削温度。
所述的工件材料采用 Johnson-Cook( 杰森 - 库克 ) 本构模型模拟得到。
所述的刀具与工件材料的摩擦力是采用库伦摩擦定律进行模拟得到。
所述的网格划分， 是： 刀 - 屑接触区域网格为欧拉区域， 其他区域为拉格朗日区 域。
第三步， 采用与等效二维正交切削模型中的刀具相同的铣刀几何角度、 切削刃钝 圆半径和涂层的标准圆柱螺旋铣刀， 在等效切削速度、 等效切削厚度以及等效进给速度下 进行标准切削实验， 实验过程中采用半人工热电偶法 ( 又称夹丝法 ) 测量刀具 - 工件接触 区域的温度， 以实验测量所得的温度对等效二维正交切削有限元模型进行修正， 得到修正 后的仿真模型。
所述的修正是通过调整等效二维正交切削模型中的工件材料、 刀具与工件材料的 摩擦力、 网格划分和载荷施加量使得有限元模拟的温度和实验测量的温度的差值小于阈值 T。
第四步， 利用修正后的仿真模型对叶根轮槽型面上除检测点外的其他离散点进行 仿真， 得到每个离散点的温度场分布， 从而拟合得到整个叶根轮槽型面的温度场分布。
与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 针对轮槽复杂型面加工， 通过有限元仿真
技术与实验相结合的方法， 拟合出整个 1000MW 超临界汽轮机转子轮槽面的温度场分布， 为 刀具的设计、 切削参数的匹配提供指导， 以便提高生产效率， 降低成本。 附图说明
图 1 为实施例的检测点示意图 ； 图 2 为实施例的等效二维正交切削模型示意图 ； 图 3 为实施例的叶根轮槽型面温度场分布图。具体实施方式
以下结合附图对本发明的方法进一步描述 ： 本实施例在以本发明技术方案为前提 下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程， 但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。
实施例
本实施例中采用直径为 80mm 的枞树型铣刀加工轮槽， 1000MW 超临界汽轮机转子 轮槽面的温度场重构具体包括以下步骤 ： 第一步， 分别取枞树型铣刀轮廓形线上轮廓根部、 中部和顶部的若干离散点作为 检测点， 采用等效切削速度、 等效切削厚度和等效每齿进给量的原则， 得到标准整体式圆柱 立铣刀进行标准切削实验的等效切削速度、 等效切削厚度以及等效进给速度。
所述的等效切削速度， 是：
其中 ：n 圆是等效切削速度对应的等效转速， n 枞是枞树型铣刀转速， d 枞是枞树型铣刀直 径， d 圆是圆柱铣刀直径， v 是刀具轮廓取样点线速度。
所述的等效切削厚度， 是：
ac ＝ fz·sinθ
其中 ：ac 是等效切削厚度， fz 是每齿进给量， θ 是枞树型铣刀接触角度， ae 枞是枞树型铣 刀侧吃刀量， d 圆是圆柱铣刀直径。
所述的等效进给速度， 是：
vf ＝ fz·z·n 圆 /60，
其中 ： vf 是等效进给速度， fz 为每齿进给量， z 为标准圆柱铣刀的齿数， n 圆为等效 切削速度对应的等效转速。
如图 1 所示， 本实施例取枞树型铣刀轮廓线上 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 I、 J、 K、 和L共
12 个不同位置离散点作为检测点， 标准圆柱铣刀直径为 12mm。
第二步， 采用微元建模法， 以第一步得到的等效切削速度、 等效切削厚度以及等效 进给速度作为边界条件建立轮槽型面上各检测点的等效二维正交切削模型， 确定等效二维 正交切削模型中的工件材料、 刀具与工件材料的摩擦力、 网格划分、 载荷施加量、 铣刀几何 角度、 切削刃钝圆半径和涂层， 进而得到各检测点的有限元模拟的温度。
所述的工件材料采用 Johnson-Cook 本构模型模拟得到。
所述的刀具与工件材料的摩擦力， 是采用库伦摩擦定律进行模拟得到的， 其中需 要进一步确定刀具与工件材料的比热容、 刀具与工件的热导率以及刀具与工件之间的热辐 射系数。
所述的网格划分， 是： 刀 - 屑接触区域网格为欧拉区域， 其他区域为拉格朗日区 域。
本实施例中刀具为完全刚性， 运动载荷加载在刀具上， 刀具前进过程中材料发生 变形并从刀尖处实现自动分离， 一部分材料沿前刀面流出形成切屑， 另一部分则沿后刀面 方向形成已加工表面。
本实施例得到的等效二维正交切削模型如图 2 所示。 第三步， 采用与等效二维正交切削模型中的刀具相同的铣刀几何角度、 切削刃钝 圆半径和涂层的标准螺旋铣刀， 在等效切削速度、 等效切削厚度以及等效进给速度下进行 标准切削实验。实验过程中采用半人工热电偶法测量切削温度， 以测量的温度对等效的二 维正交切削有限元模型进行修正， 得到修正后的仿真模型。
所述的半人工热电偶法是将康铜丝放在两块工件试样中间 ( 加工方式为测量， 工 件试样制备为长方块状 )， 用精密台虎钳将它们夹紧并放在机床工作台的夹具上 ； 用导线 分别连接康铜丝和试样， 分别作为测量输入信号的热端和冷端， 将引出导线的两端和电桥 相连， 并将采集到的信号经动态应变仪处理后， 输入到电荷放大器进行放大， 然后将放大后 的信号输入到 NI 数值采集卡， 最后使用 Labview 程序分析输出信号。 使用 Bruel&Kjaer4368 加速度传感器测量切削振动信号， 采集到的信号经电荷放大器放大后输出到 NI 数采卡 PCI6024， 使用 Labview 程序分析输出信号。
所述的修正是通过调整等效二维正交切削模型中的工件材料、 刀具与工件材料的 摩擦力、 网格划分和载荷施加量使得有限元模拟的温度与实验测量的温度的差值小于阈值 T。
本实施例中 T ＝ 40℃。
第四步， 利用修正后的仿真模型对叶根轮槽型面上除检测点外的其他离散点进行 仿真， 得到每个离散点的温度， 从而拟合得到整体叶根轮槽型面的温度场分布。
本实施例得到的温度场的分布图如图 3 所示， 其中 1、 2、 3、 …、 12 分布对应离散点 A、 B、 C、…、 L， 由该图可知叶根轮槽型面上各个离散点沿深度的温度场分布。
采用本实施例方法， 当铣削刀具增加刃带、 铣削参数等条件发生改变时， 都能够通 过计算机模拟出 1000MW 超临界汽轮机转子轮槽面的温度场分布， 从而节省了大量的实验、 降低了生产成本， 提高了生产效率， 而现有技术中轮槽加工带有相当大的盲目性， 铣削参数 与铣削刀具的选取缺乏针对性。