航空发动机涡轮盘用拉刀刃口优化仿真

摘    要：航空发动机涡轮盘榫槽常用拉削加工研制而成，拉刀作为重要一环，其刃口大小将直接影响拉削加工性能与服役寿命。通过有限元仿真软件，比较和讨论了拉削速度为5m/min时不同拉刀刃口大小对过程温度、米塞斯应力、轴向力以及工件材料流动的影响，得出了在该工况下具有最优加工性能和服役寿命的刃口大小范围为10～15μm。

关键词：拉削加工;刃口大小;AdvantEdge仿真;FGH95高温合金;

1 序言

航空发动机是飞机的“心脏”，而涡轮盘作为航空发动机内不可或缺的重要部件之一，其加工质量和服役性能要求都非常严苛[1]。航空发动机与内部涡轮盘如图1所示，榫槽作为叶片与涡轮盘的关键连接部位，其加工表面完整性和加工精度直接影响涡轮盘榫接部位的配合牢固程度、传力效果、抗疲劳损伤和抗蠕变性能等，最终决定发动机的服役性能与寿命[2]。涡轮盘榫槽结构较为复杂，传统的数控加工难以实现高效稳定加工，因此现阶段，榫槽的加工一般采用高精度、高效率和一致性好的拉削加工，以满足榫槽高质量和高效率的加工要求。

涡轮盘榫槽的拉削加工一般需要用到数十把成套拉刀[3]，根据粗加工、半精加工和精加工分别选用不同刃形的拉刀。而无论哪种类型的刀具，其微观刃口大小的异同都将影响刀具在切削过程中所受到的应力、切削力、切削温度和切屑材料流动趋势[4]，改变造成刀具磨损、崩缺等失效形式的关键因素，从而决定刀具的加工稳定性和服役寿命[5]。吴志正等[6]探究了不同工艺参数的弹性喷砂技术对拉刀刃口钝化效果的影响，从刃口钝圆半径、形状和表面粗糙度3个方面展开论述，得出了喷砂时间、喷砂压强和喷砂角度等关键因素可改变刃口形貌的结论，并验证了其技术的可行性。于彦波等[7]对拉刀在磨损状态下刃口半径值的增大同拉削表面质量之间的关系展开了研究和讨论，通过观察拉削表面粗糙度、加工硬化程度和深度等重要参数，得出了不同拉削距离下，大小各异的刃口半径值对加工后工件表面完整性的影响规律。

图1 航空发动机与内部涡轮盘 

本文从有限元仿真分析的角度出发，定义了W12C r4V5C o5(T15）高速钢拉刀与F G H95高温合金工件材料的本构参数模型，根据Advant Edge仿真运行结果，从仿真云图和数值提取两个方面分别探究了不同微观刃口大小的拉刀在特定拉削工况下的温度、应力、切削力及工件材料流动趋势的影响，最后结合上述物理量的讨论得出了系列结论。

2 有限元仿真软件介绍及设置

本文所采用的有限元CAE软件为Advant Edge，是一款专业性较强、针对优化金属切削和辅助刀具设计的软件，提供了多种2D和3D（包括车削、铣削、钻削和拉削等）工艺分析模块。本文中的有限元仿真可直接采用Advant Edge自带的二维拉削模块进行，其大致分析流程为：刀具及工件参数设定、网格划分、材料定义、切削参数定义、求解过程分析和仿真结果分析。

在本文的二维拉削仿真中，拉刀结构参数及拉削过程参数见表1，刀具微刃均为钝圆刃口，以刃口半径R=5μm为梯度，从5～30μm共设置6个单因素变量组。刀具材料为W12Cr4V5Co5(T15）高速钢，工件材料为FGH95高温合金，采用AdvantEdge软件内部自带的经验型本构模型J-C(Johnson-Cook）模型，J-C模型将材料流动应力表示为应变硬化函数f1(εp）、应变率函数和热软化函数f3(T）这3个函数的乘积，具体表达式为

式中，σ为流动应力（MPa),εp为等效塑性变形，ε为应变率（s-1),为参考应变率（s-1),T为实验温度（℃），A为初始屈服应力（MPa),B为材料应变硬化模量（MPa),n为材料硬化指数，C为材料应变率强化参数，T*为无量纲温度项，,Tr为参考温度（℃），Tm为材料熔点温度（℃），m为材料热软化参数。

表1 刀具仿真参数设定 

本文针对FGH95高温合金，其J-C模型本构参数定义如图2所示。

图2 FGH95工件材料参数定义 

3 仿真结果与讨论

针对本文的拉刀仿真分析，采用如图3所示模型的采样步骤，统一选取稳定加工过程阶段的某一帧作为分析对象，采用分析线的方式分别提取了（50个位点）前刀面区域、刀尖区域和后刀面区域的切削温度、米塞斯应力（Mises Stress）、切削力和切屑流动速度等一系列加工过程物理量数据，为保证数据分析的准确性，选取区域长度必须保持恒定。

图3 刀具刃口切削温度示意

3.1 拉削温度对比分析

仿真刃口半径选取见表1，拉刀前、后角分别为18°和3°，拉削速度以及齿升量分别为5m/m i n和0.05mm。图4为刃口半径R=30μm在拉削过程中的温度云图，而图5展示了不同刃口半径的拉刀在同一帧数下的温度数据对比。从图4和图5可以发现，在该工况下刀具与工件相互作用所产生的温度并不高，所有刃口区域最高温度均在200℃以下。同时，切削温度及热影响区域随刃口半径的增大而逐渐增大。造成此类现象的原因主要有以下两个方面：一方面，随着微刃尺寸的不断增大，后刀面与工件的接触面积也不断增加，使其摩擦力分量和第三变形区的塑性变形增加，导致刀具挤压的作用大于切削的作用，从而导致切削温度不断上升；另一方面，尽管切削刃的散热面积会随着刀具钝圆刃半径的增大而不断扩大，但由于切削力也会伴随刃口的增大而增加，导致刀具载荷增加，从而温度升高。当单位时间内的温度上升大于因散热面增加导致的温度降低时，刃口处的整体温度会呈现上升趋势。因此该工况下的拉刀刃口温度和温升范围会随着刃口半径的增加而增大。

图4 刃口半径R=30μm的刃口温度云 

图5 不同刃口半径刀具拉削过程温度数据

此外，根据图5的过程温度数据对比不难发现，不同刃口半径下各个刃口区域的温度差值较小，基本稳定在20℃以内。最高温度均集中在刀尖处，刃口半径为30μm时最高温度达到了180℃，而刃口半径为5μm时最高温度在160℃左右。这种情况的出现说明在拉削速度不高（5m/min）的工况下，改变拉刀刃口半径大小对拉削温度的影响并不突出。

3.2 米塞斯应力对比分析

米塞斯应力是刀具磨损与服役寿命的关键影响因素。图6和图7分别为不同刃口半径的拉刀在拉削过程中所受到的米塞斯应力云图与数据对比。从图6中可以看出拉刀刃口所受应力主要集中于后刀面，且当刃口半径R=5μm时，后刀面上超过1000MPa的应力范围最广（具体参考云图中红色区域在X坐标轴上的长度）。当刃口半径R=25μm或30μm时，后刀面上超过1000MPa的应力范围较小。

从图7的应力数据对比可以发现，不同于刀具刃口温度数据，应力数据在线条上会出现较多高低起伏的波动。这一现象出现的原因可能是温度在刃口不同位置处的传导较为均匀，相邻区域的温度基本不会出现较大波动；但由前刀面至后刀面的分析线所在的刃口区域，分别接触工件材料的第二变形区、第一变形区和第三变形区，各个变形区对刀具所产生的应力可能存在较大差异，在应力数值上会存在波动的情况。

从数据可以看出，刃口半径R=5μm的拉刀最大米塞斯应力达到了2500MPa，同时结合前、后刀面不同区域的应力幅值与后刀面应力范围来看，该刃口大小的刀具会率先达到磨损失效值。相反，当刃口半径值R=10μm或15μm时，刀具应力具有综合较低的数值与较佳的表现，理论上会有更优的刀具寿命和磨损表现。

图6 不同刃口半径刀具米塞斯应力云 

图7 不同刃口半径刀具所受应力数据对比  

3.3 切削力对比分析

图8为切削力（X、Y方向）随刃口钝圆半径和时间的变化曲线，两者均表现为切削力随着刀具刃口钝圆半径减小而降低。具体来说，当刃口半径R=30μm时，刃口在X方向上受到的切削力最大，且最大值超过250N；当刃口半径R=5μm时，刃口在X方向上受到的切削力最小，两者差值基本维持在50N以内。而切削力的大小差异在Y轴方向上表现更为明显，当刃口半径R=30μm时，刃口在Y方向上受到的切削力最大值达到了130N，而刃口半径R=5μm的拉刀刃口在该方向上的力在30N左右，两者差值接近100N。

无论X轴向还是Y轴向上的切削力，均随微观刃口半径的增大而增大，这是由于刃口半径较小时，尖锐的刀具切削刃对工件主要呈现出剪切的作用效果，受到的阻力较小；而当刃口半径不断增大时，工件材料由剪切滑移逐渐过渡到挤压和耕犁为主的变形[8]，随着耕犁作用不断增强，刃口受到的切削阻力也会不断增大。因此，在一定范围内减少刀具刃口半径有利于降低切削过程中的切削力，提升刀具切削性能。

图8 不同刃口半径刀具所受切削力对比

3.4 工件材料流速对比分析

图9所示为工件材料流动速度的云图对比，在刃口半径R=5μm的情况下，刃口处的材料流动速度整体较快，且没有发生局部的停滞。而在刃口半径较大的加工条件下，均产生了类似于三角形区域的材料停滞区域（Dead Metal Zone,DMZ),DMZ产生的主要原因是工件材料流动受阻，较大的切削刃半径更容易导致此种现象产生。除了切削刃半径大小因素外，切屑形成、材料变形和应力分布还受未变形切屑厚度与切削刃半径之比的影响[9]。当两者比值降低至最小未变形切屑厚度以下，则主剪切区域会消失。

综上所述，减小刀具刃口半径有利于降低切削温度，减小切削力，降低切削应力。但当刀具钝圆半径为5μm时，后刀面上的米塞斯应力范围最广，且最大应力超过2500MPa。故过小的刀具钝圆半径会引起刀具磨损加快，导致刀具寿命降低，但过大的刃口值同时会引起轴向力的增大，对刀具性能产生负面影响。因此，在拉刀前角和后角分别为18°和3°，拉削速度及齿升量分别为5m/min和0.05mm的工况下，选择10～15μm的刃口半径值理论上应具有更好的加工和磨损寿命表现。

图9 工件材料流速云图对比 

4 结束语

本文针对航空发动机涡轮盘用拉刀微刃口展开了系列研究，应用Advant Edge仿真软件对特定拉削工况下的不同刃口大小值刀具进行了有限元仿真分析，对切削过程中的温度、米塞斯应力、轴向力及工件材料流动速度等展开了分析和讨论。得出了如下结论。

1）在拉削速度为5m/m i n的工况下，刃口各个区域最高温度均在200℃以下，且在钝圆刃口半径5～30μm的区间内温度变化较小。但总体来说，拉刀刃口温度和温升范围会随着刃口半径的增加而增大。

2）拉刀刃口在拉削过程中所受米塞斯应力主要集中于后刀面。当刃口半径R=5μm时，刀具后刀面所受米塞斯应力范围最广、数值最大，预示着较差的拉削性能和较短的刀具寿命，相反，选择刃口半径10～15μm的拉刀所受的米塞斯应力会相对较小，预示着更长的刀具寿命。

3）切削力会随着刀具刃口半径的减小而降低，不同刃口间的切削力大小差异在Y轴向上表现更为明显。主要原因是刃口半径增大会使工件材料的耕犁作用不断增强，刃口受到的切削阻力也由此不断增大。此外，增大拉刀刃口半径会导致刃口处的材料流动速度降低，更容易出现工件材料流动的局部停滞现象。

4）综合而言，在拉刀前角和后角分别为18°和3°，拉削速度及齿升量分别为5m/m i n和0.05m m的工况下，选择10～15μm的刃口半径值理论上应具有更好的加工和磨损寿命表现。

参考文献

[1] 莫蓉.航空复杂产品协同设计的几个基本问题[J].航空制造技术，2009(11):51-55.

[2] 刘志强.重型燃气轮机涡轮盘榫槽拉削机理与拉刀研制试验研究[D].上海：上海交通大学，2018.

[3] 高翔.航空发动机涡轮盘榫槽拉刀快速设计系统研究与开发[D].南京：南京航空航天大学，2016.

[4] ZHUANG K,FU C,WENG J,et al.Cutting edge microgeometries in metal cutting:a review.Int J Adv Manuf Technol,2021,116(7):2045-2092.

[5] 赵倩，赖志伟，刘小杰，等.刀具刃口钝化对刀具切削性能影响研究进展[J].硬质合金，2020,37(5):378-389.

[6] 吴志正，张玉华，万礼扬，等.基于弹性喷砂的拉刀刃口钝化技术研究[J].金属加工（冷加工），2023(3):6-11.

[7] 于彦波，朱忠业.拉刀刃口半径对拉削表面质量的影响[J].机械工程师，1986(6):32-34,18.

[8] 王慧.微铣刀力学特性及几何形状的仿真研究[D].南京：南京理工大学，2009.

[9] 庄可佳，胡诚，代星，等.基于修正滑移线场模型的倒棱刀具切削力预测[J].中国机械工程，2021,32(8):890-900.

文章来源：金属加工（冷加工