燃气轮机叶片制造过程中的一体化创新模拟方法

集成在CAD/CAM流程链当中的模拟方法能够提前预测系统的性能。在燃产轮机叶片的切削加工过程中可靠的流程规划体现了很高的价值。

在生产燃气轮机的过程中需要在CNC加工中心上对叶片进行切削加工，在此过程中需要将工件固定在夹紧夹具上。由于燃气轮机上将承受巨大的机械载荷，因此需要采用具有很高热稳定性的材料。加工这些难以切削的材料会产生很高的应力，并对生产加工提出极大的挑战。为了同时保证良好的零件公差和较高的生产效率，需要通过优化数控程序、刀具和夹具之间的关系来优化切削力。尽管以前丰畜的经验和对于工艺流程的深刻理解能够为生产准备提供一些帮助，但是这些信息却很难用于预先评估将会出现的切削力和对于加工精度的影响。利用合适的模拟方法可以虚拟地解释生产流程，从而可以既有效又迅速地启动生产。

图1 集成的模拟分折方法：CAD/CAE流程任如何在整个项目过程中进行转化

西门子动力集团是全球领先的燃气轮机供应商。其位于柏林办事处的技术工程师专注于高精度及有效地加工燃气轮机叶片。西门子动力集团与西门子技术集团以及慕尼黑技术大学机床和加工技术研究所(iwb TU Muenchen)合作开发了一种集成在CAD/CAM 流程链当中的合适的模拟分析法，并利用某一个典型的工艺流程进行了验证。这种分析方法能够预先模拟工艺流程的性能．并且能够针对数控程序和夹紧装置优化加工流程。

图1显示了在调整CAD/CAE流程链之后的项目情况。接下来将按照典型的加工流程模拟地说明自动调节回路中的迭代过程如何能够优化流程规划工作，这篇文章主要分析以下三个数字流程监控步骤——数字控制、切削力和有限元模拟。下面的章节将介绍如何进行数字控制模拟的自动调节。

数字控制流程的模拟描述了在CAD/CAE流程链当中对这个项目的框架范围进行数字流程流控转化的第一个步骤。它的基础建立在生成的数控程序和现有的加工中心、环境、原材料以及预制件的三维方案。

缩短调试时间和编程时间

工程步骤的目标包含了实现其有说服力的碰撞分析和对重要流程程序的检查。将CGTech公司的模拟工具软件“Vericut”和西门子公司的虚拟数控内核(VNCK)结合在一起就能完成目标的转换。此外按照机床模型，Vericut程序首先用于现察数控加工程序的可视化图形界面，并作为碰撞分析的工具。“VNCK”程序能够完成数控代码的编译工作。这个软件能够在模拟环境中集成真实的机床控制功能．并且可以在到目前为止比较常见的控制模拟环境下提高机床的加工质量，而依靠宏命令程序仅仅能够大致地描述机床的性能。

图2 利用“Vericut”和“VNCK”软件的组合在燃气轮舰叶片上进行虚拟的铣削加工
图3 用于验证切削系数和刀刃系数的试生产安排
图4 一把立铣刀的系数确定过程
图5 某一加工实例的模拟参数的定义。模拟结果与测量结果之间的对比
图6 “Ansys”软件当中进行模拟的结果：叶片-夹具系统的变形

图2示范性地显示了数控程序模拟的结果。刀具和延伸的汽轮机叶片之间的相互作用将会导致材料破损(图中己用灰色的平面表示)。相应地，刀具和夹紧装置之间潜在的碰撞用红色平面表示。在这种悄况下，图1当中显示的内部控制回路将会把一个模拟量反馈到夹紧装置设计过程，然后重新匹配夹紧装置和加工程序，重新生产数控程序并进行模拟。通过对虚拟的碰撞和加工状态分析进行数控模拟，可以缩短设备调试时间和编程时间。

在分析加工过程中的研撞自由程度时可以利用数控模拟的结果来定义和分析重要的加工程序。以上的结果可以直接导入CAD/CAM流程链转换流程当中的第二个步骤——切削力模拟。

切削力模拟

在进行切削力模拟的时候需要使用“生产自动化实脸室公司”的软件工具“CutPro”。为了能够模拟重要的加工情况，首先需要通过实验查明某一个加工步骤当中对于特定刀具-材料组合的切削系数以及刀刃系数。因此，人们需要进行切削力模拟。图3显示了用于验证的必要试生产过程。

为了验证如图4所示的典型的立铣刀，需要进行两次试生产。第一次试生产用于验证在最大进刀深度为1.4mm的情况下的刀刃圆整系数。第二次试生产用于验证刀柄部分。这些系数和每齿进刀晕有关，因此，进刀量是唯一的变量，并且可以根据测量数据精度的要求不断调整。这个唯一的决定性系数对于某些特定的刀具-材料组合有效。CutPro软件的材料数据库当中存储了这些组合，并且能够用于接下来的切削力模拟。

除了上述已经被验证的系数之外，为了能够模拟重要的加工程序还需要相应的工艺数据。进刀深度变量系数与主轴转速、进刀速度以及啮合程度无关。

图5显示了用于分析加工实例的模拟参数，米黄色的模拟结果显示了进刀方向和半径方向上测量到的切削力曲线(蓝色)之间很好的一致性。切削力振幅的最大值可以导入CAD/CAE流程链的下一个步骤——夹紧装置的有限元模拟。

有限元模拟找出夹紧缺陷

为了能够达到要求的加工质量，工件的夹紧装置必须能够提供与预先计算得到的切削力相适应的稳定的夹紧力。此外，夹具还必须能够防止叶片打滑以及不允许出现的夹紧装置变形等现象的发生。按照有限元模拟，必须验证加工过程的稳定性，并且尽可能地找出其中的缺陷。

为了能够进一步开发有限元模拟方法，人们开始审查两个不同的CAE刀具，从而才能尽可能地确定其应用范围。分析过程需要借助Pro-Engineer野火版2当中的“Pro-Mechanica”组件和Ansys软件。有限元模型具有多级性的结构。

接下来将进行几何建模。由于人们已经利用Pro-Engineer软件进行夹其设计，因此如果再使用Pro-Mechanica(Pro-Engineer的组件之一)进行建模将会极大限度地保证数据的连续性。利用Pro-Engineer可以对夹具的有限元几何模型进行简化，生成的有限元模型可以用于Pro-Mechanica组件建模。由于数据的连续性，即使出现额外的更改也不会造成技术上的困难。然后将几何模型数据输出为中间性质的CAD格式，再导入Ansys软件当中进行有限元分析。

如果遇到了数据离散现象，两个程序可以按照它们的程序算法进行基本的辨别Ansys软件是基于所谓的h方式(一种传统的有限元分析方式FEM)，而Pro-Mechanica组件是基于p方式。这种p方式被称为几何元分析(GEA) ，能够在单元内部进行切换，从而能够更好的利用这种建模方式的功能。

在数据离散之后要进行连接和接触的描述。对于夹具而言，摩擦副的意义十分重大。基于几何边界条件，燃气轮机的叶片与夹具的几何形面不可能完全贴合。因此需要验证叶片和夹其之间的摩擦副达到何种程度才能防止打滑现象的发生．针对这些作用力效果的计算需要使用特殊的数字化解决方案，而Pro-Mechanica正好与Ansys相反，无法提供这种数字化的方法。

定义了边界条件之后(固定夹紧装置之后)，并且将切削力模拟的结果定义为外部载荷之后，就可以开始有限元模拟分析。图6就显示了Ansys软件当中进行这种模拟的结果。该图描述的模拟结果说明了出现的滑移高度，以及叶片可能发生的打滑现象。Pro-Mechanica组件却不可能模拟叶片发生打滑或者直接脱离夹紧装置。

基于以上的模拟结果可以决定是否需要对夹具进行优化。如果计算得出的滑移量超过了精度要求所允许的上限，那么就需要重复进行一次如图1所显示的自动调节回路。基于有限元模拟的结果可以在接下来的“夹具设计”步骤当中实施计算结果所要求的优化措施．然后再改复进行CAD/CAE流程链的各个步骤。

结论：流程链实用性得到证实

采集成了数字流程监控之后，工艺过程可以变得更加有效和迅速根据列举的流程实例可以证实其所描述的流程链的实用性。上述被集成在工作准务阶段的方法可以提高产品的质量和流程的安全性，并且能够缩短工件的通过时间。今后的发展将主要专注于集成整个企业的系统流程链，以及确保生产数据与开发流程中所预先设定的数据保持一致。

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