叶片切边过程有限元分析及模具优化设计(附件)【字数：11172】
摘 要摘 要叶片是汽轮机、航空发动机和燃气轮机上极为重要的零件之一，由于叶片工作环境的限制、较高的使用力学性能要求以及本身复杂的形状尺寸，在叶片的生产制造中，需要有较好的生产工艺和合理的模具参数设计。叶片切边过程比较复杂，一般都是采用过程数值模拟来研究。通过对切边模工艺的分析进行模具设计和使用deform软件对切边模具的优化设计将成为切边模生产设计部分中比较重要一个环节。在本文中，首先，运用UG软件通过叶片锻件的三维模型设计出锻造模具和叶片成形切边模具的三维造型图。其次，在deform软件中对设计的锻模三维造型进行数值模拟，锻出带有一定飞边的终锻件，然后再对终锻件的切边过程进行数值模拟仿真。通过改变切边模具的凸凹模间隙值和冲头的切边速度，对比锻件切边过程中的切边光洁面情况和模具所受负载的变化情况，得到凸凹模间隙值与叶片切边光洁面变化曲线以及切边速度与模具所受负载的曲线。最后根据模拟结果选择合适的凸凹模间隙和冲头切切速度，对模具参数进行优化处理。关键词叶片切边模具；模具优化设计；冲裁间隙；有限元模拟
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 精冲技术国内外研究现状 1
1.3 锻造与切边过程基本理论 3
1.3.1 锻造成型过程 5
1.3.2 锻造过程的应力应变分析 5
1.3.3 切边模凸、凹模间隙 8
1.4 课题研究内容 8
第二章 UG软件介绍及切边模三维造型 9
2.1 UG软件介绍 9
2.2 切边模的三维造型设计 9
2.2.1 锻件坯料分析 10
2.2.2 绘制分模面 11
2.2.3 锻模的设计 12
2.2.4 切边模的设计 12
第三章 叶片锻造过程模拟 19
3.1 DEFORM软件介绍 19
3.2 叶片锻造过程 20
3.2.1 叶片锻件的终锻过程模拟 20
第四章 切边过程模拟 23
4.1 模拟造型的建立 23
4.2 叶片切边过程模拟模型 24
4.3 断裂准则的选择 25
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.4 模拟仿真处理 27
4.5 切边过程模拟 27
第五章 叶片的切边质量 30
5.1 切边质量分析 30
5.1.1 切边质量介绍 30
5.2 凸凹模间隙值对切变质量的影响 31
5.3 切变速度与切边模具的关系 33
5.4 本章小结 34
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 引言
叶片是一种在汽轮机、航空发动机和燃气轮机等中的关键性零件。它们尺寸、形状都不相同，承担着热能向机械能转换的关键性任务。叶片在高压、高温、高腐蚀、高转速的恶劣环境下工作，并且叶片常常要承受较大的离心拉应力、弯曲应力及震动所产生动应力等，在工作过程中时有事故发生，因此其要求具有很高的强度以及优良的综合机械性能。为了解决减少叶片在工作过程中的事故发生，满足某些特殊的气动性能，要求叶片具有复杂的几何形状、极高的表面光洁度和加工精度等，需采用特殊的加工工艺。其中，模锻成形工艺具有加工效率高、金属流线连续，而且能够获得致密的晶粒组织、综合机械性能好、加工余量小等优点[1]。因此，叶片多采用模锻方式成形。为解决叶片模锻成形中出现的各种问题，提高模锻叶片质量，优化模锻工艺，延长模锻模具寿命，节约原材料和能源，在叶片的模锻过程中进行认真研究有着一定的必要性。研究叶片模锻过程的方法一般可分为实际试验法和数值模拟法。大规模生产叶片锻件在朝着高精度方向、轻量化发展的同时，要求节约原材料，降低模具费用，缩短生产周期，实现这些目标如果仅仅依赖于传统的实际试验法是不行的，因此相较实际实验，数值模拟就显得更具有优势。
毛坯终端完成之后，会不可避免的出现一定的飞边，这也使得切边工序成为了锻造成形中一道必不可少的工序之一[2]。切边工序直接影响着锻件的最终质量，切边工序的合理设计将会大大减少叶片锻件后续处理的工作，而切边工序设计合理与否与切边模具的凸凹模间隙值有着直接的关系。间隙值过大或者过小，都会影响锻件飞边的切口质量，会常常伴随出现锻件压伤、切肉和变形等问题[3]。为尽量减少和优化这些问题，本课题采用deform仿真技术对叶片切边生产过程进行数值模拟仿真。通过控制改变凸凹模间隙值和冲头冲切速度，观察分析切变质量，并根据所得数据对切边模具进行参数优化，处理所遇到的切边毛刺、不光滑以及切肉等问题，提高模具的使用寿命。
1.2 精冲技术国内外研究现状
目前，国内外能够获得最佳叶片锻件质量和工艺参数的方法是正交设计方法。正交设计方法的设计思路是：在综合研究的基础上对所得的数据进行级差分析，对比分析选出最优的工艺参数，并在计算机中对试验数据进行回归分析，对工艺参数建立性能指标和尺寸精度的回归方程。通过建立定量关系来控制和预测工艺参数与锻件性能和尺寸的关系。其中，在叶片锻造中提高尺寸精度是叶片生产的关键技术之一[4]。叶片精锻技术要求尺寸精度高，检测严格。近几年来，对叶片精锻工艺和叶片的检测技术国内很多专家学者和企业做了大量的深入研究，并获得了许多成果。研究过程中，数值模拟技术得到了越来越广泛的应用，目前已成为分析塑性成形问题的最主要方法之一。在国内，西北工业大学刘郁丽、詹梅等对带阻尼台的单榫头叶片及航空叶通过自行开发的3DPFS有限元系统进行模拟分析，得出了材料充填过程中模具流动成形的规律，并分析了摩擦对充填过程的影响。研究工作着重于材料的成形规律分析，没有对叶片尺寸变化、热循环引起的模具成形变化规律进行研究。美国伯特利—哥伦布在实验室最早研制的BLDFORG的叶片锻造CAD/CAM系统中，用主应力法模拟了叶片的锻造过程，并优化了模具设计和工艺参数。KgermanNA等在涡轮叶片精锻模具设计与制造中的应用中论述了CAD/CAM技术；李晓丽等采用模块化设计思想，在CAD/CAM软件UG的基础上开发的叶片锻模CAD系统中，利用自动设计和交互设计相结合的设计方法，实现了叶片的锻模设计和实体造型。这些CAD/CAM技术及叶片精锻工艺的研究在叶片精锻工艺中的应用都是在经验基础上建立的，是积累和集成经验的结果。叶片是一种复杂的典型自由曲面类零件，其形状和尺寸误差对二次流耗有着很大的影响，型面质量对汽轮机等的能量转换效率也有着很大的影响。因此检测叶片的型面质量，广大设计者和生产厂商一直在关注研究。目前，国内生产厂家主要采用框架式样板综合量具或三坐标机测量仪法来检测。哈尔滨工程大学的李钢通过CCD作为传感器，开发了一种新的叶片测量系统，该系统具有准确度高、测量效率高、快速装夹和应用灵活等特点[5]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 精冲技术国内外研究现状 1
1.3 锻造与切边过程基本理论 3
1.3.1 锻造成型过程 5
1.3.2 锻造过程的应力应变分析 5
1.3.3 切边模凸、凹模间隙 8
1.4 课题研究内容 8
第二章 UG软件介绍及切边模三维造型 9
2.1 UG软件介绍 9
2.2 切边模的三维造型设计 9
2.2.1 锻件坯料分析 10
2.2.2 绘制分模面 11
2.2.3 锻模的设计 12
2.2.4 切边模的设计 12
第三章 叶片锻造过程模拟 19
3.1 DEFORM软件介绍 19
3.2 叶片锻造过程 20
3.2.1 叶片锻件的终锻过程模拟 20
第四章 切边过程模拟 23
4.1 模拟造型的建立 23
4.2 叶片切边过程模拟模型 24
4.3 断裂准则的选择 25
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.4 模拟仿真处理 27
4.5 切边过程模拟 27
第五章 叶片的切边质量 30
5.1 切边质量分析 30
5.1.1 切边质量介绍 30
5.2 凸凹模间隙值对切变质量的影响 31
5.3 切变速度与切边模具的关系 33
5.4 本章小结 34
结 论 35
致 谢 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1 引言
叶片是一种在汽轮机、航空发动机和燃气轮机等中的关键性零件。它们尺寸、形状都不相同，承担着热能向机械能转换的关键性任务。叶片在高压、高温、高腐蚀、高转速的恶劣环境下工作，并且叶片常常要承受较大的离心拉应力、弯曲应力及震动所产生动应力等，在工作过程中时有事故发生，因此其要求具有很高的强度以及优良的综合机械性能。为了解决减少叶片在工作过程中的事故发生，满足某些特殊的气动性能，要求叶片具有复杂的几何形状、极高的表面光洁度和加工精度等，需采用特殊的加工工艺。其中，模锻成形工艺具有加工效率高、金属流线连续，而且能够获得致密的晶粒组织、综合机械性能好、加工余量小等优点[1]。因此，叶片多采用模锻方式成形。为解决叶片模锻成形中出现的各种问题，提高模锻叶片质量，优化模锻工艺，延长模锻模具寿命，节约原材料和能源，在叶片的模锻过程中进行认真研究有着一定的必要性。研究叶片模锻过程的方法一般可分为实际试验法和数值模拟法。大规模生产叶片锻件在朝着高精度方向、轻量化发展的同时，要求节约原材料，降低模具费用，缩短生产周期，实现这些目标如果仅仅依赖于传统的实际试验法是不行的，因此相较实际实验，数值模拟就显得更具有优势。
毛坯终端完成之后，会不可避免的出现一定的飞边，这也使得切边工序成为了锻造成形中一道必不可少的工序之一[2]。切边工序直接影响着锻件的最终质量，切边工序的合理设计将会大大减少叶片锻件后续处理的工作，而切边工序设计合理与否与切边模具的凸凹模间隙值有着直接的关系。间隙值过大或者过小，都会影响锻件飞边的切口质量，会常常伴随出现锻件压伤、切肉和变形等问题[3]。为尽量减少和优化这些问题，本课题采用deform仿真技术对叶片切边生产过程进行数值模拟仿真。通过控制改变凸凹模间隙值和冲头冲切速度，观察分析切变质量，并根据所得数据对切边模具进行参数优化，处理所遇到的切边毛刺、不光滑以及切肉等问题，提高模具的使用寿命。
1.2 精冲技术国内外研究现状
目前，国内外能够获得最佳叶片锻件质量和工艺参数的方法是正交设计方法。正交设计方法的设计思路是：在综合研究的基础上对所得的数据进行级差分析，对比分析选出最优的工艺参数，并在计算机中对试验数据进行回归分析，对工艺参数建立性能指标和尺寸精度的回归方程。通过建立定量关系来控制和预测工艺参数与锻件性能和尺寸的关系。其中，在叶片锻造中提高尺寸精度是叶片生产的关键技术之一[4]。叶片精锻技术要求尺寸精度高，检测严格。近几年来，对叶片精锻工艺和叶片的检测技术国内很多专家学者和企业做了大量的深入研究，并获得了许多成果。研究过程中，数值模拟技术得到了越来越广泛的应用，目前已成为分析塑性成形问题的最主要方法之一。在国内，西北工业大学刘郁丽、詹梅等对带阻尼台的单榫头叶片及航空叶通过自行开发的3DPFS有限元系统进行模拟分析，得出了材料充填过程中模具流动成形的规律，并分析了摩擦对充填过程的影响。研究工作着重于材料的成形规律分析，没有对叶片尺寸变化、热循环引起的模具成形变化规律进行研究。美国伯特利—哥伦布在实验室最早研制的BLDFORG的叶片锻造CAD/CAM系统中，用主应力法模拟了叶片的锻造过程，并优化了模具设计和工艺参数。KgermanNA等在涡轮叶片精锻模具设计与制造中的应用中论述了CAD/CAM技术；李晓丽等采用模块化设计思想，在CAD/CAM软件UG的基础上开发的叶片锻模CAD系统中，利用自动设计和交互设计相结合的设计方法，实现了叶片的锻模设计和实体造型。这些CAD/CAM技术及叶片精锻工艺的研究在叶片精锻工艺中的应用都是在经验基础上建立的，是积累和集成经验的结果。叶片是一种复杂的典型自由曲面类零件，其形状和尺寸误差对二次流耗有着很大的影响，型面质量对汽轮机等的能量转换效率也有着很大的影响。因此检测叶片的型面质量，广大设计者和生产厂商一直在关注研究。目前，国内生产厂家主要采用框架式样板综合量具或三坐标机测量仪法来检测。哈尔滨工程大学的李钢通过CCD作为传感器，开发了一种新的叶片测量系统，该系统具有准确度高、测量效率高、快速装夹和应用灵活等特点[5]。
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