本發(fā)明屬于燃氣輪機葉片加工，具體涉及一種燃機葉片榫頭表面定域定式定量超聲強化方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、燃氣輪機葉片榫頭作為連接輪盤的關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，其表面完整性直接影響葉片的疲勞壽命與服役可靠性，因此需要對榫頭齒面區(qū)域進行強化。然而，現(xiàn)有表面強化技術(shù)在應(yīng)對榫頭復(fù)雜形貌時存在諸多技術(shù)瓶頸，其中，傳統(tǒng)噴丸強化技術(shù)受限于彈丸直徑與齒槽深寬比的物理約束，難以有效覆蓋深窄齒槽區(qū)域，導(dǎo)致局部殘余壓應(yīng)力層缺失，而超聲振碾能對材料表面進行高精度處理，對殘余應(yīng)力分布區(qū)進行可控強化，但是現(xiàn)有針對葉片榫頭的超聲振碾強化方法主要采用整體強化，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)提高應(yīng)力集中部位的抗疲勞和抗變形能力，但易導(dǎo)致除應(yīng)力集中部位外其他區(qū)域材料性能的退化，且整體強化方法能耗高；此外，由于葉片榫頭形貌復(fù)雜，常規(guī)加工路徑規(guī)劃算法難以適應(yīng)榫頭齒面與轉(zhuǎn)接角的曲率突變特征，導(dǎo)致工具頭與工件接觸面積偏差較大，且現(xiàn)有技術(shù)缺乏針對非連續(xù)曲面的動態(tài)載荷控制能力，加工過渡區(qū)時存在顯著的響應(yīng)延遲，造成沖擊能量密度分布不均，進而嚴重制約了榫頭表面強化質(zhì)量的提升，因此需設(shè)計一種能夠避免過度加工且能對實現(xiàn)對榫頭任意位置進行強化的強化方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出一種燃機葉片榫頭表面定域定式定量超聲強化方法及裝置。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一種燃機葉片榫頭表面定域定式定量超聲強化方法，具體如下：

4、s1、使工件夾具夾住待強化燃機葉片的榫頭兩側(cè)平面部分，并使待強化燃機葉片的葉身與榫頭之間的凸臺面與工件夾具的側(cè)面貼合，其中，工件夾具由a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺驅(qū)動繞水平軸線轉(zhuǎn)動，a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺由設(shè)于試驗平臺上的電動二維平移臺驅(qū)動在水平面上平移，試驗平臺上固定龍門架，龍門架上設(shè)有z軸位移裝置，z軸位移裝置驅(qū)動超聲發(fā)生器帶動刀具夾具和振碾刀具升降，超聲發(fā)生器通過刀具夾具帶動振碾刀具沿豎直方向往復(fù)振動，且初始狀態(tài)下，工件夾具側(cè)面豎直設(shè)置，使得待強化燃機葉片榫頭的中軸線水平布置。

5、s2、確定待強化燃機葉片榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的待加工區(qū)域以及待加工區(qū)域的工藝參數(shù)和加工路徑；其中，工藝參數(shù)包括振幅、最大振碾力和進給速度。

6、s3、根據(jù)步驟s2確定的待強化燃機葉片榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域各待加工區(qū)域以及各待加工區(qū)域的工藝參數(shù)和加工路徑，對待強化燃機葉片榫頭朝上的一側(cè)齒面區(qū)域進行超聲振碾強化加工，且超聲振碾強化加工過程中，z軸位移裝置驅(qū)動超聲刀夾升降，電動二維平移臺驅(qū)動a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺帶動工件夾具和待強化燃機葉片平移，a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺驅(qū)動工件夾具帶動待強化燃機葉片傾斜，超聲刀夾中超聲發(fā)生器驅(qū)動刀具夾具帶動振碾刀具沿豎直方向往復(fù)振動，使得振碾刀具在該齒面區(qū)域的各待加工區(qū)域內(nèi)沿著榫齒齒面按照相應(yīng)的加工路徑移動，并以相應(yīng)的工藝參數(shù)進行超聲振碾強化工作，且振碾刀方向與榫齒齒面曲面法向一致，直至完成該齒面區(qū)域各待加工區(qū)域的超聲振碾強化工作。

7、s4、完成待強化燃機葉片榫頭朝上一側(cè)齒面區(qū)域的強化加工后，取下待強化燃機葉片并調(diào)轉(zhuǎn)待強化燃機葉片方向，按照步驟s1重新裝夾待強化燃機葉片，使待強化燃機葉片榫頭未進行超聲振碾強化的一側(cè)齒面區(qū)域朝上，完成超聲振碾強化的一側(cè)齒面區(qū)域朝下，并重復(fù)步驟s3，進而完成待強化燃機葉片榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的超聲振碾強化加工工作。

8、優(yōu)選地，所述步驟s2的具體過程為：

9、(1)基于待強化燃機葉片以及與待強化燃機葉片相匹配的輪盤結(jié)構(gòu)，建立輪盤模型和待強化燃機葉片模型。

10、(2)使用輪盤模型和待強化燃機葉片模型進行服役工況模擬，得到待強化燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域各節(jié)點的最大主應(yīng)力、應(yīng)變幅和等效應(yīng)力。

11、(3)計算榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域各節(jié)點的swt值，并計算榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值和所有節(jié)點等效應(yīng)力的平均值，swt值計算公式為：

12、

13、式中，σmax為最大主應(yīng)力，δε為應(yīng)變幅，e為材料彈性模量。

14、(4)將榫頭每側(cè)齒面區(qū)域各節(jié)點的swt值中大于swt平均值的節(jié)點位置劃分為預(yù)選加工區(qū)域一，將榫頭每側(cè)齒面區(qū)域各節(jié)點的等效應(yīng)力大于等效應(yīng)力平均值的節(jié)點位置劃分為預(yù)選加工區(qū)域二，將各預(yù)選加工區(qū)域一和預(yù)選加工區(qū)域二疊加，進而得到待強化燃機葉片榫頭每側(cè)齒面區(qū)域的待強化區(qū)域；接著將待強化燃機葉片榫頭每側(cè)齒面區(qū)域的待強化區(qū)域劃分為齒根r角區(qū)、深窄齒槽區(qū)、轉(zhuǎn)接角過渡區(qū)和接觸平面區(qū)四種待加工區(qū)域，進而得到待強化燃機葉片榫頭每側(cè)齒面部分的各待加工區(qū)域，然后使用曲率分析工具計算各待加工區(qū)域的曲率半徑，將曲率半徑小于1mm的位置劃分為難以加工區(qū)域，進而得到待強化燃機葉片榫頭每側(cè)齒面部分各待加工區(qū)域內(nèi)的難以加工區(qū)域。

15、(5)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)的值，并設(shè)計不同的加工路徑。

16、(6)在預(yù)設(shè)工藝參數(shù)下使用每種加工路徑對待強化燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的各待加工區(qū)域進行有限元仿真強化。

17、(7)針對每種加工路徑重復(fù)一次步驟(2)，且每次重復(fù)時將待強化燃機葉片模型替換成使用其中一種加工路徑完成有限元仿真強化后的燃機葉片模型，進而得到每種加工路徑下仿真強化后燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的每個待加工區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的最大主應(yīng)力、應(yīng)變幅和等效應(yīng)力，接著計算每種加工路徑下仿真強化后燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的每個待加工區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的swt值，并計算每種加工路徑下仿真強化后燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的同一種待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值和所有節(jié)點等效應(yīng)力的平均值，以及除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值和所有節(jié)點等效應(yīng)力的平均值。

18、(8)若仿真強化后燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的某一種待加工區(qū)域內(nèi)除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值在某種加工路徑下最小，且與其他加工路徑相比最小偏差值大于1％，則以swt值平均值最小的加工路徑為該種待加工區(qū)域最優(yōu)的加工路徑，反之則以仿真強化后燃機葉片模型榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域的該種待加工區(qū)域內(nèi)除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點等效應(yīng)力的平均值最小相對應(yīng)的加工路徑為該種待加工區(qū)域最優(yōu)的加工路徑；若某種待加工區(qū)域內(nèi)除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值與難以加工區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值的差值大于5％，則對這種待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域的工藝參數(shù)值進行修改。

19、更優(yōu)選地，所述步驟(2)的具體過程為：

20、2.1將待強化燃機葉片模型和輪盤模型導(dǎo)入abaqus有限元軟件中，對待強化燃機葉片模型的榫頭進行網(wǎng)格劃分，其中，待強化燃機葉片模型榫頭的兩側(cè)齒面區(qū)域網(wǎng)格尺寸≤0.1mm，除兩側(cè)齒面區(qū)域外的其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸≤0.5mm。

21、2.2、物理場建模：賦予待強化燃機葉片模型的材料屬性。

22、2.3、溫度場建模：通過計算流體動力學獲取燃燒室出口溫度場分布，結(jié)合葉片冷卻通道的冷卻效率，建立非均勻溫度場模型，并加載穩(wěn)態(tài)溫度場，設(shè)置待強化燃機葉片模型的榫頭溫度為500℃，葉身溫度為400℃。

23、2.4、載荷定義：設(shè)置轉(zhuǎn)速變化范圍，通過旋轉(zhuǎn)參考系施加離心加速度，再根據(jù)待強化燃機葉片模型的材料屬性得到葉片質(zhì)量，從而得到離心力載荷。

24、2.5、接觸定義：設(shè)置待強化燃機葉片模型榫頭與輪盤模型榫槽的接觸面定義為“面-面接觸”，摩擦模型為庫倫摩擦，接觸剛度系數(shù)penetration?tolerance＝0.001mm。

25、2.6、邊界條件設(shè)置：設(shè)置待強化燃機葉片模型榫頭與輪盤模型榫槽的接觸面接觸壓力為法向壓力，且法向壓力值為80mpa，摩擦系數(shù)μ＝0.4，輪盤模型端面固定約束，對稱面施加對稱邊界條件。

26、2.7、分析步設(shè)置：①靜力學分析中，預(yù)緊步為施加裝配預(yù)緊力或過盈配合，消除初始接觸間隙，服役載荷步為離心力載荷、溫度場熱載荷和接觸壓力疊加，求解待強化燃機葉片模型榫頭每側(cè)齒面區(qū)域在離心力載荷、溫度場熱載荷和接觸壓力下的應(yīng)力應(yīng)變分布圖；②瞬態(tài)微動分析：設(shè)置顯式動力學加載10次循環(huán)，且每次循環(huán)在榫頭每側(cè)齒面區(qū)域的各節(jié)點上沿切向施加正弦波周期性微動位移載荷。

27、2.8、進行服役工況模擬，在abaqus后處理中提取最后一次循環(huán)中榫頭兩側(cè)齒面區(qū)域各節(jié)點的最大主應(yīng)力、應(yīng)變幅和等效應(yīng)力。

28、更優(yōu)選地，所述齒根r角區(qū)為榫頭榫齒底部與基體過渡位置處，深窄齒槽區(qū)為榫頭相鄰榫齒間的凹槽位置處，轉(zhuǎn)接角過渡區(qū)為榫頭榫齒工作側(cè)面與非工作側(cè)面之間的轉(zhuǎn)角位置處，接觸平面區(qū)為榫頭榫齒與輪盤榫槽接觸的承力面位置處。

29、更優(yōu)選地，所述加工路徑包括：a路徑，沿榫頭榫齒厚度方向往復(fù)運動并呈現(xiàn)蛇形，且一個往復(fù)運動中振碾刀具重疊率為0％；b路徑，沿榫頭榫齒厚度方向往復(fù)運動并呈現(xiàn)蛇形，且一個往復(fù)運動中振碾刀具重疊率為50％；c路徑，貼著榫頭榫齒齒面沿垂直于榫齒厚度方向往復(fù)運動并呈現(xiàn)蛇形，且一個往復(fù)運動中振碾刀具重疊率為0％；d路徑，貼著榫頭榫齒齒面沿垂直于榫齒厚度方向往復(fù)運動并呈現(xiàn)蛇形，且一個往復(fù)運動中振碾刀具重疊率為50％。

30、更優(yōu)選地，對各待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域的工藝參數(shù)值進行修改的過程為：對各待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域的工藝參數(shù)值進行修改的過程為：ⅰ在預(yù)設(shè)工藝參數(shù)值的基礎(chǔ)上，將振幅增加1μm，最大振碾力增加10n，進給速度增加10mm/min；ⅱ執(zhí)行步驟(7)；ⅲ若這種待加工區(qū)域內(nèi)除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值與難以加工區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值的差值大于其5％，則返回步驟ⅰ，反之則以此時的工藝參數(shù)值為這種待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域的最優(yōu)工藝參數(shù)值。

31、優(yōu)選地，所述步驟s3中，進行超聲振碾強化加工時，z軸位移裝置根據(jù)a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺和電動二維平移臺之間設(shè)置的力傳感器實時檢測的待強化燃機葉片榫頭在超聲發(fā)生器一個振動周期內(nèi)受到的最大振碾力不斷調(diào)整振碾刀具高度，使待強化燃機葉片榫頭受到的最大振碾力為步驟s2得到的最大振碾力，且調(diào)整過程為：當檢測到的最大振碾力高于步驟s2得到的最大振碾力，z軸位移裝置驅(qū)動超聲發(fā)生器通過刀具夾具帶動振碾刀具上升，減小振碾刀具與強化燃機葉片榫頭的接觸面積，從而使得強化燃機葉片榫頭受到的最大振碾力下降，當檢測到的最大振碾力低于步驟s2得到的最大振碾力，z軸位移裝置驅(qū)動超聲發(fā)生器通過刀具夾具帶動振碾刀具下降，增大振碾刀具與強化燃機葉片榫頭的接觸面積，從而使得強化燃機葉片榫頭受到的最大振碾力上升。

32、本發(fā)明一種燃機葉片榫頭表面定域定式定量超聲強化裝置，包括z軸位移裝置、超聲刀夾、試驗平臺、龍門架、工件夾具、a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺、力傳感器和電動二維平移臺；所述龍門架固定于試驗平臺上，且z軸位移裝置設(shè)于龍門架上；超聲刀夾由超聲發(fā)生器、刀具夾具和振碾刀具組成，超聲發(fā)生器由z軸位移裝置驅(qū)動升降，并驅(qū)動刀具夾具沿豎直方向往復(fù)振動，振碾刀具固定于刀具夾具上遠離z軸位移裝置的一端；所述電動二維平移臺設(shè)于試驗平臺上，驅(qū)動a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺在水平面上平移；a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺驅(qū)動工件夾具繞水平軸線轉(zhuǎn)動，且a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺和電動二維平移臺之間設(shè)有力傳感器。

33、本發(fā)明具有以下有益效果：

34、本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對燃機葉片榫頭表面定域定式定量的強化，在避免過度加工的同時能實現(xiàn)對榫頭任意位置的強化。具體地，本發(fā)明通過對燃機葉片進行服役工況有限元分析模擬和計算，得到榫頭每個齒面區(qū)域各節(jié)點的swt值和等效應(yīng)力，以每個齒面區(qū)域各節(jié)點的swt值和等效應(yīng)力作為判斷依據(jù)得到各齒面區(qū)域的待強化區(qū)域，通過分析榫齒齒面的幾何復(fù)雜度，將每個齒面區(qū)域的待強化區(qū)域劃分成為齒根r角區(qū)、深窄齒槽區(qū)、轉(zhuǎn)接角過渡區(qū)和接觸平面區(qū)四種待加工區(qū)域，并對各待加工區(qū)域進一步細化，劃分出難以加工區(qū)域，進而實現(xiàn)對榫頭表面強化位置的定域工作，避免后期強化時出現(xiàn)過度加工，減小能耗；本發(fā)明設(shè)計不同加工路徑，使振碾刀具通過多軸聯(lián)動系統(tǒng)(由z軸位移裝置、a軸傾斜俯仰角調(diào)整平臺和電動二維平移臺組成)按照加工路徑進行強化，能夠適應(yīng)榫齒齒面復(fù)雜幾何區(qū)域，避免現(xiàn)有常規(guī)加工路徑規(guī)劃算法難以適應(yīng)榫齒齒面與轉(zhuǎn)接角的曲率突變特征的問題，且本發(fā)明通過使用每種加工路徑在預(yù)設(shè)工藝參數(shù)下對各待加工區(qū)域進行有限元仿真強化加工，并使用仿真強化后的燃機葉片進行服役工況有限元分析模擬和計算，得到榫頭每個齒面區(qū)域各待加工區(qū)域各節(jié)點的swt值和等效應(yīng)力，以各待加工區(qū)域除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域的各節(jié)點swt值和等效應(yīng)力作為判斷依據(jù)，得到各種待加工區(qū)域的最優(yōu)加工路徑，并以各待加工區(qū)域內(nèi)難以加工區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值和除難以加工區(qū)域外其他區(qū)域所有節(jié)點swt值的平均值對比，對難以加工區(qū)域的工藝參數(shù)進行迭代優(yōu)化，使得各待加工區(qū)域在進行強化加工后能夠?qū)崿F(xiàn)全域均勻的疲勞性能提升，進而實現(xiàn)對榫頭表面強化位置的定式工作；進一步，本發(fā)明在對燃機葉片榫頭進行強化工作時，根據(jù)力傳感器檢測到的超聲發(fā)生器一個振動周期內(nèi)振碾刀具對燃機葉片榫頭的最大振碾力，通過z軸位移裝置調(diào)整振碾刀具的高度，從而優(yōu)化待強化燃機葉片榫頭受到的最大振碾力，進而實現(xiàn)了對榫頭表面強化位置的定量工作，最終實現(xiàn)了對燃機葉片榫頭表面定域定式定量的強化工作。