一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法

本发明涉及高温粉末冶金材料切削加工建模，特别涉及一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。

背景技术：

1、航空发动机涡轮盘通常为型线复杂的枞树型，为满足榫槽成形精度与加工效率，通常涡轮盘榫槽大多采用精密高效的拉削加工方式。然而，涡轮盘材料的难加工性，以及在拉削过程中伴随着强烈的“热-力”耦合作用，涡轮盘耐高温合金的切削加工一直是研究的热点和难点，且传统解析手段以及试验方法耗时费力、成本高昂，且难以捕获切削区域状态的瞬时变化情况，需要借助有限元手段来解决该类问题。

2、目前涡轮盘材料切削过程仿真大都将其视为各向同性材料，认为材料属性是连续的，不考虑颗粒的存在。但在微细观尺度下fgh97材料是不连续的，颗粒服从脆性失效准则，因此将宏观材料实验获得的塑性失效准则应用于颗粒是不恰当的。为了更好地理解涡轮盘材料切削机制特性，有限元模型应当充分考虑被切削材料的几何宏微观模型，利用仿真软件的二次开发来实现涡轮盘内部颗粒的随机分布，并利用cohesive内聚力单元来对基体与微观结构之间的界面进行建模。从而可以实现对建模精度的进一步优化，进而加快涡轮盘以及航空发动机的研发与生产，加速我国航天航空、能源、模具、汽车以及国防军工事业的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对目前切削仿真难以真实复现材料微观组织以及微观组织模型建立不精准等问题，提供了一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。本发明是一种以复合材料建模标准来修正金属材料模型的方法；是一种将工件划分三个主体元素(基体、微观组织和微观组织界面)进行建模仿真的方法；是一种基于软件的二次开发，建立包含不同含量、形态、性态以及分布的微观组织模型的方法；是一种借助cohesive内聚力单元，构建微观组织界面相模型的方法。

2、本发明提供的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，包括以下步骤：

3、步骤一、根据被进行切削加工模拟的涡轮盘材料的微观组织信息，构建涡轮盘材料内部微观组织的弥散相模型。在涡轮盘材料的整体模型中减去弥散相模型，得到基体模型。在弥散相模型于基体模型之间创建0厚度界面，得到界面模型。基体模型、弥散相模型和界面模型组合形成工件复合模型。

4、步骤二、构建并优化热力耦合仿真模型；所得热力耦合仿真模型包括刀具模型和步骤一中构建的工件复合模型。

5、步骤三、利用步骤二得到的热力耦合仿真模型进行切削模拟，得到切削模拟结果。切削模拟结果包括涡轮盘材料在切削模拟中物理参数的变化。

6、作为优选，步骤三所述的物理参数包括切削力、切削温度、应力、应变、切屑形貌、切屑分布和切屑粘结。

7、作为优选，所述的热力耦合仿真模型中的分析步选用显示动态分析步。

8、作为优选，在热力耦合仿真模型中，刀具模型和工件复合模型的接触区域及其周边采用精细网格进行划分；其他区域采用粗网格进行划分。

9、作为优选，所述的热力耦合仿真模型中定义材料属性、网格划分、装配定位、创建分析步及输出变量、设置刀具与工件之间的接触约束、对刀具设置运动特性和施加载荷，并最后提交运算器求解。

10、作为优选，涡轮盘材料的微观组织信息的获取过程如下：对被进行切削加工模拟的涡轮盘材料进行切割、粗磨、精磨、抛光、超声清洗、腐蚀、清洗、烘干，制备出待观察件；通过电子显微镜观察待观察件的微观组织信息；微观组织信息包括微观组织分布、微观组织种类、微观组织大小以及微观组织含量。

11、作为优选，被进行切削加工模拟的涡轮盘材料的材质为镍基γ'相沉淀强化型粉末冶金高温合金。刀具模型的材料采用t15粉末冶金高速钢。

12、作为优选，被进行切削加工模拟的涡轮盘材料中微观组织的成分为tic和/或nbc。

13、作为优选，tic在涡轮盘材料中的质量分数为1％；nbc在涡轮盘材料中的质量分数为2％。

14、作为优选，所述的弥散相模型由多个直径为2μm-20μm的圆形颗粒模型组成。

15、第二方面，本发明提供一种计算机设备，其包括存储器和至少一个处理器；所述存储器存储计算机执行指令；所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器执行前述的涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。

16、第三方面，本发明提供一种可读存储介质，存储有计算机指令；所述计算机指令被处理器执行时用于实现如前述的涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。

17、本发明的有益效果为：

18、1、本发明在涡轮盘材料整体模型的基础上进一步构建了包含微观组织的工件复合模型，更符合涡轮盘材料的实际情况，提高了热力耦合切削仿真模型的仿真结果的准确性，从而能够通过仿真的方式，对涡轮盘材料的加工进行性能预测和仿真测试。

19、2、本发明基于有限元仿真软件，实现了基体模型，微观组织的弥散相模型，微观组织与基体间的界面模型的建立，从而使得对涡轮盘材料的切削模拟结果更接近于实际。

20、3、本发明使用有限元仿真软件，对涡轮盘材料切削过程进行仿真模拟，仿真结果精确、可信度高，可以得到实验中较难获得的数据，而且能够对整个加工过程进行预测，对实践具有显著的指导价值。

技术特征：

1.一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：步骤三所述的物理参数包括切削力、切削温度、应力、应变、切屑形貌、切屑分布和切屑粘结。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：所述的热力耦合仿真模型中的分析步选用显示动态分析步。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：在热力耦合仿真模型中，刀具模型和工件复合模型的接触区域及其周边采用精细网格进行划分；其他区域采用粗网格进行划分。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：所述的热力耦合仿真模型中定义材料属性、网格划分、装配定位、创建分析步及输出变量、设置刀具与工件之间的接触约束、对刀具设置运动特性和施加载荷，并最后提交运算器求解。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：涡轮盘材料的微观组织信息的获取过程如下：对被进行切削加工模拟的涡轮盘材料进行切割、粗磨、精磨、抛光、超声清洗、腐蚀、清洗、烘干，制备出待观察件；通过电子显微镜观察待观察件的微观组织信息；微观组织信息包括微观组织分布、微观组织种类、微观组织大小以及微观组织含量。

7.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：被进行切削加工模拟的涡轮盘材料的材质为镍基γ'相沉淀强化型粉末冶金高温合金。被进行切削加工模拟的涡轮盘材料中微观组织的成分为tic和/或nbc。

8.根据权利要求1所述的一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法，其特征在于：所述的弥散相模型由多个直径为2μm-20μm的圆形颗粒模型组成。

9.一种计算机设备，包括存储器和至少一个处理器；其特征在于：所述存储器存储计算机执行指令；所述至少一个处理器执行所述存储器存储的计算机执行指令，使得所述至少一个处理器执行如权利要求1-8中任意一项所述的涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。

10.一种可读存储介质，存储有计算机指令；其特征在于：所述计算机指令被处理器执行时用于实现如权利要求1-8中任意一项所述的涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。

技术总结
本发明公开了一种涡轮盘材料切削加工的高性能建模方法。该方法如下：一、构建基体模型、弥散相模型和界面模型组合形成工件复合模型。二、构建并优化热力耦合仿真模型；所得热力耦合仿真模型包括刀具模型和步骤一中构建的工件复合模型。三、利用步骤二得到的热力耦合仿真模型进行切削模拟，得到切削模拟结果。切削模拟结果包括涡轮盘材料在切削模拟中物理参数的变化。本发明在涡轮盘材料整体模型的基础上进一步构建了包含微观组织的工件复合模型，更符合涡轮盘材料的实际情况，提高了热力耦合切削仿真模型的仿真结果的准确性，从而能够通过仿真的方式，对涡轮盘材料的加工进行性能预测和仿真测试。

技术研发人员：倪敬,苏忠跃,蒙臻,童康成,李锐智
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15