【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于大型转子回转零件的精密加工，具体涉及大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法。
技术介绍
1、工业汽轮机、燃气轮机及航空发动机等高端透平机械装备，都要通过大型回转零件(如最长6-8m整锻轴、最大直径800mm涡轮盘等)实现能量转换。业界一致认为，该类零件的加工精度会直接影响能量转换效率及设备运行的安全性，因此设计端往往会对该类零件提出极高的尺寸精度要求。其中，大型转子整锻轴的切削加工过程中，特别是在大型转子整锻轴的外圆柱面加工中，工件加工表面由于温度不均引发热膨胀问题，导致加工表面出现几何误差呈现非线性变化的现象，进而造成工件动平衡性能不稳定的问题，因此如何有效控制温度对加工变形量的影响，实现大型转子整锻轴动平衡性能的精准保证显得尤为重要。
2、现有在控制加工热变形领域有一些较为成熟的方法，但目前针对透平机械大型回转零件加工中控温控形控性一体化协同实现数字精密加工的方法还没有，为了有效实现加工中大型回转零件外圆面受热变形量精准预测及检测，有效关联外圆面尺寸误差与动平衡性能，亟需一种可满足大型回转零件外圆高性能加工需求的加工方法。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了克服现有技术不足，提出大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，具体如下：
4、步骤一、获取非均质非连续特性的工件样本晶体学数据。
5、
6、步骤三、建立车削加工有限元模型。
7、步骤四、建立力-热-液耦合的切削仿真模型。
8、步骤五、使用切削仿真模型进行切削仿真实验，得到由工件表面温度场数据、工件几何误差数据以及各加工参数组成的训练数据集和验证数据集；其中，各加工参数包括刀具磨损量、刀具几何参数、进给量和切削液流量，几何误差包括形状误差、位置误差和尺寸误差。
9、步骤六、以各加工参数和随切削时间变化的工件表面温度场数据为输入数据，以工件的几何误差为输出数据，建立几何误差传递规律模型。
10、步骤七、对训练数据集和验证数据集的各输入数据进行归一化处理，使用归一化处理后的训练数据集和验证数据集对几何误差传递规律模型进行训练和验证。
11、步骤八、识别工件上的关键几何结构。
12、步骤九、数控机床根据设置的各加工参数对工件进行加工，且加工过程控制系统结合各加工参数、实时检测的加工区域温度场和几何误差传递规律模型，优化进给量和切削液流量，使工件表面温度场满足预设温度要求，并使工件上各位置处的几何精度符合精度要求，若优化进给量和切削液流量无法达到温度和精度要求，更换刀具来改变刀具磨损量或刀具几何参数。
13、步骤十、工件完成加工后，测量工件上各关键几何结构位置处的几何误差。
14、步骤十一、基于步骤十测量的各关键几何结构位置处的几何误差对完成加工后的工件进行动平衡性能预测。
15、优选地，所述步骤一的过程为：切割工件样品，将工件样品制备成工件样本，通过扫描电子显微镜对工件样本进行检测，采集工件样本的晶体学数据，得到工件样本的晶体学图像，其中，采集晶粒取向数据时通过ebsd数据分析，获取工件样本上各晶体的晶粒取向，采集晶粒尺寸数据时选取工件样本上预设范围内的各晶体晶粒尺寸，采集位错密度数据时对工件样本的微观结构分布进行测量，得到工件样本上晶体的位错密度；然后使用matlab中mtex插件生成脚本，处理获取到的工件样本的晶体学数据，分析得到工件样本上各晶体的晶粒取向和位置坐标，绘制晶体取向图，并将工件样本的晶体学数据导出为文本格式的abaqus输入文件。
16、更优选地，所述步骤二的过程为：通过有限元仿真软件建立工件仿真模型，对工件仿真模型进行六面体网格划分，将abaqus输入文件导入有限元仿真软件中，并通过有限元仿真软件的子程序将工件样本上晶体的位错密度、各晶体的晶粒取向和晶粒尺寸映射到工件仿真模型的各网格节点上，接着定义工件上晶体的塑性特性，然后进行准静态拉伸实验，结合分子动力学仿真获取晶粒和晶界的力学参数，最终得到工件晶体塑形模型，其中，晶粒的力学参数包括晶粒的弹性模量和屈服强度，晶界的力学参数为晶界的内聚力模型参数。
17、优选地，所述步骤三的过程为：建立刀具仿真模型，划分网格后定义刀具材料属性，接着对工件仿真模型和刀具仿真模型进行装配，得到车削加工有限元模型，且装配过程中设置边界条件和载荷条件，设置刀具与工件之间的摩擦系数，并设置刀具和工件的导热系数；其中，定义刀具为刚体，刀具的导热系数为定值，而针对工件上各晶体的不同晶粒取向，都对应一个导热系数张量k，通过导热系数张量k赋予每个晶粒不同的导热系数，导热系数张量k为3×3的矩阵：
18、
19、式中，kxx、kyy和kzz分别表示沿x轴方向、y轴方向和z轴方向的导热系数，kxy、kxz、kyx、kyz、kzx和kzy分别表示x轴与y轴之间、x轴与z轴之间、y轴与x轴之间、y轴与z轴之间、z轴与x轴之间、z轴与y轴之间的耦合导热系数。
20、更优选地，所述步骤四的过程为：首先构建冷却过程的欧拉域模型，将欧拉域模型分为切削液区域和空区域，定义切削液区域的切削液材料属性，并对欧拉域模型进行网格划分，接着将欧拉域模型与车削加工有限元模型进行装配，得到切削仿真模型，装配过程中移动切削液区域至刀具与工件的接触区域，约束切削液区域的载荷条件与刀具载荷条件一致，设置分析步参数和输出参数，其中，输出参数为切削仿真过程中工件加工表面随切削时间变化的温度场数据以及切削仿真后工件的几何误差。
21、优选地，所述步骤五的过程为：设置切削和冷却策略的加工参数范围，切削的加工参数包括刀具磨损量、刀具几何参数和进给量，冷却策略的加工参数为切削液流量，在各加工参数范围内选取多个参数节点，对各加工参数的参数节点进行正交设计，得到由各加工参数选用不同参数节点的组合组成的加工参数组合集，并将加工参数组合集划分为训练集和验证集；通过切削仿真模型使用训练集和验证集的各加工参数组合进行切削仿真实验，得到训练集和验证集的各加工参数组合下切削仿真过程中工件加工表面的温度场以及工件的几何误差，进而得到由刀具磨损量、刀具几何参数、进给量、切削液流量、温度场数据以及工件的几何误差组成的训练数据集和验证数据集。
22、更优选地，所述步骤八的过程为：根据训练数据集和验证数据集，计算工件上各位置处形状误差、位置误差以及尺寸误差的一阶灵敏度指数si(yj)和总灵敏度指数sti(yj)，其中，形状误差、位置误差或尺寸误差的一阶灵敏度指数si(yj)计算公式为
23、
24、
25、式中，xi表示训练数据集和验证数据集中工件表面温度场在第i个数据点对应的几何误差传递规律模型的所有输入数据，i=1、2、3……n，n为工件本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：具体如下：
2.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤一的过程为：切割工件样品，将工件样品制备成工件样本，通过扫描电子显微镜对工件样本进行检测，采集工件样本的晶体学数据，得到工件样本的晶体学图像，其中，采集晶粒取向数据时通过EBSD数据分析，获取工件样本上各晶体的晶粒取向，采集晶粒尺寸数据时选取工件样本上预设范围内的各晶体晶粒尺寸，采集位错密度数据时对工件样本的微观结构分布进行测量，得到工件样本上晶体的位错密度；然后使用Matlab中MTEX插件生成脚本，处理获取到的工件样本的晶体学数据，分析得到工件样本上各晶体的晶粒取向和位置坐标，绘制晶体取向图，并将工件样本的晶体学数据导出为文本格式的Abaqus输入文件。
3.根据权利要求2所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤二的过程为：通过有限元仿真软件建立工件仿真模型，对工件仿真模型进行六面体网格划分，将Abaqus输入文件导入有限元仿真软件中，并通过有限元仿真软件的子程序将工件样
4.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤三的过程为：建立刀具仿真模型，划分网格后定义刀具材料属性，接着对工件仿真模型和刀具仿真模型进行装配，得到车削加工有限元模型，且装配过程中设置边界条件和载荷条件，设置刀具与工件之间的摩擦系数，并设置刀具和工件的导热系数；其中，定义刀具的导热系数为定值，而工件上各晶体的不同晶粒取向都对应一个导热系数张量K，通过导热系数张量K赋予每个晶粒不同的导热系数，导热系数张量K为3×3的矩阵：
5.根据权利要求4所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤四的过程为：首先构建冷却过程的欧拉域模型，将欧拉域模型分为切削液区域和空区域，定义切削液区域的切削液材料属性，并对欧拉域模型进行网格划分，接着将欧拉域模型与车削加工有限元模型进行装配，得到切削仿真模型，装配过程中移动切削液区域至刀具与工件的接触区域，约束切削液区域的载荷条件与刀具载荷条件一致，设置分析步参数和输出参数，其中，输出参数为切削仿真过程中工件加工表面随切削时间变化的温度场数据以及切削仿真后工件的几何误差。
6.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤五的过程为：设置切削和冷却策略的加工参数范围，切削的加工参数包括刀具磨损量、刀具几何参数和进给量，冷却策略的加工参数为切削液流量，在各加工参数范围内选取多个参数节点，对各加工参数的参数节点进行正交设计，得到由各加工参数选用不同参数节点的组合组成的加工参数组合集，并将加工参数组合集划分为训练集和验证集；通过切削仿真模型使用训练集和验证集的各加工参数组合进行切削仿真实验，得到训练集和验证集的各加工参数组合下切削仿真过程中工件加工表面的温度场以及工件的几何误差，进而得到由刀具磨损量、刀具几何参数、进给量、切削液流量、温度场数据以及工件的几何误差组成的训练数据集和验证数据集。
7.根据权利要求6所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤八的过程为：根据训练数据集和验证数据集，计算工件上各位置处形状误差、位置误差以及尺寸误差的一阶灵敏度指数Si(Yj)和总灵敏度指数STi(Yj)，其中，形状误差、位置误差或尺寸误差的一阶灵敏度指数Si(Yj)计算公式为
8.根据权利要求7所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤九的过程为：数控机床根据设置的各加工参数对工件进行加工，加工过程中通过置于刀架上方的红外温度传感器实时检测刀具与工件表面加工区域的温度场，并将检测到的温度场数据传输至控制系统，控制系统根据各加工参数和实时检测的温度场数据通过几何误差传递规律模型预测当前加工参数组合下工件加工位置处的几何误差；若实时检测的温度场数据中各温度值均未超过预设温度且预测的加工位置处几何误差满足精度要求，则数控机床按照当前的加工参数组合继续对工件进行加工，反之则优化进给量和切削液流量，使实时检测的温度场数据中各温度值均未超过预设温度且通过几何误差传递规律模型根据优化后加工参数组合和实时检测的温度场数据预测的加工位置处几何误差满足精度要求，...
【技术特征摘要】
1.大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：具体如下：
2.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤一的过程为：切割工件样品，将工件样品制备成工件样本，通过扫描电子显微镜对工件样本进行检测，采集工件样本的晶体学数据，得到工件样本的晶体学图像，其中，采集晶粒取向数据时通过ebsd数据分析，获取工件样本上各晶体的晶粒取向，采集晶粒尺寸数据时选取工件样本上预设范围内的各晶体晶粒尺寸，采集位错密度数据时对工件样本的微观结构分布进行测量，得到工件样本上晶体的位错密度；然后使用matlab中mtex插件生成脚本，处理获取到的工件样本的晶体学数据，分析得到工件样本上各晶体的晶粒取向和位置坐标，绘制晶体取向图，并将工件样本的晶体学数据导出为文本格式的abaqus输入文件。
3.根据权利要求2所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤二的过程为：通过有限元仿真软件建立工件仿真模型，对工件仿真模型进行六面体网格划分，将abaqus输入文件导入有限元仿真软件中，并通过有限元仿真软件的子程序将工件样本上晶体的位错密度、各晶体的晶粒取向和晶粒尺寸映射到工件仿真模型的各网格节点上，接着定义工件上晶体的塑性特性，然后进行准静态拉伸实验，结合分子动力学仿真获取晶粒和晶界的力学参数，最终得到工件晶体塑形模型，其中，晶粒的力学参数包括晶粒的弹性模量和屈服强度，晶界的力学参数为晶界的内聚力模型参数。
4.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤三的过程为：建立刀具仿真模型，划分网格后定义刀具材料属性，接着对工件仿真模型和刀具仿真模型进行装配，得到车削加工有限元模型，且装配过程中设置边界条件和载荷条件，设置刀具与工件之间的摩擦系数，并设置刀具和工件的导热系数；其中，定义刀具的导热系数为定值，而工件上各晶体的不同晶粒取向都对应一个导热系数张量k，通过导热系数张量k赋予每个晶粒不同的导热系数，导热系数张量k为3×3的矩阵：
5.根据权利要求4所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤四的过程为：首先构建冷却过程的欧拉域模型，将欧拉域模型分为切削液区域和空区域，定义切削液区域的切削液材料属性，并对欧拉域模型进行网格划分，接着将欧拉域模型与车削加工有限元模型进行装配，得到切削仿真模型，装配过程中移动切削液区域至刀具与工件的接触区域，约束切削液区域的载荷条件与刀具载荷条件一致，设置分析步参数和输出参数，其中，输出参数为切削仿真过程中工件加工表面随切削时间变化的温度场数据以及切削仿真后工件的几何误差。
6.根据权利要求1所述的大型转子整锻轴温形性协同数字精密加工方法，其特征在于：所述步骤五的过程为：设置切削和冷却策略的加工参数范围，切削的加工参数包括刀具磨损量、刀具几何参数和进给量，冷却策略的加工参数为切削液流量，在各加工参数范围内选取多个参数节点，对各加工参数的参数节...
【专利技术属性】
技术研发人员：倪敬，王阳，徐伏根，蒙臻，王宝涛，叶丽伟，詹进，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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