提高汽轮机叶片加工效率的方法

第54卷第3期2012年6月汽轮机技术TURBINETECHNOL0GYVO154NO3JUN2012提高汽轮机叶片加工效率的方法乐英华北电力大学机械工程系，保定071003摘要为了提高汽轮机叶片加工效率，提出改进的自动调节进给率的NURBS直接插补算法对叶片进行插补。该算法在加工曲率半径较大的叶背和叶盆时，采用较大的进给速度插补保证加工效率，在加工曲率半径较小的前后缘时，对进给率进行自适应调整，使弓高误差不超出最大允许值以保证加工精度，并保证法向加速度在允许的范围内。实验结果表明，叶片采用该插补算法在保证加工精度的前提下，最大限度地提高了叶片的加工效率。关键词叶片；插补算法；加工效率分类号TP391文献标识码A文章编号10015884201203023403THEMEASUREOFIMPROVINGTHEMACHININGEFFICIENCYOFTURBINEBLADEYUEYINGDEPARTMENTOFMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003ABSTRACTINORDERTOIMPROVETHEMACHININGEFFICIENCYOFSTEAMTURBINEBLADE，ANAMELIORATIVEADAPTIVEFEEDSPEEDINTERPOLATIONALGORITHMFORANNONUNIFORMRATIONALBSPLINECURVEISPROPOSEDAIMATBLADECURVATURERADIUSGREATCHANGETHEFASTERFEEDSPEEDISADOPTTOINCREASETHEMACHININGEFFICIENCYWHENTHEBLADECURVATURERADIUSISBIGTHEFEEDSPEEDISADAPTIVETOCONTROLTHECHORDERRORWITHINTHESPECIFIEDRANGEWHENTHEBLADECURVATURERADIUSISSMAL1NORMALACCELERATIONISGUARANTEEDWITHINTHEPERMISSIONSCOPETESTRESUHSSHOWTHATTHEMACHININGEFFICIENCYOFBLADEISNOTONLYIMPROVED，BUTALSOTHECONTOURACCURACYISGUARANTEEDKEYWORDSBLADE；INTERPOLATIONALGORITHM；MACHININGEFFICIENCY0前言汽轮机叶片是一种典型的复杂自由曲面，是汽轮机中的关键部件。其结构设计复杂，加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠性。随着计算机数控技术的发展，数控机床广泛用于加工各种复杂叶片。传统计算机数控COMPUTERNUMERICALCONTML，CNC系统按精度要求将叶片离散成大量直线段，再进行线性插补加工。理论和实验证明，采用直线段逼近叶片型线并使用线性插补加工存在很多不足，如存在着拟合精度与生成数据之间的矛盾，逼近精度高则生成的数据量大，减少数据量则降低加工精度。数控程序量太大也会加重编程系统与CNC系统之间的通讯负荷，降低整个系统的可靠性。在加工工艺方面，将叶片曲线离散成短直线，不仅破坏零件轮廓曲线的一阶导数连续性，影响零件表面的光滑性，还会使这些离散点处的数控加工进给速度不稳定，对加工过程和制造质量产生不良影响。为了克服这些不足，现代数控系统开始应用参数曲线直接插补，其中非均匀有理B样条曲线曲面NONUNIFORMRATIONALBSPLINE，NURBS作为描述自由型曲线曲面的唯一标准被广泛应用。文献1采用了笠叁垣主垄垣I矍主叁增量为定值，计算简单，但插收稿日期20111102基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目11QG61。补过程中会产生剧烈的速度波动，影响加工工件的表面质量。文献2和文献3提出了恒进给速度的NURBS实时插补算法，采用变参数增量的方法，保持恒定进给速度，但没有考虑弓高误差，加工精度难以保证。为了解决这个问题，文献4和文献5提出了控制弓高误差的自动调节速度插补，该算法将误差控制在允许范围内，但曲率较小时误差过度冗余，未达到最大加工效率。文献6和文献7提出了基于冗余误差控制的NURBS插补算法，考虑曲率较小时的误差过度冗余，提高了加工效率。文献8和文献9提出基于加速度控制的插补，考虑了机床的动态性能，利用加速度控制插补速度，在一定程度上减少了速度的波动。目前这些插补算法大都是针对抽象的自由曲线曲面进行讨论，如何将其具体运用到汽轮机叶片上则涉及不多。本文针对汽轮机叶片的结构特点，提出改进的自动调节进给率的NURBS插补算法对叶片型面进行插补，与恒进给速度插补、等弓高插补、控制弓高误差的自动调节进给速度插补算法从加工精度、进给速度及插补时间即加工效率等方面进行比较。1叶片的插补算法以某国产汽轮机组通流部分低压缸动叶片为例，结构如作者简介乐英1971，女，副教授，博士。研究方向为复杂曲面造型及数控加工的研究。第3期乐英提高汽轮机叶片加工效率的方法235图1所示，叶身长为432MM，沿叶高方向选择11个关键截面，如图2所示，设横截面为U向，叶高方向为向，其中叶片的每个横截面为两两相切的不同半径的分段圆弧构成，纵向为自由曲线。11个关键截面形状如图3所示。图1叶片实体50505051505050521RB2图2叶片横截面分布图图3叶片11个截面示意图在高速高精度加工中，汽轮机叶片的插补不仅要考虑进给速度要求，还要考虑容易超限的弓高误差、机床所承受的加速度等加工参数。针对汽轮机叶片横截面曲率半径变化大的结构特点，采用改进的自动调节进给速度插补算法，综合考虑恒定进给速度插补和等弓高误差插补的优点，改善冗余误差量，在保证加工精度的前提下，尽可能提升加工效率。设C为样条曲线，时间函数U是曲线参数，记UI，“TI1U1。CUU，YU，UI将参数“对时间T进行一阶泰勒展开，则可得到下一个插补点U“ML一TI2UL式中，U、分别为第I、I1个插补点对应的曲线参数；T、T分别为第I、I1个插补点对应的插补时刻。插补速度VU可定义为LLLL于是得一DUDTTTI韵曲线插补周期，为相邻插补点时刻之差，即T一T，将式7代人式5得UII5，LLDUU一“6LID当VUI等于编程进给速度F且基本保持恒定时，则为恒速进给插补算法。该插补算法在曲线曲率半径过小且进给速度过大时，弓高误差有可能超出允许值。弓高误差和进给速度及曲率半径之间的关系可以用圆弧近似的方法求得ER一其中，P为处的曲率半径，职为限定弓高误差的大小，则相应的进给速度V为UL_，P一P一ER8当插补周期一定，插补步长产生的弓高误差等于允许误差极限值职时，该步插补步长为最长，这就是等弓高误差插补，其参数增量为AU9等弓高误差插补算法使插补段数最少，理论上插补效率最高。但等弓高误差插补算法在小曲率半径时的进给速度非常小，而当曲率半径急剧增加时，进给速度又会随之大幅度增加，这样就造成了进给速度波动幅度过大，超过机床所允许的范围，难以满足实际加工要求。为了将弓高误差和进给速度限制在允许范围内，进给速度应该在插补过程中根据曲率半径的变化自动地进行调整，这就是限定弓高误差的自动调节进给速度插补算法。其进给速度V可以随ER和P的变化自适应地调整，调整规则如下一IF一一ERZFJ1一L一P一，一P一朋F10其中，F是进给速度指令值。如果空间曲线上当前点的曲率半径足够小，则弓高误差可能超过限定值，这时插补算法将1一进给速度由F减小到一P一ER，以满足限定的弓高误差ER的要求；否则，以给定的进给速度F继续进行插补。上述自动调节进给速度的插补算法，尽管保证了插补进给速度的基本恒定和对弓高误差的有效控制，但是由于叶片横截面的曲率变化很大，叶背叶盆的曲率半径远远大于前后缘的曲率半径，在加工叶背叶盆部分就存在误差过度冗余的236汽轮机技术第54卷情形，降低叶片实际的加工效率。为了尽可能提高叶片加工效率，在插补算法中对进给速度引入一个系数来提高进给速度。针对不同曲率半径自动调节进给速度VU，调整规则如下1F“L，【一P一ER，NUF2式中，P为UU处的曲率半径，为等弓高误差插补的参数增量，F21T为恒定进给速度插补的参LLT数增量，为进给速度系数。当加工叶片的叶背叶盆部分时，该处的曲率半径较大、曲线较平缓，这时等弓高误差对应的插补步长远远大于恒定进给速度产生的插补步长，意味着插补速度还有较大的增速字间，则将进给速度由F增至1会F，最大限度的提高叶片的加工效率。当加工叶片的前后缘时，曲率半径足够小，则弓高误差可能超过限定值，这时插补算法将进给速度F减小到一P一ER，以满足限定的弓高误差ER的要求。当U汜时，在该处等弓高误差插补算法和恒定进给速度插补算法产生的插补步长相等，这时不需要对进给速度进行调节。2实例分析暑图4叶顶截面拟合图曲线最小曲率半径为06MM，最大曲率半径为320MM。插补参数插补周期T0001S，插补速度FLOOMMS，允许最大弓高误差ER1M，进给倍率因子05，允许最大法向加速度A8MS。分别采用恒进给插补算法、等弓高插补算法、控制弓高误差自动进给速度插补算法和改进的自动调节进给速度插补算法，4种插补算法的仿真结果如表1所示。叶片采用这4种插补算法完成的总插补时间分别为96294S、16724S、96741S、6920。采用改进的自动调节进给速度插补算法加工时间比控制弓高误差自动进给速度插补算法加工时间减少28。对叶片其它截面采用这4种插补算法所得到的弓高误差曲线、进给速度曲线、加速度曲线总体趋势相似，数值相近，因此，可以将这个横截面的实验数据分析推至整个叶片型面。仿真试验结果表明1恒定进给速度插补算法进给速度稳定，但在曲率半径很小的前后缘，轮廓误差会急剧增大，最大弓高误差是以某国产汽轮机组通流部分低压缸动叶片为研究对象，212M，超过允许的弓高误差1M，法向加速度也超过允许对图4所示的叶片叶顶型线的NURBS曲线进行插补，其中值。叶片采用这种插补算法加工，精度不能满足要求。表1叶片4种插补算法的仿真结果2等弓高插补算法尽管理论上加工的效率最高，但在曲率半径很小的出汽边进给速度非常小，而当曲率半径急剧增加时，进给速度又会随之大幅度增加。从仿真结果看，叶片加工进给速度从I6002MMS下降到657MMS，进给速度波动过大，导致机床震动，难以满足加工要求，在实际叶片加工中不可取。3自动调节进给速度插补算法虽然将误差控制在允许范围内，但JJUQF盆叶背等曲率半径较大情况下，误差过度冗余，未达到最大加工效率。另外，若给定的编程进给速度足够小，如F50MMS，算法在保证插补精度的同时，退化为恒定进给速度插补算法，插补效率很低，无法实现高效插补。4改进的自动调节进给速度插补算法在加工叶盆叶背等曲率半径较大情况下，引入进给速度系数，适当增大进给速度，改善误差过度冗余；在加工叶片前后缘等小曲率半径时，自动调节进给速度将弓高误差控制在限定的误差范围，在保证叶片加工精度的前提下，最大限度地提高了叶片的加工效率。3结束语汽轮机叶片是复杂的自由曲面，为了提高9NI质量和加工效率，本文以某国产汽轮机组通流部分低压缸动叶片为研究对象，利用NURBS建立其精确的数学模型，然后采用改进的自动调节进给速度插补算法对叶片进行插补，它综合了恒进给插补算法和等弓高插补算法的优点，在保证叶片加工精下转第186页186汽轮机技术第54卷边相对高度065095处出现了动态应力较大的区域，进一步绘制动态应力沿叶片进汽边和出汽边高度变化曲线图11图L2，可以更为明显看出动态应力沿叶高变化状况。除去接近围带处的应力突变，进汽边的最大动态应力出现在相对叶高为089处，应力值为338MPA；出汽边的最大应力出现在相对叶高083处，应力值为2804MPA。V7扩州|每；相对高度图11叶片进汽边动态应力沿叶高方向变化0；厂一H”，图12叶片出汽边动态应力沿叶高方向变化5结论本文首先给出了计算动态响应的简便稳态响应振型迭加法以及由动态响应获得动态应力的方法，并以某长叶片为例进行了计算分析，所得结论如下1通过整圈叶片振动特性分析，发现其6节径1阶振动频率与6阶气流激振力频率非常接近，节径共振的风险很大。2基于三维气动分析获得的气动载荷，引入工程分析中经常采用的汽流激振力因子，获得了施加在叶片上的汽流激振力。3通过整圈叶片的动态响应分析，获得了共振频率附近的频响图，该叶片最大响应数值出现在叶片顶部，其轴向响应为0037MM。4该叶片进汽边的最大动态应力出现在相对叶高为089处，应力值为338MPA；出汽边的最大应力出现在相对叶高083处，应力值为2804MPA。参考文献1谢永慧，王乐天，等汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析J应用力学学报，1999，32柴山，吕凤军，等计算汽轮机叶片动应力的谐响应分析法J汽轮机技术，2002，4452672683王梅，江和甫，等在尾流激振情况下叶片振动应力预估技术J航空动力工程学报，2007，2244朱宝田，吴厚钰汽轮机叶片动应力计算方法的研究J西安交通大学学报，2000，34126295汤松叶片振动动应力的计算与试验研究J动力工程学报，1983，1【上接第236页度的前提下，适度提高进给速度，改善了加工叶盆叶背等小曲率情形时误差过度冗余的情况，加工效率有较大程度提高，并且前后缘弓高误差不超差，保证精度满足要求。实例证明，叶片采用此插补算法既可保证叶片轮廓精度又最大限度地提高了叶片的加工效率。参考文献1BEDIS，ALII，QUANNADVANCEDINTERPOLATIONTECHNIQUESFORNCMACHINESJJOURNALOFENGINEERINGFORINDUSTRY，1993，11533293362YANGDCH，KONGTPARAMETRICINTERPOLATORFORPRECISIONCNCMACHININGPARAMETRICCURVESJCOMPUTERAIDEDDESIGN，1994，2632252343SHIPITAINIM。KORENYLOCCREALTIMECURVEINTERP01ATIONJCOMPUTERAIDEDDESIGN，1994，26118328384YEHSS，H