T型叶根制造中定位误差的分析

第55卷第1期2013年2月汽轮机技术TURBINETECHN0LOGYV0L_55NO1FEB2013T型叶根制造中定位误差的分析潘毅常熟理工学院机械工程学院，常熟215500摘要根据机械制造过程中夹具设计与工件装夹的原理，分析了汽轮机动叶T型叶根制造过程中定位误差的成因和遵循的规律，在此基础上给出了分析实例，所获得的结论对于汽轮机动叶叶根制造有一定指导意义。关键词汽轮机叶片夹具；定位误差分类号TK2633文献标识码B文章编号100158842013叭007603THEANALYSISOFTHELOCATINGERRORTOTHEMANUFACTURINGOFTHETTYPE0FTHEBLADEBOTTOMPANYISCHOOLOFMECHANICALENGINEERING，CHANGSHUINSTITUTEOFTECHNOLOGY，CHANGSHU215500，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHEDESIGNPRINCIPLEOFTHEWORKPIECEANDJIGINMECHANICALMANUFACTURINGPROCESS，THEARTICLEANALYZESTHEREASONSANDLAWSOFTHELOCATIONERR0ROFTHETTYPEOFASTEAMTURBINEBLADEBOTTOMWHILEMANUFACTURINGPROCESSONTHEBASISOFTHISANALYSISANEXAMPLEISGIVEN，ITSHOWSCERTAINGUIDINGSIGNIFICANCEFORTHEMANUFACTURINGOFANOTHERTYPEOFTHESTEAMTURBINEBLADEBOTTOMKEYWORDSTURBINEBLADE；JIG；LOCATINGERROR0前言T型叶根是汽轮机动叶叶根的常见形式。相关的国家标准规定了其技术要求。通常这种叶根形式的动叶在制造中采用方坯，通过专门设计的夹具装夹来进行切削及检测。在数字化制造已获得普遍应用的情况下，制造过程中的夹具和工件定位情况直接影响着工件的加工精度、生产效率和制造成本等。本文依据夹具设计与制造的理论，针对T型叶根制造过程中的精加工工序进行定位误差分析，并根据误差分析方法评估和校核在T型叶根制造过程中的误差形成结果，从而提高该类动叶叶根精密切削加工质量和效率。1定位误差分析的理论依据1夹具定位原理夹具设计中的定位原理，从工件在夹具中被完全固定的角度，提出了6点定位的概念。其实质是要求工件在夹具中装夹时，其6个自由度完全被限制。图1表示了工件没有被限制时在空间的6个自由度。从定位误差的成因看，是工件在夹具中定位装夹时，其自由度在被限制过程中产生的误差。这种误差可以来源于夹具设计或制造过程中在定位元件上形成的尺寸或形状位图1工件没有被限制时的6个自由度置误差；也可以来源于工件本身在定位面上的尺寸和形状位置误差；这两类误差最终会反映在工件的加工尺寸上。分析这种定位误差的来源，可以看做是工件在定位过程中随机产生了6个自由度方向的不同程度的微小位移，如图2所示，分别以、AY、Z表示沿坐标轴方向的位移，以西、AO表示绕坐标轴转动的位移。2装夹过程的定位误差分析对于工件在夹具定位过程中产生的6个自由度方向的位移，采用平移和旋转的数学分析方法，可以给出其矩阵表示如式1。CCOSQJCOSOSINTHSIINN0COS0COSBCOSSINOCOSSIINOCOSOSINOSI伽NTH收稿日期20120724作者简介潘毅1955一男，江苏常熟人，研究员级高级工程师，从事透平叶片的数字化制造研究。第1期潘毅T型叶根制造中定位误差的分析77XAMIYLF1_SILOSI7JLIAXOR一。一YSINAO。SINZIYY一Y一XSINOZSINA63【Z，一一SIN30YSINA42T型叶根定位误差分析的应用举例从工件在夹具中的定位误差分析，可以看出夹具和工件定位面的设计或制造误差或批量装夹后的磨损以及装夹操作不当都是引起工件在6个方向上产生定位误差的原因。这些误差会最终反映在一批工件尺寸的分布上，特别是对于公差范围很小，尺寸与形位精度很高的精加工工序。以T型叶根的汽轮机动叶片的叶根精铣削加工为例，该类叶根的特点是其T型装配部位的尺寸和形位精度都很高如图3。在制造过程中通常采用夹具装夹动叶片方坯、配合数控铣削进行批量加工。在加工中心上安装的T型部位精铣夹具形式如图4所示。其中叶片方坯以一端面及两垂直面定位，相对应的各面有固定装置。叶轮部分T型外包T型叶片部分分的求高图3各类T型叶根的汽轮机动叶片在叶轮上的装配要求从图4的精铣夹具可以看出，若以夹具或叶片方坯的两垂直面与工件上端面构成空间坐标系，假定其坐标原点位图4T型叶根精铣夹具于夹具或叶片方坯的两垂直面及工件上端面的交点处，两两平面的交线分别为X,Y、轴，则当叶片方坯定位完成后，其在夹具中的空间坐标系也就随之确定如图5。图5工件在装夹位置上建立的空间坐标系假定叶片方坯在夹具中准确安装，数控铣削时按定位表面精确对刀时，可使工件的ZIX0、Y0、AZ0。在批量加工时，若夹具定位基准与工件定位面存在设计或制造误差或批量装夹后的磨损，使工件定位后实际有绕、Z轴的转动误差皆为002100时，应用式3，可研究工件精铣T型叶根时上下平面的偏移情况。假定下平面为ACD，上平面为ABCZD，则该工件的定位误差有如下分析图5中两待加工表面专用铣刀将要进入的上下平面各点坐标分别为图6表示了图5定位的叶片方坯的T型叶根精铣后需满足的技术要求。从图6可以看出，C、D两点的向定位误差将会影响90嘶02，而其Z向定位误差会影响1O。假定由于夹具定位元件的制造误差使工件绕坐标轴的转动角度弧度，代入定位误差计算式3计算C、D两点的向定位误差可得对C点的向误差而言AXC1一YSINAOZSIN301800020036GC2一YSINOZSIOAO800020016001LLJZB睡R。LD，01IJ2B睡RLLJC，71JOO8如R【2O248R。LAA78汽轮机技术第55卷10两肩高差4002图6某T型叶根关键部位的尺寸及位置要求对D点的X向误差，同理有AXD1一YSINOZSIR0一400002180002一0O44AXD2一YSIN30ZSINAB一4000028X0002一0064由此可以看出，、的偏移对9。002的公差是有较大影响的，上述计算表明了当叶片毛坯产生绕坐标轴转动的定位误差时，除了会使90惦02出现超差外，还会使其边界点坐标值不一致，即通常所说的该尺寸呈现“喇叭口”形状。同理可以计算其它点的定位误差对1O、105004的影响等。需要指出，上述分析假定了定位所引起转动误差全部发生在加工区域内。实际上的误差会根据转动误差在工作面高度上的分配比例进入误差分析式，但从定性分析的角度可以看出，该类工件在夹具中的定位误差对尺寸和形位精度的保证有相当大的影响。由此可以给出夹具和工件在两垂直定位面上的垂直度必须严格界定，设计时给出了两者的两定位平面垂直度O01MM并要求在制造中予以严格控制。3结语对于机械制造中的数控精密加工而言，夹具的运用及装夹过程中定位误差的分析方法的了解和掌握是非常重要的。它一方面可以正确地进行精密加工中的工装及产品工艺的设计，另一方面也可以分析造成产品质量不稳定的原因，有针对性地采取措施来提升精密加工的质量。本文采用的分析方法及进行的夹具及工件定位面形状位置精度设计与控制，使具有T型叶根的汽轮机动叶片的叶根精密加工获得了较为理想的效果，并据此对其它形式的动叶叶根如叉型、榫齿型、菌型的精密加工也具有一定的指导意义。参考文献1中华人民共和国机械电子工业部中华人民共和国专业标准ZBK542088汽轮机叶根及其公差S19892胡永生机械制造工艺理论基础M北京机械工程师进修大学出版社，1985上接第26页利用以上得到的计算方法，带入数值，用抽汽与上级疏水的火积变化之和减去给水的火积的变化，即得到该换热器的火积耗散值，如表4所示。同时将数据绘制成折线图，如图3所示为了将火积耗散与温差、抽汽量的关系更直观的表示，分别将温差乘以10、抽汽系数乘以10，然后绘制图线。表4各级加热器的火积耗散换热器火积耗散，KJK换热器火积耗散，KJKHL84187H542620H271828H6L0686H366182H73770H464134H83494箍骥亡图3火积耗散与温差、抽汽量关系图由得到的数据可以看到，从3号到8号加热器的火积耗散是逐渐减小的，主要原因是由于换热温差的减小造成的，而1号和2号温差小于3号和4号，但是火积耗散反而较大，则是由于抽汽系数大导致的。3结论本文从热力学第一定律和第二定律出发，根据火积和火积耗散的定义，得到火积耗散方程，并且应用于火电厂回热系统的换热器中。通过代入数据计算，得到各级换热器的火积耗散，由得到的数据可看出，从加热器的火积耗散是逐渐减小的，说明换热过程的能源利用率是逐渐提高的，其原因是由于换热温差的减小造成的。因此，减小换热过程的温差，减少其换热过程中不必要的能量耗散，能够提高换热过程的能源利用率，减少换热过程的火积耗散。参考文献1HESSELGREAVESJERATIONGALISATIONOFSECONDLAWANALYSISOFHEATEXCHANGERJINTJHEATMASSTRANSFER，2000，43418942042过增元，程新广，夏再忠最小热量传递势容耗散原理及其在导热优化中的应用J科学通报，2003，4821253过增元，程新刚，朱宏哗火积描述物体传递热量能力的物理量J自然科学进展，2006，1610128812964李志信，过增元对流传热优化的场协同理论M北京科学