发动机叶片的造型和数控加工.doc

发动机叶片的造型和数控加工发动机叶片的造型和数控加工 （陕理工机械工程学院机械设计制造及其自动化专业 054 班 陕西 汉中 723003） 摘要 航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转化为机械能的作用。发 动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。叶片在发动机中的功能使命及其工作特 点，决定了叶片是发动机中形状复杂（三维空间曲面） ，尺寸跨度大，受力恶劣，承载最大的零件。 它在高温，高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热强钢，钛合金以及高温合金等材 料制成：为满足发动机高性能，工作安全性，可靠性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸， 准确的形状和严格的表面完整性。因此叶片的制造技术是机械制造业中最复杂的技术之一。 叶片型面复杂、质量要求高, 在成形过程中常因锻造后的残余应力和温度应力的作用而发生 翘曲变形, 最终导致报废。采用等温校正工艺可使翘曲变形减少, 叶片型面达到合格要求。本文采 用三维设计软件 Pro/ E 解决模具型腔的造型问题, 进行叶片的三维曲面造型，其设计流程为: 创 建叶片的三维实体对叶身进行加放余量利用实体创建模具型腔添加模具结构件。 关键词 叶片 叶身型面 数控加工 Engine blades molding and numerical control processing Abstract：Blade of Aeroengine is a type is one of engine core parts; It is playing the steam energy transformation for the mechanical energy role. The engine performance is decided to a great extent by the leaf blade profile design and the manufacture level. Blades in engine function mission and the work characteristic, had decided the leaf blade is in the engine the shape complex (three-dimensional space curved surface),the size span big, the stress bad, the load bearing biggest components, It in high temperature ,high pressure and under the high-speed run revolves, usual need alloy degree very high materials and so on heat strong steel, titanium alloy as well as heat-resisting alloy make; In order to satisfy the engine high performance, the work security, reliable as well as the life request, the leaf blade must have the precise size, the accurate shape and the strict superficial integrity. Therefore leaf blades technique of manufacture is in the mechanical manufacturing industry of most complex technologies. Blade is shape is complex and the quality requirement is high. The warps and the forgings may be discarded due to the formed forgings remaining stress and the temperature stress. But it is possible to use the isothermal adjustment process to reduce the warp distortion and make the blade shape to meet the qualified requirements. Three-dimensional design software Pro/ E was used to carry on the design in view of the uniform temperature adjustment mold. The three dimensional surface modeling of blade was carried out and the heating and cooling devices for the isothermal sizing die were simultaneously designed. Its design flow is: creating the three dimensional entity of the blade, adding on margin to the blade , using entity to set up the mold cavity , putting on the mold structural elements. Key Words: Blades, NC Machining, Blade Shape, 目目 录录 1 绪 论 .1 1.1 课题背景.1 1.2 发到机叶片加工方法.1 1.2.1 仿形法.1 1.2.2 数控加工方法.2 1.3 课题研究的目的和意义.2 2 模具发展概况、发展方向和发展趋势以及 PRO/E 软件介绍 .4 2.1 中国模具行业发展现状.4 2.2 中国模具发展的方向.4 2.3 PRO/ENGINEER 软件简介.6 2.4 PRO/E 软件主要模块介绍.6 3 叶片造型 .8 3.1 PRO/ E 设计软件绘制叶身.8 3.1.1 叶片的形状.8 3.1.2 绘制叶身.8 3.2 绘制安装板及榫头.13 4 基于 PRO/ E 的模具设计 .18 4.1 毛边槽的设计.18 4.2 锻模的设计与造型.20 4.2.1 创建制造模具型腔，进入模具造型模块.20 4.2.2 创建分型面.21 5 叶片加工工艺分析及模具数控加工仿真 .24 5.1 叶片结构工艺分析.24 5.1.1 典型的叶片结构分析和机械工艺性评价.24 5.1.2 叶片加工中的技术要求.25 5.2 工艺路线的拟订.25 5.2.1 加工阶段的划分.25 5.2.2 工艺基准及其选择.26 5.2.3 毛坯的选择.27 5.2.4 加工方法的选择.27 5.2.5 刀具选择.28 5.3 发动机叶片的模型加工.29 5.4 模具数控加工仿真.31 总 结 .35 参考文献 .36 致 谢 .37 外文翻译 .38 1 绪 论 1.1 课题背景 航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转化为机械能的 作用。发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。叶片在发动机中 的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复杂（三维空间曲面） ，尺寸跨 度大，受力恶劣，承载最大的零件。它在高温，高压和高速状态下运转，通常需要合 金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等材料制成，为满足发动机高性能、工 作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸，准确的形状和严格 的表面完整性。因此叶片的制造技术是机械制造业中最复杂的技术之一。 发动机叶片性能要求很高, 在工作中起着能量转换的作用, 其质量好坏直接影响 到发动机的工作效率和运行可靠性 1 。加工工艺一般采用模锻成形, 模锻后用机 械加工消除余量, 但是这样不仅会破坏工件的纤维般流线,降低其使用性能, 而且往往 因锻件在锻后冷却过程中产生的翘曲量过大而无法加工成成品。采用等温校正技术, 可以减少锻造变形的残余应力和冷却时的温度应力叠加造成的叶身型面翘曲, 达到释 放残余应力、使翘曲变形减轻、叶片尺寸合格、保证其外形和性能的双重要求。本设 计主要应用Pro/ E 软件创建叶片实体, 根据叶片实体进行等温校正模具及加热冷却系 统的设计。 1.2 发到机叶片加工方法 当前飞机发动机从涡喷系列发动机逐步发展到涡扇系列，叶片型面越来越复杂， 呈叶身扭曲弯度趋大，叶旋趋宽，叶身趋薄，前掠加大等特点。此种叶片复杂曲面的 形成原理复杂，加工困难，加工精度不易保证。加工叶片的刀具比一般机械加工选用 刀具要考虑更多的因素。叶片材料由铝合金、不锈钢发展为钛合金高温合金以及新型 复合材料，呈现硬度高，韧性大，让刀严重，加工过程中刀具磨损快，加工表面变形 程度大等特点，材料切削加工性也决定了新型发动机叶片的价格难度相当大。 1.2.1 仿形法 采用仿形法加工发动机叶片，在加工原理上和其他仿形法一样，首先要根据发 动机叶片的型线方程来计算，设计和制造靠模板。然后以靠模板为基准运用仿形原理， 加工出符合要求的叶片。在加工过程中，靠模板随着使用会出现磨损，加之靠模板加 工方法本身的精度不是很高，这样导致加工后的叶片误差很大。所以加工后都需要对 叶片进行人工修型，抛光。这样不但加工效率低而且加工质量也很低。 仿形法一般只能用于加工相对固定的叶轮型面，这对于目前多品种小批量的产品 很不适合，相比之下，数控加工成为叶片加工改革的主要方向。 1.2.2 数控加工方法 数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它具有的高精度，高柔 性，高效率等优点现在已经被人们广泛认可。随着数控技术在生产中的广泛应用，传 统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性变化。近年来国内外已经有 不少厂家用数控刨床，数控铣床，数控车床等数控机床加工出多种型号的发动机叶片。 数控加工的产品种类多，精度高，互换性好，同时加工效率高，操作简便。 因此，使用发动机叶片数控铣削加工，将会具有良好的经济效益和广阔的市场前 景。 1.3 课题研究的目的和意义 作为飞机发动机核心部分的叶片，其发展趋势在很大程度上决定了飞机发动机的 发展 。因此，发动机叶片的加工具有很大的意义。主要体现在一下几个方面： 飞机发动机叶片的加工精度直接影响飞机发动机的使用性能。在叶片加工中，由 于加工的问题，即叶片动平衡不理想，这样就会因为叶片的质量偏心而造成冲击现象 的出现，使整个发动机的使用寿命减小。发动机叶片加工表面质量和叶片轮廓曲面质 量直接影响发动机工作噪声。如果在叶片加工时，加工的表面质量不好或者轮廓曲面 不是很理想，就会造成叶片之间的气体波动较大，很容易造成较大的气体动力学噪声， 直接影响发动机周围的环境。 由此可见，飞机发动机叶片加工对飞机发动机的发展有重要的意义，它直接影响 发动机的性能和寿命，也影响发动机将来的发展，尤其在当今世界局势紧张的大环境 下，军用飞机发动机叶片的加工工艺的好坏对飞机的作战性能有举足轻重的影响。这 些复杂型面的加工是现代化机械制造业的一项重要课题。 在叶片的研制中，叶型和凸台的加工，是叶片加工关键，它直接关系到叶片型面 的一致性和发动机的压气机性能。 用传统的加工方法如大余量抛光，会造成叶片基体烧伤，而且叶片的型面和凸肩 的一致性不好，影响发动机性能而如果采用电解加工，电解模具的设计和制造都具有 很大的难度，而且不可以保证凸肩形状和尺寸公差。 本课题在三维设计软件对叶片进行造型的基础上，针对叶片廓形的特性，采用数 控加工的方法加工叶片，而数控加工作为一种比较先进的加工方法，可以克服手工抛 光和电解加工的困难，而且型面和凸肩的一致性好。叶片的型面和凸肩用数控铣的方 法加工的研究加快了叶片的研制进程，叶片数控加工模板的建立为以后航空发动机叶 片的数控铣加工提供经验借鉴。通过对自由曲线曲面造型和数控加工轨迹的研究，不 但解决了造型方法和数控编程中的一些技术性问题，而且将在国民经济中产生巨大的 经济效益，为进一步提高我国CAD/CAM的技术水平，缩小与先进国家的差距打下基础。 2 模具发展概况、发展方向和发展趋势以及 Pro/e 软件介绍 2.1 中国模具行业发展现状 目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。1999年中国模具工业总 产值已达245亿元人民币。工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售 的约占三分之一。在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压 铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。（据不完全统计，2006年国内模具进口总值达 到800多亿，同时，有近300个亿的出口）2007年模具产值预计为900亿元，模具及模具 标准件出口将从现在的每年2.5亿美元增长到2007年的5亿美元左右。单就汽车产业而 言，一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上亿元，而当汽车更换车型时约有80%的 模具需要更换。2006年我国汽车产销量均突破600万辆，预计2007年产销量各突破680 万辆，轿车产量将达到260万辆。另外，电子和通讯产品对模具的需求也非常大，在发 达国家往往占到模具市场总量的20%之多。 虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发 达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低， CAD/CAE/CAM技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。特别在大 型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能 满足国内需求，因而需要大量从国外进口。 2.2 中国模具发展的方向 2005年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为630亿元，今后几年仍将以每 年13%以上的速度增长。对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年 13%的增幅。汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长，特别是汽车 覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。家用电器，如彩电、冰箱、洗衣机、空调 等，在国内的市场很大。目前，我国的彩电的年产量已超过5200万台，电冰箱、洗衣 机和空调的年产量均超过了3000万台。家用电器行业的发展对模具的需求量也将会很 大。其他发展较快的行业，如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求，都将对中 国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。 我国模具行业将向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展。目前， 电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中，6080的 零部件，都要依靠模具成型。用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高 一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所无法比拟。模具在很大程度上决 定着产品的质量、效益和开发能力。精度将越来越高。10年前，精密模具的精度一般 为5，现在已达23。不久，1精度的模具将上市。随着零件微型化及精 度要求的提高，有些模具的加工精度公差就要求在1以下，这就要求发展超精加工。 模具制造是典型的单件小批量生产方式。数控技术的发展不仅大大缩短了模具制 造周期而且大大提高了模具的制造精度，还使模具制造越来越自动化，大大降低了模 具制造的成本，而且一些复杂精密的大型模具不在数控设备几乎不能完成。 在日本的模具制造企业，几乎已普遍采用 CNC 机床、加工中心(MC)或 CNC 电火花 加工设备。据名古屋金型公司工作人员介绍，由于采用 CNC 机床、加工中心等先进加 工设备，大大缩短了模具的交货期限，降低了生产成本。公司生产的汽车前后尾灯灯 罩注塑模具交货期限为三个月，其中用于 CAD 和 CAM 的时间分别各为约 100 小时，机 械加工时间 100 小时左右，其余时间为抛光和装配。在这个以生产汽车前后尾灯灯罩 注塑模具为主的小型模具厂，在 20 多台机加工设备中，电火花成形加工设备约占 1/3，CNC 铣床和加工中心约占 2/3，只有 1 台加工深孔的枪钻为半自动设备。 日本的模具制造企业，很少用到仿形铣床，其原因一是由于仿形铣床加工精度较 低，增加了抛光工作量和时间；二是制作仿形件增加了生产费用和时间。有些模具制 造厂电火花成形加工机床的使用量也在减少。 在东芝机械模具厂，几台仿形铣床被用作普通铣削加工，其工作人员指出：由于 高速铣削技术发展很快，而且加工精度、效率不断提高，生产周期缩短，电火花加工 制作工具电极不仅需要时间，还增加了生产成本，很可能要被取代 在日本模具制造行 业，仿形铣削工艺有被取代的趋势。关于高速铣削，在日本模具制造行业和机床行业 都是一个热门话题。其关键技术一是要求高精度、高转速的机床主轴，二是要求使用 适应高速切削、耐高温的铣刀。 名古屋金型公司使用的高速铣削加工中心(三轴数控)，它使用一个专用的高速气 压轴承铣削头，转速达到 20000rpm。在生产锻件为主的万能工业株式会社，使用瑞士 和日本合资生产的 Matsuura FX-5 高速 CNC 铣床(铣刀转速最高可达 30000rpm，铣削 精度 0.01mm)加工锻模，该铣床还配备了专用的 CAM 软件。日本 OKUMA 金属切削机床 公司研制生产了五轴高速模具加工中心 OKUMAMICR-BI-HP(n=30000rpm，f=30m/min)， 并为该机床及产品配备了 CAD/CAM 软件。 我国的模具生产设备有比以前得到了很大的改善，国产制造设备也在不停的更新 换代，甚至有些产品已经达到世界先进水平，我国还大量进口了发达国家的先进设备， 就是这些设备大大推动了模具制造业的发展。 2.3 Pro/ENGINEER 软件简介 本世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新更 快，但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加，使你合很难保持市场分 额。在这种背景下，CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)/CAE（计算机辅助测 量）技术得到迅速普及和极大发展。海湾战争结束当年，美国评出的最具影响的十大 技术中，CAD/CAM/CAE 技术便榜上有名。在为数众多的 CAD/CAM/CAE 软件中， 主流软 件包括种类繁多，PRO/E，UG，CIMATRON，MDT，IDEAS，MASTERCAM 都是个中极品， 但 PRO/E 工业解决方案地位显赫，它是美国 PTC 公司的拳头产品，技术领先，在机械、 电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用，是 CAD/CAM/CAE 领域少 有的顶尖“人物”。 Pro/ENGINEER 是由美国参数技术公司（PTC）推出，是国际上最先进、最成熟使 用参数化特征造型技术的大型 CAD/CAM/CAE 集成软件。该软件近年来在我国模具行业 和各工厂、研究单位中得到普遍应用，深受广大工程技术人员的喜爱。 Pro/ENGINEER 包括三维实体造型、零件装配、加工仿真、NC 自动编程、有限元分 析、模具设计、板金设计、电路布线、管路装配设计等模块。可以实现 DFM（Design For Manufacturing面向制造的设计）、DFA（Design For Assembly 面向装配的设计）、ID（Inverse Design反求工程）、CE（Concurrent Engineer并行工程）等先进设计方法和模式。其主要特点是参数化特征造型，使 用关系数据库，即设计参数有一处修改，别的模块中相应的图形和数据都会自动更新。 这一特点在模具设计中，塑料制品形状、结构、尺寸的改变就会自动更换模具的型腔 和型芯的形状、结构、尺寸，从而大大减少工程技术人员的设计工作量。 2.4 PRO/E 软件主要模块介绍 Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设 计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数 化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不 同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer 是一个功能定义系 统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽 （Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于 工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这个系统的参数比功 能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这 样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关 的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不 单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。 Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处 理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其 它模块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附 加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打 印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下： 1 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； 2 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； 3 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系 来进行设计。 4 支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，ProPROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5 贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方 变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 ProENGINEER 的基本功能。 3 叶片造型 3.1 Pro/ E 设计软件绘制叶身 3.1.1 叶片的形状 叶片的形状复杂, 从外观上看是简单的片状结构, 但实际上是由多向空间三维扭 转曲面组成的螺旋体。（如图3.1所示） 图3.1叶片的形状 3.1.2 绘制叶身 在叶片造型的过程中，我的依据就是已知的气动数据，首先就是要由这些截面线 型值点来拟合叶片的截面线，然后将各截面线在其径向上进行叠加形成叶片型面。 对叶片的造型有以下的要求： （1） 叶片截面线是自由曲线，叶片型面是负责的三维自由曲面，几何精度要求较高； （2） 叶片气动性能要求较高，对曲面光顺性要求较高； （3） 叶片的气动点来自于气动数据，在造型过程中要尽量保证其气动性； 由于在造型时要求的精度较高，在造型时会出现两个问题： （1） 叶片截面曲线造型结果不光顺，传统方法通过插值得到足够多的数据带点来构 成截面线，但插值方法不能完全保证缘头区域的截面线的凹凸性不发生突变 （即产生拐点） ，因此会导致叶身曲面在加工时产生啃切或价格不到位； （2） 叶片型面在缘头区域发生扭曲，严重影响曲面质量，由插值方法得到的截面线， 在缘头区域给出了较密的数据点，使得在曲线放样的过程中，很难保证在各截 面的缘头处点的参数对其，导致缘头区域曲面扭曲的状况。 通过查阅资料可以知道，叶身是有叶背、叶盆、前缘和后缘所构成，创建叶身型 面时首先要做出叶背和叶盆的曲线，然后以圆弧的形式分别连接两端构建前缘和后缘， 而圆弧的圆心和半径都是已知的数据。 而本课题只具备构建叶背和叶盆型面曲线的气动数据，因此，我选择用样条曲线 依次连接叶背和叶盆上的所有点，从而构建整个叶身型面去线，解决前缘和后缘的问 题。 （1）创建“零件”和“实体”, 进入草绘界面 图3.2进入草绘界面 单击“”工具下的偏移坐标基准点工具，输入第一界面叶身型面的坐标值， 用B样条曲线连接输入的基准点构成型面曲线（如图3.3所示）： 图3.3由坐标点连接曲线 选择B样条曲线的原因是：B样条曲线具有很多优点，更能够符合叶身型面复杂曲 线的要求，比如它具有局部调整性，仿射不变性，分段性，连续性凸包性，保凸性， 变差缩减性，造型灵活性等优点。其最突出的优点在于对局部的修改不会引起样条形 状变化的远距离传播，也就是说修改样条的某些部分时，不会过多地影响曲线的其它 部分。因此在获得气动数据点后对叶身曲面进行造型，为保证曲面不失真，我们选择B 样条曲线。 （2）以第一截面为基准创建第二截面：为保证各型面间的距离，必须要创建新的基准 平面，在新的基准面内进行草绘。创建新的基准平面要保证偏移方向和距离。点选基 准平面工具，选择第一型面草绘平面为基准，输入偏移距离，创建新基准面（如图3.4 所示） 图3.4输入截面偏距 在创建的基准平面内输入第二截面曲线的坐标，并用样条曲线连接构成第二型面。 并以同样的方法构建其他各型面曲线图（如图3.5所示） 图 3.5 各型面完成后视图 （3）进行边界混合： 各个型面截面绘制完成后就要构成叶身曲面，在构成叶身曲面时，我们首先要保 证的就是叶身曲面的光滑度，因为叶身的光滑度是叶片造型精度的一个重要衡量标准。 选择边界混合工具，依次点选十一个截面进行边界混合，在此过程中发现混合后的曲 面不是理想的叶身曲面，点选预览，发现合并的曲面是扭曲的，不规则的，即混合失 败。为了混合成功，必须创建第二方向，以限制混合后曲面形状。于是，采用基准点 工具依次依边界线两端圆弧中点为基准创建基准点并以基准曲线连接，构成基准曲线， 作为第二方向的限制来控制曲面造型的方向，促使造型后的曲面是理想而光滑的。 （如 图 3.6 所示） 图 3.6 绘制基准曲线图 再次进行边界混合，点选边界混合工具，依次点选十一个截面曲线，然后选择第 二方向，再依次选择两条基准曲线，点选预览，曲面符合要求，混合成功。根据曲面 实体化的要求，将第一截面和第十一截面分别进行填充，即将曲面两端进行封闭。合 并叶身曲面和两端填充面并将合并后的曲面实体化，叶身的造型完毕。 （如图 3.7） 。 图 3.7 曲面合并并实体化 3.2 绘制安装板及榫头 通过简单的拉伸, 创建叶片安装板、榫头等组件, 然后对成形零件进行倒角, 得 到最终叶片零件实体图。再进行旋转后, 得到最终效果（如图3.8所示）。 图3.8 叶片造型图 绘制大头安装板，注意选取角度，拉伸出要求厚度。 图3.8绘制大头安装板 根据叶片二维工程图可以知道，该安装板需要拔模，选择拔模工具对其拔模： 图3.9 大端安装板拔模 绘制大端榫头：由于安装板已经有了斜度，因此，在对榫头拉伸的时候，为保证 榫头和叶身截面的同轴度，就不可以选择有斜度的安装板平面作为拉伸的平面，所以 我依然选取拉伸安装板时用的基准平面，在最后确定拉伸长度时输入 25，最终保证榫 头长度为 18.（如图 3.10 所示） 图3.10 绘制大端榫头 绘制小头安装板：从二维工程图中可以知道该板与叶身截面有一定的角度，因此， 首先采用曲面拉伸，在适合的位置拉伸出一曲面，在将该曲面进行一次偏移，偏移的 距离为安装板的厚度。 图3.11 构建安装板截面 根据叶片工程图的主视图，拉伸一个矩形的曲面，对已经拉伸的两个平行的曲面 进行相互的修剪，最终就会得到安装板的结构，对得到的安装板各面进行曲面合并， 并将合并后的曲面进行实体化。对于超出该板的叶身部分，以该板的外面为基准面， 采用拉伸，取出材料的方法，将其去除。（如图3.12所示） 图3.12 绘制小端安装板 绘制出小头榫头：由于小端的榫头位置关系，必须首先创建一个基准面才可以进 行拉伸等操作，以保证叶片尺寸。以大端的榫头端面为基准，向小端方向偏移225建立 基准面，在该基准面上进行拉伸，绘制榫头，榫头与安装板之间的连接，采用投影， 边界混合，曲面合并和实体化都工具绘制。 图3.13 绘制小端榫头 发动机叶片的造型完毕。 4 基于 Pro/ E 的模具设计 4.1 毛边槽的设计 对叶片精锻来说，毛边槽的设计是重要因素，它控制锻造时金属的流动，据了解 国外高水平的叶片精锻生产，均采用了良好的毛边槽结构设计。毛边槽设计比较复杂， 它与锻压设备、锻件材料、锻件尺寸等有关，应根据具体情况确定具体形式及尺寸。 毛边槽的设计包括桥部和仓部的设计。常见终锻模叶身进排气边缘毛边槽形式有两种。 图4. 1所示的毛边槽形式是从叶身进排气边缘向外以水平方向(与锻模基准平面平行) 延伸余量。其宽度在排气边缘为1一1.5毫米，进气边缘因叶身较厚，金属流动阻力较 小，需加宽毛边桥，一般取宽度为4一7毫米，即使这样有时仍然出现进气边缘毛边大， 而排气边缘毛边小，甚至叶身型面充不满。遇到这种情况，需要在进气边毛边桥的中 间增添一道阻尼沟，如图4.2所示，才能进一步增加金属流动阻力，使进排气边毛边分 配均匀。凡是在终锻前未经预锻的毛坯和叶身厚度较大的叶片的终锻模，一般都采用 这种形式的毛边桥。 图 4.1 毛边槽形式1 图4.2毛边槽形式2 图 4.3毛边槽形式3 另一种形式的毛边槽如图4.3所示，从叶身进排气边缘延伸余量的边缘圆弧向外是 平面，此平面与叶身截面中心线夹角为50，这种毛边桥对金属阻力很小，适用于叶身 厚度较小的叶片终锻模。但终锻前的毛坯必须经过预锻，毛坯的形状、尺寸大致接近 终锻件，否则会由于金属分配不均匀，造成毛边一边大一边小，甚至叶身出现充不满 的现象。 榫头和定位凸台周围的毛边槽与一般锻件相同，如图4.1.4所示。毛边槽的高度为 h，则宽度为b=3h。一般h取1.0毫米。叶身进排气边缘与榫头内侧面转接处的毛边槽高 度由小向大过渡。 图 4.4毛边槽形式4 一种是沿着进排气边缘由内侧面的桥部高度1.0毫米，纵向过渡到叶身边缘桥部的 高度为0.5毫米。 在毛边槽的外面是毛边槽仓部，上下模仓部的深度为5毫米。在毛边的外围是平面， 桦头、叶身和叶尖的外围平面在同一水平面上，与锻模基准平面平行，低于仓部，其 宽度不小于25毫米。 本文的毛边槽形式采用了图4. 1的形式，这部分没有程序实现，利用件的界面功 能手工完成。实现的毛边槽形状如图4.5所示。 图4. 5叶片锻件毛边槽形状示意图 4.2 锻模的设计与造型 考虑到模具的使用环境和强度要求, 校正模具的材料选用K403 镍基铸造高温合金。 应用Pro/ E 软件对校正模上、下模进行设计。 4.2.1 创建制造模具型腔，进入模具造型模块 图4.6 模具造型模块 将参照模型，即发动机叶片的实体图导入该模块中，采用缺省约束将其完全约束， 并创将工件。 图4.7 模具工件图 4.2.2 创建分型面 叶身的分模只能确定在进、排气边缘分模，其分模线的位置就是进、排气边缘叶 型延伸余量的边缘圆角半径的圆心，如图4.8所示。 图 4.8分模线的位置 榫头的分模主要取决于临近的叶身型面进、排气边的分模。为方便加工，榫头分 模面最好是平面，只要能确定组成平面的边界直线，就确定了桦头分模面，如图4.9所 示。 图 4.9 桦头分模面的位置 由以上分析最终确定分型面： 图4.10 模具分型面 在模具设计模块中点选分模工具，将上下模分离。模具最终造型 如图4.11所示： 图4.11上 摸 图4.10下 模 5 叶片加工工艺分析及模具数控加工仿真 叶片类零件是飞机发动机的核心零件，广泛应用于航空、航天和兵器制造等领域， 其制造难度大。叶片加工一直是数控加工领域具有挑战性的课题。工序复杂，加工工 艺正在不断的改进。 5.1 叶片结构工艺分析 5.1.1 典型的叶片结构分析和机械工艺性评价 该叶片属于典型的薄壁复杂曲面零件，如图 5.1。叶片主要有叶身、椽板、榫头三 部分组成。叶身的表面是由三维自由曲面生成。叶身部分分为叶盆、叶背、前缘头(进 气边)、后缘头(排气边)127。该叶片是最大长度为 225，最大厚度 3.56.72，长宽 比例 3:1，叶片本身的刚性并不好，在加工中会产生变形，因此必须在机床调整、夹具 设计和加工参数等方面做适当的调整，以减小变形，达到规定的加工要求。按设计图 纸型面和凸肩的尺寸公差要求，余量控制在 2 以内，并用三坐标检测，应该符合形状、 尺寸和余量要求。 从以上分析不难看出，该叶片属薄壁零件，曲面精度高.结构元素和加工元素复杂， 导致数控加工工艺复杂、编程难度明显增大。 图 5.1 发动机叶片 5.1.2 叶片加工中的技术要求 叶片类零件的技术要求中内容像常规零件一样，包括尺寸、形状、位置、粗糙度等 几何方面的技术要求，也包括机械、物理、化学性能等方面的技术要求，后者主要取 决于毛坯的材料，也受工艺方法的影响。叶片的几何工艺近似于标准件的技术要求。 良好的气动性能要求叶片的表面光顺。精度要求一般只要集中在叶身表面、榫头 的表面和两个侧面，一般表面粗糙度要求应高于 0.8。叶身部分的光顺是叶片气动性能 的关键，截面间的型面平滑过渡，叶身表面波纹度和两个椽头按标准件验收，橼板的 边缘部分上不允许有横向加工轨迹。叶身的表面纹理力求统一，统一的流水线是最好 的表面纹理，限制了走刀方向;截面型面的扭转变形不宜超过 12 。叶片的中心线与榫 头中心线在叶片纵向上按节可有不同的微量偏移，以榫头的垂直于中心轴的截面为检 查面。进气边和排气边对气流的畅通有重要的影响，其圆度也是按照标准件要求。榫 头部分主要是为了加工时的定位和装夹，榫头的表面有定位螺纹孔。规定叶片的检查 基准和检查各个面时的容差，后者各个面不同。叶片有轮廓度的要求，轮廓度规定了 前后缘头厚度的变化速度。规定做一记号的面，以便后续检查和安装。 5.2 工艺路线的拟订 叶片数控加工技术是以锻造毛坯为基础，经过粗、半精、精加工等多道加工工序， 以数控铣削方式将叶型加工至最终尺寸。与传统抛光工艺相比，叶片数控加工技术要 实现叶身曲面“无余量”数控加工，对数控加工工艺技术和编程技术有更高的要求， 首先必须解决叶片的精确定位和变形控制等工艺难题。 5.2.1 加工阶段的划分 粗加工:切两端，钻两端中心孔，车叶片两端轴颈; 基准加工:研磨中心孔，铣工艺平面，磨削轴颈平面，磨削两端轴颈; 精加工:铣叶身，抛光和抛修，研磨中心孔，磨两端轴颈，铣轴颈平面; 辅助工序安排:荧光检查，振动光饰，清洗，打磨，工序检验，最终检验; 数控加工工艺路线:粗铣进、排气边一粗铣叶身型面一精铣叶身型面精铣型面与 橼板转接 R。 5.2.2 工艺基准及其选择 叶片的工艺基准指叶片在加工、度量和装配时所用的基准。根据其用途不同，叶 片的工艺基准又分为定位基准、度量基准和装配基准。定位基准决定了毛坯或半成品 在机床或夹具上加工时工件与刀具的相对位置。定位基准分为粗基准和精基准。 (l)在叶片的加工中，粗基准的作用主要有以下功能: 1)保证加工表面和不加工表面之间的位置和尺寸要求; 2)保证加工加工表面的加工余量均匀足够; 3)减少装夹次数。 (2)精基准的选择主要考虑以下因素: l)保证加工表面之间的位置精度和尺寸精度; 2)装夹方便。 叶片的精确定位是提高叶片数控加工质量、缩短研制周期、降低制造成本的关键 环节，合理的定位方案对于保证叶片尺寸精度和轮廓精度至为重要。 榫头是叶片精度最高的部分，是叶片的安装基准，也被选作叶片的加工基准。榫 头的两个侧面主要用来定位，加工精度要求较高，一般为 0.8。在加工椽板时先走交线 加工，划出余量，再进行半精加工和精加工。对叶片类薄壁件，只用榫根一端悬臂梁 式定位，不能保证切削过程零件的刚性要求，难以满足叶片精度要求，为此在叶尖增 加辅助工艺定位基准一一叶尖工艺台和定位工艺孔，并与榫根一起构成定位基准。 采用以上定位方案具有以下优点: (l)两定位基准之间跨距长，定位精度高; (2)增加叶尖辅助定位基准，可以提高定位系统刚性; (3)过定位有利于保证数控加工精度。 考虑本设计加工叶片的实际情况，较比以上两种定位基准的方法，本文采用的定 位基准为大轴颈及其端面，角向基准为大轴颈小平面，两端中心孔作为加工和检测的 基准。 5.2.3 毛坯的选择 选择良好的毛坯，对叶片零件的加工质量、生产率和经济性都有很大的影响.毛坯 的形状、尺寸越接近叶片的设计造型，所消耗的材料和加工工时越少，但同时增加了 制造毛坯的费用。毛坯的选择原则: (l)零件的结构和尺寸; (2)生产类型; (3)零件的材料; (4)现有的条件。 叶片类零件的特点是形状复杂，尺寸适中，一般小批量生产，毛坯一般选择热模 锻或自由锻件，可以减少叶片的加工余量，提高加工效率;精锻毛坯的叶身甚至不需要 加工可直接成形。叶片毛坯的主要形式为:方钢，模锻，精锻，高速锻，半精锻，车 L 制，精密铸造，钢板辊压(爆炸成形)。叶片的材料包括刚度好，密度大的钢(用于重型 机械)、刚度小密度小的合金铝(农用)、刚度较大密度小的钦合金(用于航空航天领域)、 碳纤维等。 本课题叶片的材料为 TC6(BT3 一 1)，该种材料硬度为 Hd 二 3.2 一 3.9，它具有化 学活性强，粘附力强和弹性变形大的特性，因此对机床的结构、模型设计和切削参数 的合理性有较高的要求。综合考虑选择模锻件做为毛坯。 5.2.4 加工方法的选择 叶片加工的工序种类多样，数目繁多，采用数控铣床等高效加工设备对操作者的 技术水平要求高，生产准备工作量大。本课题叶片加工时采用了工序集中的工艺路线， 这样做的优势在于: (1)缩短了工艺路线和辅助时间; (2)简化了生产组织管理; (3)减少了工人数量和生产面积; (4)提高了各个表面简的位置精度。 5.2.5 刀具选择 加工叶片的刀具比一般机械加工选用刀具要考虑更多的因素。首先，采用的铣刀 几何形状要适应曲面加工，要具有良好的切削性能及排屑和断屑性能，并不仅要适应 于凸曲面，而且还要适用凹曲面，这对于刀具干涉是很重要的因素。在选用刀具时， 不仅要根据机床的功率，铣头的转速，叶片材质及刀具和刀片的有关切削参数作计算， 而且更进一步要根据后述的仿真加工将其刀盘、刀片及刀杆和铣头进行仿真和干涉检 查计算，以进行综合考虑。如果刀具干涉，必须修改刀具方案及加工方法等，也就是 最后确定的刀具必须在仿真和干涉检查验证没有问题后才能得知。在机床功率、铣头 转速范围和机床刚性足够的条件下，在仿真加工采用不同直径刀具进行计算，尽量采 用大直径刀具以提高加工效率。 在 Mastercam 模块中进行叶片的仿真加工，很重要的一步就是选择合适的铣刀， 因为刀具的半径直接影响着刀具轨迹的生成和加工质量的好坏。在不进行叶片曲面参 数分析时，仿真加工只能根据经验初步设定刀具参数，然后再观察仿真效果，如此反 复多次，直到没有发生干涉为止或者一次仿真后直接试切，若有干涉发生再次换刀试 切。其实采用上述方法选择刀具并不精确，而且无法达到最高的加工效率。在相同的 误差允许范围内，刀具的半径越大则加工行距越大，加工效率也就会越高。若己知叶 最小曲率半径，则可直接在 Mastercam 中设定最大刀具半径，经过一次仿真即可生成 合适的刀具轨迹。 当对叶片进行数控铣时，叶片铣削的工艺一般有以下步骤: (l)选择毛坯:根据零件的强度要求，选择铸造或锻造毛坯。 (