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姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 摘要 叶片是汽轮机组的关键零件之一，其型面加工质量的好坏将直接决定汽轮机组 性能的优劣和效率的高低。目前国内汽轮机叶片的最终加工绝大部分仍然采用人工 打磨的方式完成，其加工质量和加工效率普遍较低。因此，研发一套高精度、高效 率的叶片精整加工工艺装备是国内叶片制造企业的急切需要，也是提高我国汽轮机 叶片现有制造工艺水平的迫切要求。 本论文针对汽轮机叶片型面的难加工性，应用现代数控技术和砂带高效磨削技 术，进行了六轴联动汽轮机叶片数控砂带磨床的结构设计和分析。主要从事了以下 几方面的研究工作： 首先，根据汽轮机叶片结构形状和砂带磨削的特点，对汽轮机叶片型面砂带磨 削成型理论以及磨削运动进行了分析，确定了叶片砂带磨削所需要的基本运动以及 所设计叶片砂带磨床的运动控制轴数。 在此基础上讨论了机床结构类型和布局方案，确定了机床的相关结构参数和 功能参数，完成了砂带磨床总体结构设计，并对磨床主要结构部件包括机床基础 件、驱动轴部件以及磨头系统部件等进行了详细结构设计。在所设计机床结构中， 两个摆动轴轴线与刀轴矢量空间正交，提高了刀具摆动的控制精度，降低了叶片磨 削数控编程的难度；磨头结构中包含的磨削力控制装置，可实现叶片砂带恒力磨 削，解决了砂带磨削高精度控制的难题。 在结构设计完成后，通过p r o e 软件系统所提供的p r o m e c h a n i s m 机构运动仿 真模块，对所设计的磨床整机结构进行了运动学仿真，检查了机床可能存在的运动 干涉，并对相关运动参数进行了测量分析，从而全面系统地分析和验证了磨床各运 动机构设计的合理性。 最后，论文借助有限元分析软件a n s y s ，以机床两个典型工况为基础，对所 设计叶片数控砂带磨床的关键结构部件进行了有限元静力分析，根据分析结果进行 了相关结构的改进和调整，并对改进后的机床床身和立柱进行了模态分析，在保证 设计结构件的静态强度和刚度基础上，验证了其动态特性满足机床设计要求，从而 保证了整台机床结构设计的可靠性。 关键词：汽轮机叶片；六轴联动；恒力磨削；结构设计；运动仿真；有限元分析 姚召华 汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 i i i a b s t r a c t b l a d ei ss e e na sak e yp a r to ft h es t e a mt u r b i n e t h ep e r f o r m a f l c ea n de f f i c i e n c y o fs t e a mt u r b i n ed e p e n do nt h em a c h i n i n gq u a l i t yo fb l a d es u r f a c e i nc h i n a ，t h el a s t p r o c e d u r eo ft h eb l a d eg r i n d i n gi sm o s t l yp r o g r e s s e db yh a n d c r a f ta tp r e s e n t ，w h i c h h a st h el o w e rp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i t sn e e d e du r g e n t l yf o rd o m e s t i c b l a d em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e st od e v e l o pas o r to ff i n a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n tf o r b l a d e ，w h i c hh a v et h eh i g hp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y i ti sa l s oa nu r g e n tr e q u i r e m e n tt o i m p r o v eo u rp r e s e n tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sl e v e lo ft u r b i n eb l a d e sf o ro u rc o u n t r y i nt h el i g h to ft h ed i f f i c u l t l ym a c h i n i n go ft h et u r b i n eb l a d es u r f a c e ，t h i sp a p e r a p p l i e dt h em o d e r nc n ct e c h n o l o g ya n dt h eh i g h l ye f f i c i e n ta b r a s i v eb e l tg r i n d i n g t e c h n o l o g yt oc o n d u c tt h es t r u c t u r a ld e s i g na n da n a l y s i so fs i x a x i sc n ca b r a s i v eb e l t g r i n d i n gm a c h i n ef o rt u r b i n eb l a d e t h e m a i nw o r ko ft h er e s e a r c hi n c l u d et h e f o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y ，b a s e d o nt h ef e a t u r e so ft h es h a p eo ft h et u r b i n eb l a d e sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fa b r a s i v eb e l tg r i n d i n g ，t h es h a p i n gt h e o r e t i c so fb e l tg r i n d i n ga n dt h e p r o c e s s i n go fb e l tg r i n d i n gm o t i o no nb l a d e sw a sa n a l y z e d t h eb a s i cm o v e m e n to ft h e b e l tg r i n d i n gf o rb l a d ew a sd e f i n e d ，a n dt h en u m b e ro f m o t i o nc o n t r o la x e so ft h eb e l t g r i n d i n gm a c h i n ew a sd e t e r m i n e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v ea n a l y s i s ，t h es t r u c t u r a lt y p ea n dc o n f i g u r a t i o no ft h e m a c h i n et o o lw e r ed i s c u s s e d t h es t r u c t u r a la n df u n c t i o n a lp a r a m e t e r so ft h eg r i n d i n g m a c h i n ew e r ee s t a b l i s h e d t h e nt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em a c h i n et o o lw a sd e s i g n e d ， a n dt h em a i ns t r u c t u r a lc o m p o n e n t so ft h eg r i n d i n gm a c h i n es u c ha st h ef o u n d a t i o no f m a c h i n et o o l ，d r i v es h a f tp a r t sa n dt h eg r i n d i n gs y s t e mc o m p o n e n t sw e r ed e s i g n e di n d e t a i l i nt h ed e s i g n e ds t r u c t u r eo fm a c h i n et o o l ，t h et w os w i n ga x e sa n dt h et o o la x i s w e r eo r t h o g o n a li ns p a c e i tc a ne n h a n c et h ec o n t r o la c c u r a c yo ft o o ls w i n ga n dr e d u c e t h ed i f f i c u l t yo fc n c p r o g r a m m i n gf o rb l a d eg r i n d i n g t h eg r i n d i n gp r e s s u r ec o n t r o l d e v i c eo ft h em a c h i n ec a nm a k et h eg r i n d i n gp r e s s u r ei n v a r i a b l y t h e r e f o r e ，t h e d i f f i c u l tp r o b l e mo fh i g h p r e c i s i o nc o n t r o lf o rb e l tg r i n d i n gc a nb es o l v e d a f t e rt h es t r u c t u r a l d e s i g nc o m p l e t e d ，t h ek i n e m a t i cs i m u l a t i o n t e s to ft h e g r i n d i n g m a c h i n ew a sp r o g r e s s e d b yu s i n gt h e p r o m e c h a n i s mm o d u l ew h i c h e m b e d d e di nt h ep r o es o f t w a r e t h ep o s s i b l ei n t e r f e r e n c eo fm a c h i n ew e r ec h e c k e d a n dt h em o v e m e n tp a r a m e t e r sc a na l s ob em e a s u r e da n da n a l y z e d s ot h er a t i o n a l i t yo f i v 扬州大学硕士学位论文 t h em o t i o nm e c h a n i s mo ft h eg r i n d i n gm a c h i n ew e r ea n a l y z e da n dv e r i f i e dg l o b a l l y a n ds y s t e m a t i c a l l y f i n a l l y ，b yt h eu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，t h ek e yp a r t s o fg r i n d i n gm a c h i n ew e r ea n a l y s e dt h r o u g hs t a t i ca n a l y s i si nc o n d i t i o no ft w ot y p i c a l p h a s ei nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fa n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo ft h em a c h i n e p a r t sw e r ei m p r o v e da n da d j u s t e dt oe n s u r et h es t a t i cs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s t h e nt h e m o d a la n a l y s i so ft h ei m p r o v e dm a c h i n eb e da n dc o l u m nw e r ec a r r i e do u ti no r d e rt o v e r i f yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n e a sar e s u l t ，t h er e l i a b i l i t yo ft h e w h o l ed e s i g n e ds t r u c t u r ef o rt h em a c h i n et o o lc a nb eg u a r a n t e e d k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n eb l a d e ；s i x - a x i s ；c o n s t a n tp r e s s u r eg r i n d i n g ；s t r u c t u r ed e s i g n ； k i n e m a t i cs i m u l a t i o n ；f e a 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 6 7 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：挑z 竿 签字日期：2 珈年厂月以日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名吵2 年 导师签名： 名f ) 铭 签字日期：肿年f 月伽 签字日期：芦f 啤厂月妒日 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 第一章绪论 进入2 l 世纪以来，随着我国国民经济的飞速发展，社会对电力的需求突飞猛 进，而汽轮机作为电力生产的主要工具，其相关技术也成为了电力工业的核心技术 之一。汽轮机叶片是汽轮机组的关键零件，其型面为复杂的自由曲面，叶片型面的 制造精度和表面质量对汽轮机的工作效率有着重要影响。目前，世界上各工业国家 都非常重视对叶片型面加工技术的研究，不少工业发达国家现已将数控加工中心和 数控砂带磨床用于汽轮机叶片的加工，使叶片的整体加工效率、型面几何精度及表 面质量得到了较大提高。然而，由于国外长期对我国五轴以上的数控机床采取封锁 和垄断策略，致使我国的叶片精加工工艺技术普遍较为落后，不少企业仍采用传统 手工抛磨的落后工艺，远不能满足国民经济对电力能源装置日益增长的发展需求， 严重制约了我国能源装备以及相关制造装备、国防装备整体水平的提升。因此，对 汽轮机叶片精加工技术的研究，不仅对我国能源电力工业的发展有着重要的推动作 用，而且对我国制造业水平的提升以及国防装备制造能力的提高具有重要的战略意 义。 1 1 汽轮机叶片结构特征 汽轮机是一种将蒸汽热内能转换为机械能的旋转动力机械，主要作为发电用 的原动机，也可作为工业泵、风机、压缩机以及船舶螺旋桨等设备的驱动机械。汽 轮机工作时，蒸汽通过固定不动的喷嘴以一定的速度和方向进入汽轮机内，由喷嘴 叶片强迫蒸汽气流改变运动方向，使其产生对转子叶片的作用力，推动转子旋转做 功，从而将蒸汽的能量转换成汽轮机转子旋转的机械能。 叶片在汽轮机中的工作环境十分恶劣，高速旋转时转子叶片除了承受高温高速 蒸汽作用的压应力，还作用有叶片自身旋转的离心应力，从而使叶片在其工作过程 中有较高的失效率。为此，叶片的设计制造质量将直接影响汽轮机组运行的性能和 工作的可靠性。 叶片的种类较多，若按其功能作用可将其分为动叶片和静叶片两大类。动叶片 安装在汽轮机转子上，由高压的蒸汽推动带动转子一同旋转，其结构如图1 1 所 示。静叶片安装于汽轮机组壳体上，处于静止状态，主要起着改变气流方向的作 用，如图1 2 所示。动叶片和静叶片一般都是成对作用，一级动叶片对应于一级静 叶片。而叶片按其结构形状的不同，又可分为直叶片和扭曲叶片。直叶片叶身的所 有截面形状相同，如图1 3 所示；而扭曲叶片的整个叶身为空间扭曲型面，各截面 形状各不相，如图1 4 所示。 扬州大学硬士学位论文 图11 动叶片罔i2 静叶片 罔13 直叶片图i4 扭曲叶片 就叶片结构而言，扭曲动叶片的结构最为复杂，可分为叶根、叶身和p l 冠三个 组成部分，如图1 1 所示。 1 ) 叶根叶根是叶片与转轴相连接的部分。叶根结构要求在任何运行条件下 都要保证叶片牢牢地固定在转轴上，同时力求结构简单，便于制造和装配。叶根结 构有多种形式常见的有直叉型、阶梯叉型、纵树型、榫齿型等，如图l5 所示。 ， a ) 直叉形 b ) 阶梯叉形c ) 纵树形d ) 榫齿形 图15 叶根的樊犁 2 ) 叶身叶身是汽轮机叶片的工作部分。叶身型面一般为自由空间曲面，是 根据空气动力学原理所设计的，其型面n t 要求较高表面要求光洁流畅，其最终 加工工艺要求进行抛磨光整，是叶片最难加工的工作表面。 3 ) 叶冠 叶冠是叶身以上的叶片结构。叶冠也有不同的结构，在大型叶片的 叶冠部分往往装有围带，以增强叶片刚度，提高叶片的自振频率，同时还有防止漏 汽的作用。 从汽轮机叶片的结构分析可见，叶片的加工难度主要在于对叶身复杂型面的加 工，加之叶片多采用强度高、韧性大、热硬性好的不锈钢难加工材料，因而可以 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析3 说：叶片是汽轮机组中加工难度最大的零件之，其加工工忭量约占整个汽轮机的 三分之。为此t 本文将针对汽轮机叶片型面的特点及其型面磨削加工要求，从事 六轴联动汽轮机叶片数控砂带磨床的开发研究i 。 1 2 国内外汽轮机叶片磨削技术的发展研究现状 汽轮机叶片性能的好坏主要取决于叶片型面几何精度和表面质量的高低提高 叶片型面的加工精度对于提高汽轮机的工作效率具有重要作用。为此，对汽轮机叶 片最终的精加工工艺采用数控化磨削是汽轮机叶片加工制造的必然趋势。 在国外，下业发达国家对于叶片数控磨削技术的研究起步较早。如前苏联在上 世纪7 0 年代末、8 0 年代初就从事数控砂带暗削技术的研究井成功用于叶片的型 面和叶根的磨削加工；德国m e t a b o 公司和i b s 公司等在上世纪9 0 年代推出了六轴 联动叶片数控砂带磨床如图16 所示，该娄磨床在x 、y 、z 和a 、b 、c 六轴 联动控制基础上增加了一根压力轴控制，可以对叶片进行恒力磨削，磨削加工精度 可达02 r a m ，是目前国际上应用最为广泛的叶片六轴数控磨削加工设备。 a ) m e t a b o 公司町片数控砂带磨床b ) i b s 公司叶片数控砂带职床 田16 国外知名公司数控砂带磨床 在国内荧r 汽轮机叶片数控磨削技术及其装备的研究起步并不晚。早在上世 纪9 0 年代初国内的一些高校便开始对叶片数控磨削技术进行了研究，如华中理 工大学承担了国家“七五”攻关项目“复杂型砸的砂带磨削工艺试验研究”，并利 用x k s 0 4 0 立式数控铣床进行了汽轮机叶片数控砂带磨床的改造，及相关磨削试验 的研究1 4 i 。近年来，由武汉华中数控股份有限公司、北京胜为弘技数控装备有限公 司和德阳东汽工磨具有限公司联合研制开笈了国内首台九轴六联动数控砂带磨床 t x 一6 。如图i7 所示，该机床在2 0 0 8 第五届r 1 国数控机床展览会上进行了展出， 主要用于大型汽轮机叶片的膊削和抛光加土f ，l ；重庆三磨海达磨床有限公司等单位 合作也于2 0 0 8 年研制完成了大型汽轮机复杂叶片商教精密加_ 丁六轴联动数控砂带 扬州太学硕士学位论文 磨床，如图18 所示1 6 j 。此外，河北廊坊智通机器人系统有限公司利用国外进口机 器人技术结合砂带磨削的特点，开发了由机器人和砂带磨床组成的机器人砂带磨削 系统，如图19 所示 7 l 。 囤17t x 6 九轴六联动数控砂带磨床 图19 机器人砂带磨削系统 扬州大学机电研究所为了改变当前我国叶片加工工艺现状，也从事了叶片磨削 技术的研究，并相继研制了四轴联动、五轴联动的数控叶片砂带磨床样机，如图 姚召华汽轮机叫片数控砂带厝床结构设计与分析 1 0 和圈11 1 所示i 围i1 0 四轴联动数控砂带磨床 凹i1i 五轴联动数控砂带者睐 上述研究成果为叶片的精整加工提供了较好的工具手段，使得叶片的加工精 度、加工效率以及叶片的加工工艺上了一个新台阶。但是，由于这些叶片数控磨削 加工设备还刚刚推出，无论是在结构上，还是在控制技术和编程方法上还有待进一 步提高和完善。 1 3 国内外机床结构分析技术与应用 机床结构分析已成为现代机床设计的一项重要内容，其涉及内容较多，主要包 括结构静力分析、结构动态分析、结构非线性分析、结构优化设计等方面。机床机 械结构的静、动态特性与机床产品的整机结构性能有着密切关系，提高机床主要结 构部件的静、动态特性对于提高机床产品质量、保证机床的加下精度有着重要意 义，因而，国内外学者对机球结构分析技术的研究都比较活跃，所涉及的内容也较 为丰富。 在国内，东南大学汤文成、易红等对机床结构件进行了静、动态特性分析和结 构优化研究。根据机床结构件的特点，提出了机床大件结构拓扑生成的方法井对 结构进行了有限元分析和优化设计实现结构件的自动设计，为机床结构件的几何 尺_ 优化和拓扑优化作了有益的尝试：通过分析机床床身主板与隔板板厚变化对其 动态特性的影响，阐述了尺寸参数对结构件振型及其固有频率的影响规律，为得到 最优的床身设计方案做了大量研究0 ij 】。陈庆堂和汤文成还对x k 7 1 3 教学型数控铣 床主轴箱采用有限元软件a n s y s 计算分析了其应力分布和变形，以及固有频率和 振型，并根据分析结果对主轴箱进行了结构改进和优化设计2 3 】。 天津大学张学玲和徐燕申等运用结构动态设计原理和有限元变量化分析技术， 提出了一种数拄机床床身结构的动态设计方法以结构周有频率为优化同标，以元 6扬州大学硕士学位论文 结构和框架结构优化结果为依据，并以立式加工中心床身为例，提出了该床身结构 的若干改进方案，并对各方案进行了比较分析0 4 1 。 四川大学张向宇、熊计等利用a n s y s 静力分析功能，对进给状态下的机床滑座 进行了有限元分析，并根据分析结果校核了滑座静强度，应用a n s y s 拓扑优化模块 对滑座结构进行改进，使改进后的滑座结构在保持原结构静强度和刚度的同时比原 设计方案的用料明显减少。同时利用a n s y s 模态分析功能，进行了立柱固有频率的 分析，并研究了其结构改进对低阶固有频率的影响【1 5 - 1 6 】。 王艳辉、伍建国等人在确定了精密机床床身结构合理的基础上，以床身肋板布 置尺寸和肋板厚度为设计参数，利用a n s y s 对床身进行了结构参数的改进优化，节 省了制造材料，降低了生产成本1 1 7 。神会存，李新平等人利用有限元法计算了1 0 种形状相同、壁厚不同的车床床身模型受力后的变形情况并分析了开孔位置和壁厚 对刚度的影响，探讨了车床床身结构的合理化设计【1 8 】。 综上所述，近年来国内学术界为配合国内机床产业的发展，在机床结构分析和 优化改进方面从事了大量研究工作，取得了丰硕的成果。 在国外，对于机床结构分析和改进优化的研究发展较快，己将其它领域的知识 应用于机床结构的分析设计。如美国c a t h o l c i 大学的g b i n a c h i 等学者将机床的动 态设计与控制相结合 1 9 1 ；m i c h i g a n 大学的y o s h i m u r a m 在应用有限元法动态分析 的基础上，提出一种用数学模型来模拟机床结构的联结形式，建立了整机的模型并 对机床结合面联接件( 如螺栓、焊点等) 的位置和数量进行了拓扑优化设计1 2 0 ； p a t r i c kv h u l l 等人应用有限元方法进行了机床结构的分析研究，提出了机床结构 的全程参数化设计 2 h ；美国f o r d 、g m 等汽车公司利用拓扑优化思想，对汽车简 单薄壁件结构进行了优化设计，并在此基础上进行人工的动力学修正，既保证了结 构具有良好的动态性能又节省了的制造成本；而l o w a 州立大学的j m v a n c e 与 i s u 研究中心的t p y e h 等学者应用虚拟现实技术进行了机床结构的形状优化设计 【2 2 】。纵观国外机床结构分析和优化设计研究，可总结出如下的特点【2 3 2 4 j ，即： 设计与分析工作并行，即从结构选型、结构设计开始，到具体设计方案比较 和确定的各个设计阶段，均伴随有结构分析； 结构优化思想贯穿于结构设计的每一阶段； 由大量的虚拟试验代替实物试验。 1 4 本课题研究意义和主要研究内容 1 4 1 课题研究目的和意义 通过对国内部分汽轮机叶片生产企业的走访调研，了解到目前我国叶片型面的 姚召华汽轮机州片数控砂带磨床结构设计与升析 7 加工通常是在精锻或铣削成形的基础上，采用砂轮或砂带进行人工磨抛来完成，如 图l1 2 所示，其工艺方法原始，精度难以保证，生产效率低下，而且工人劳动强 度大，作业环境恶劣；少数大型企业则以高昂的价格引进国外进口的数控砂带磨 床，致使企业生产成本增大。从而可见，国内的叶片制造业急需套加丁性能好、 价忙低的叶片精加工工艺装备，替代现有手工抛磨工艺，阻满足叶片高精度、高效 率的加工要求，这也是提高我国汽轮机叶片现有制造工艺水平的迫切要求。 图1 1 2 叶片手工磨酗 为此，扬州大学机电研究所志在进行高教高精度的六轴联动汽轮机叶片数控砂 带磨床的研究和开发，井得到江苏省科技厅高技术研究项目的支持，本课题是该项 目的一个重要组成部分。本论文将根据汽轮机叶片型而特点及其加工精度要求应 用先进的数控技术，结合砂带高效磨削的优点，在对汽轮机叶片磨削运动分析的基 础上，完成机床的整机结构方案设计；然后对所完成的机床整体结构方案进行运动 学仿真检查机床结构设计的合理性和协调型：最后对机床主要结构部件进行有限 元分析，井根据相关分析结果对设计结构进行了相应改进，从机床静、动态两方面 特性考虑保证了其机械结构设计的可靠性。 本课题研究的最终成果可为我国汽轮机叶片制造业提供一台高精度、高效率且 经济实用的叶片数控砂带磨床设备，使我国汽轮机制遗业工艺水平上一个新的台 阶。同时本课题的研究还可使机床在研控过程中就保证其设计结构性能满足机床 磨削加工耩度要求，在定程度上节省结构材料，缩短研发周期，降低研制成本， 为六轴联动数控砂带磨床的最终一次性研制成功提供可靠的前提保证。 142 课题主要研究内客和研究方法 本课题针对当前我国汽轮机叶片加工工艺要求及其机床装备的现状，在先前四 轴联动以及五轴联动叶片砂带数控磨床研究的基础上，进行六轴联动汽轮机叶片数 控砂带磨床的结构设计和分析通过p r o e 建模工具进行机床结构的详细造型设计 和运动仿真升借助于通用有限元分折软件a n s y s 。在计算机虚拟环境中对所设计 的砂带磨床主要结构件进行机械结掏性能分析，根据分析结果对相应结构进行改进 扬州大学硕士学位论文 调整，在保证所设计机床结构性能满足各类汽轮机叶片的磨削加工要求的基础上， 使其研制成本最低。 本文主要研究内容及研究方法包括以下几个方面： ( 1 ) 根据汽轮机叶片砂带磨削特点，进行叶片型面磨削成型理论研究，分析 叶片砂带磨削所需基本运动并确定设计机床的运动控制轴数。 ( 2 ) 进行机床机构类型和布局方案的分析，确定所设计机床的相关参数，完 成机床总体结构设计，并对机床主要结构部件包括基础部件、驱动轴部件以及磨头 系统部件进行详细结构设计。 ( 3 ) 借助于p r o m e c h a n i s m 运动学分析模块对所设计机床各运动部件进行运动 学仿真实验，检查机床是否存在运动干涉，并对相应结构运动参数进行测量分析， 验证机床整体结构设计的合理性。 ( 4 ) 运用有限元分析软件a n s y s ，对机床主要结构部件进行结构静力学特性分 析，查看各结构件强度、刚度是否满是设计要求，并在此基础上进行相应结构改进 调整。同时对改进后机床立柱和床身进行了模态分析，验证其固有频率是否符合机 床动态特性要求，从而保证砂带磨床结构设计的可靠性。 本文在进行机床机械结构设计和分析时，考虑其加工工艺性和可装配性，采用 结构设计和仿真分析交叉结合的设计方法，以并行工程思想指导整个设计过程。 1 5 本章小结 本章介绍了汽轮机叶片相关结构特性，研究了国内外汽轮机叶片磨削技术的发 展现状和机床结构性能分析技术与应用的状况，明确了本课题的研究目的和意义， 确定了课题的主要研究内容和方法。 姚纠华汽轮机针片数控砂带埒床结构设计与分析 第二章叶片型面砂带磨削成型理论基础及磨削运动分析 随着现代化工业的发展，砂带制造技术水平的提高以及新的高强度磨料的出 现，砂带磨削效率、磨削精度和使用寿命都得到了显著的提高，从而使砂带磨削技 术的应用遍及各行各业，几乎可以完成对所有材料及不同型而的磨削加工。 为了对汽轮机叶片实现高效砂带磨削加工，本章以扭曲叶片为对象从叶片型 面砂带磨削特点出发，分析叶片曲面型面砂带磨削成形理论以及叶片砂带磨削所需 的基本运动，以此确定叶片砂带磨床的伺服控制轴数这是叶片数控砂带磨床开发 研制需要解决的关键问题之一。 2 1 叶片型面砂带磨削特点 汽轮机叶片型面是根据空气动力学方法所设计的复杂空间自由曲面，其截面型 线很小规则，只能以离散点的坐标来表示。如图2 1 a 所示，从叶片截面轮廓可 见其型面是由进汽边、出汽边，盆弧和背弧几个部分组成j 。对于尺寸较大的 叶片，为提高其刚度在叶身型面中部还装有加强筋，使其型面更加复杂，如图 2i b 所示。由此可见，叶片磨削加工难点主要是对叶身型面的加工。 a ) 叶片截面轮廓罔b ) 带加强筋的叶片塑面 圈2 】叫片型面结构 叶片的砂带磨削是由柱形接触轮支承着砂带对叶片施加一定作用力，并通过对 叶片型面的包络运动完成磨削加工的。因而叶片磨削过程可视为由圆柱形刀具对 叶片型面进行扫描包络的过程，如图2 2 所示 2 “2 7 。 扬州大学硕士学位论文 圈2 2 叶片砂带磨削成型原理示意图 由于柱形砂带接触轮本身具有一定的宽度，在对叶片型面包络磨削过程中，可 能会产生磨削刀具对加工型面的干涉，影响磨削的质量。因而，在进行叶片砂带磨 削时需要对磨削过程可能出现的干涉进行分析 e s - 2 9 。 a ) 点接触b ) 线接触c ) 面接触 图23 叶片砂带磨削接触形式 图2 3 所示为叶片型面砂带磨削加工时，刀具与工件之问可能存在的几种加工 接触形式。当对一般扭曲叶片型面进行磨削时接触轮与叶片磨削接触一般为点接 触形式；而对某些直纹叶片型面进行磨削时其接触形式主要为线接触：当对某些 特定叶片型面磨削加工时，偶尔也会产生面接触形式。 根据叶片砂带磨削的接触方式，在用柱形砂带接触轮对一般扭曲叶片型面磨削 过程中，往往会产生如图2 4 所示的的几种磨削干涉现象。由于柱形接触轮具有一 定的宽度，常常会出现如图2 4 a 所示的侧刃干涉；在磨削走刀方向，当接触轮半 径大于磨削点的曲率半径时，就可能产生如图24 b 所示的曲率干涉；此外磨削过 程中也可能产生如图2 4 c 所示的砂带与被磨削曲面的干涉。 a ) 侧刃干涉b ) 曲率干涉c ) 砂带干涉 图2 4 叶片磨削中可能出现的干涉现象 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 因此，为了减少磨削过程中可能出现的上述各类干涉现象、提高磨削效率和磨 削质量，需要从参与砂带磨削包络运动的相关曲面的构成及其曲面特征参数入手， 对叶片型面砂带磨削成型理论进行研究，以便更好地分析叶片磨削所需运动的组成 及其控制。 2 2 叶片型面砂带磨削成形理论基础 如图2 5 所示，砂带通过柱形接触轮对叶片型面进行磨削，接触轮表面为一 直纹可展圆柱面。作为砂带磨削刀具，接触轮刀轴矢量的控制对叶片磨削运动至关 重要。所谓刀轴矢量是指经过刀位点的刀具轴线的方向矢量，对于叶片磨削的刀轴 矢量即为接触轮回转轴矢量，如图2 5 中所示的0 q 方向矢量。若可以控制该刀轴 矢量，使其与叶片型面磨削点处最小曲率方向一致，便可减小磨削过程可能出现的 各类干涉，从而获得较高的型面加工精度【3 0 】。因此，下文将从叶片型面特征参数 入手进行详细分析。 ( u 丫) 图2 5 磨削刀具与工件的相关参数示惫图 ( 1 ) 叶片型面参数方程 叶片型面为空间自由曲面，其参数方程可表示为： q = q ( u ，) ( 2 - 1 ) 式中，( 甜，) r 。在上式中若令，为常数，1 ，= v o ，在叶片型面上就有一条等参数曲 线q = q ( u ，l p o ) ，称之为材线；同样，若令甜为常数，z ，= 1 1 0 ，在叶片型面上则有另一 条等参数曲线q = q ( u o ，1 ，) ，称之为1 ，线。因而，叶片型面上的每一点p ( u o ，) 有两条 等参数曲线，如图2 5 所示。 ( 2 ) 叶片型面磨削点处的切平面 如图2 6 所示，经过叶片型面三：q = q ( u ，1 ，) 上任意一磨削点咒( ，吒) 处都有两条 等参数曲线。一条是u 线，即q ( u ，v o ) ，在该曲面上点昂( ，v o ) 处的切线矢量可以 1 2 扬州大学硕士学位论文 表示为毋。( “，v o ) ；另一条是 ，线，即窖( ，v ) ，其在点的切线矢量可用q v ( u o ， l ) 表 示。设叶片型面上经过昂( ，) 点的任一曲线，：u = u ( t ) ，v = v ( o ，f j 9 9 2 ，在 ? o ( u o ，v o ) 处u o = 黝( f o ) 、v o v ( 岛) 。将该曲线代入方程( 2 1 ) ，得到f 上曲线厂的参数 方程为： q - - q ( u ( t ) ，v ( o ) ( 2 - 2 ) 由式( 2 - 2 ) 可以得出，曲线脏忍处的切线矢量为： ( 亳) | ，。之q 。( 瓤，v 。) ( 鲁) | m + q ，( 摊护v ) ( 害) | ，。 c2 3 ， 简写为： 钿氘幽 蓄2q 。石+ q ，磊 假设在叶片型面最点处的两切线矢量吼、譬，不相互平行的，则可由敷、窖，确 定唯一平面7 【。可以证明式( 2 - 3 ) 所表示的任意曲线厂的切线矢量d q d t 均位于平 面耳上，为此可将平面露称为空间曲面茗在点最处的切平面。在该切平面上，每条过 最点的直线矢量均为曲面在昂的切线矢量。由式( 2 3 ) 还可以看出，蜀点菜切线 矢量方向决定于( d u d t ) ：( d v d t ) ，即d u ：d v 。可见，在叶片型面上任意点的切平面 只有一个，而其切线却有无数条f 3 l - 3 2 ) 。因此，在对叶片型面某点进行磨削时，磨 削刀轴方向一定在某个平行于切平面的恒定平面内，而该方向的确定则需要根据磨 削成型理论要求而定。 圈2 6 叶片型面磨削点特征参数关系 ( 3 ) 叶片型面磨削点处的法曲率 在图2 6 中，设毛为叶片型面上某磨肖点忍处沿着给定方向的法曲率，则 有如下的曲面曲率公式： = i l l i j f ( 2 4 ) 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 式中，n 为曲面石在点只的法矢。 上式可展开整理为： ld “2 + 2md “dv+ndv 2 l = 。- - - - - - - - - - - - - - - - 一 , , l t l ed 材2 + 2fd 扰dv+gd1 ，2 即： ( e e 一工) 幽2 + 2 ( e f - m ) d u d v + ( k g - n ) d v 2 - - 0 ( 2 - 5 ) 式中，e 、f 、g 和l 、m 、n 为叶片曲面q ( u ，) 在局点处的第一类和第二类基本 量，且均为曲面参数“，v 的函数： e = q u 2 ；g = q v 2 ；f = g 。g ，；l = 刀g ；。；m = 栉g 。；n = n g 。； 设p l 为叶片型面p o 点处的邻近点，l 为型面上连接尸l 和昂点的曲线，尸o 、 p l 两点径矢分别为g ( s ) 和g ( s + s ) ，6 为p l 至切平面兀的有向距离，而且有 6 = p o 墨。n ( 2 6 ) 利用泰勒公式展开 p 专o p , = q ( s + 厶) 一q ( s ) = i j i 血+ 昙( 盈+ 占) ( 厶) 2 将上式代入( 2 - 6 ) 得： 6 ： - i i - 1 1 - 日厶+ 昙n ( 哇+ s ) ( 厶) 2 式中，d 为叶片型面在昂点的幺切矢， 1 1 日= 0 ；当l 厶i m 一孑= o 时，有 6 i 1n 萄凼26 i n q 出。 结合式( 2 - 4 ) ，可得 2 万 址n q 五丁( 2 - 7 ) 从上式可知，曲面上某点的法曲率k 和曲面离开切平面的距离6 成正比。从而 可见，曲面上某点处法曲率可用来表示曲面在该点处的弯曲程度f 3 2 】。对于叶片型 面某点而言，在某一方向的法曲率越小，表示该方向型面越平坦，反之越弯曲。 ( 4 ) 叶片型面磨削点处的主曲率和主方向 由微分几何相关知识可知 3 1 1 ，在叶片型面任一磨削点( 非脐点) 处，其法曲 率的最大值和最小值称为其型面在这一点的主曲率，而对应于主曲率的方向称为该 点主方向。 1 4 扬州大学硕士学位论文 如图2 6 所示的叶片型面扁点处，其主曲率计算公式可由式( 2 5 ) 确定的法 曲率公式推导而得，具体步骤如下： 令局点处任一切线方向d u ：d v = z ，则式( 2 5 ) 可写成 ( e e 一三) 2 + 2 ( k f m ) + ( e g 一) = 0 ( 2 - 8 ) 将上式对求导，整理得 ( k e - l ) i t + ( k f m ) = o ( 2 - 9 ) 将上式代入式( 2 8 ) ，可得 ( k f - m ) j u + ( k g 一) = o ( 2 - 1 0 ) 式( 2 - 9 ) 和式( 2 1 0 ) 表示了法曲率的极值与其对应方向的关系，即主曲率 与主方向的关系。两式联立，消去可得到主曲率的计算公式 ( e g f 2 ) 霹一( e n - 2 f m + g l ) k , , + ( 肼一m 2 ) = o ( 2 - 1 1 ) 可见，在非脐点处，上式是关于疋的一元二次方程，其判别式为： a = ( e n 一2 f m + g l ) 2 4 ( 粥一f 2 ) ( l n - m 2 ) = l ( e 一6 f ) 一( e m f l ，针4 掣( 删一f l ) 2 o 因而，方程( 2 1 1 ) 必然存在两个不同的实根k l 和恐，即曲面上任一磨削点都有两 个不相等的主曲率，分别为该点的最大和最小法曲率。将所求得的k ( i - l ，2 ) 分别代 入式( 2 - 9 ) ，可确定曲面在磨削点尸。处的两个主方向d u ，：d r ，( i = l ，2 ) 。 为此，若要在叶片磨削过程中能够较好地控制叶片型面磨削精度，需要实时控 制接触轮刀轴矢量与叶片型面磨削点的主方向关系，使接触轮刀轴矢量与确定的磨 削点凡处的最小主曲率方向一致，便可使接触轮与叶片型面有最高的接近程度， 从而最大限度地减少磨肖0 干涉，获得较高的磨削精度和磨削效率。 2 3 叶片型面砂带磨削运动分析 鉴于上述对叶片型面砂带磨削特点以及叶片型面砂带磨削成型理论的研究分 析，若对叶片型面实现磨削加工，必须有叶片回转运动彳、刀具沿叶片轴线方向的 进给运动从刀具沿叶片轴线垂直方向的进给运动历如图2 7 所示。除此之外， 还需有刀具相对于工件在垂直面内绕j ，轴的回转摆动口以及在水平面内绕z 轴的回 转摆动d 以满足刀轴矢量0 ，0 2 与磨削点尸处最小曲率方向( m m 方向) 重 合，从而保证砂带与叶片型面有最好的贴近度、最小的磨削干涉量的要求。也就是 说，叶片砂带磨床至少需要拥有上述两个直线运动从z 和三个回转运动彳、b 、f 五个基本磨削运动控制轴【3 3 - 3 5 】。 姚召华汽轮机叶片数控砂带磨床结构设计与分析 图2 7 叶片砂带磨削控制示意图 但对于一些特殊叶片的磨削加工，若只有上述五个磨削运动控制轴则可能导致 磨削过程中产生如图2 8 b 所示的磨削砂带干涉，在图示中当砂带磨削至叶片某一 特定截面时，叶片回转中心位于其截面外部，由于机床缺少y 轴运动控制，仅依靠 垂直直线轴z 进行磨削进给，则在磨削曲面盆弧段时会产生砂带与叶片的磨削干 涉。若机床再增加一根y 方向的直线运动控制轴时，就可避免这一干涉现象。因 此，所设计的叶片砂带磨床若能实现对任意叶片的磨