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摘要 摘要 叶片是汽轮机的关键零件之一，汽轮机性能的优劣和效率的高低主要 取决于汽轮机叶片型面的设计和加工水平。汽轮机叶片材料多为各种不锈 钢，型面为复杂的自由曲面，因此决定了叶片的难加工性。砂带磨削是一 种古老而又新兴的加工方法，它具有高效、冷态、弹性磨削等特点。随着 数控技术的进步，砂带磨削技术得到了新的发展和运用，砂带磨床可应用 于各个行业各种材料的磨削加工，特别是对难加工材料和复杂型面的加 工。 目前，我国汽轮机叶片型面的最终加工通常是由人工打磨抛光完成， 其劳动负荷大，作业环境恶劣，生产效率低下，精度难以保证。国外已成 功开发并运用数控砂带磨床进行汽轮机叶片的磨削加工，但该类机床售价 十分昂贵，一般国内叶片生产企业难以承受。因此，采用先进的叶片磨削 工艺替代现有的手工抛磨，研发一种制造成本低、磨削效率高、磨削精度 好的经济实用型叶片数控砂带磨床，是我国汽轮机制造业的迫切要求。 本论文根据汽轮机叶片的结构形状、材质特点以及砂带磨削特性，首 先，对汽轮机叶片砂带磨削工艺性进行分析研究。在对叶片磨削运动分析 的基础上，研究制定了机床结构配置方案，建立了叶片砂带磨削的运动学 模型，进行了叶片数控砂带磨床的总体结构设计和专用磨头的设计，并借 助有限元分析软件，对所设计的机床关键零部件进行静力学分析和模态分 析，对所设计的机床结构力学性能进行了验证。 根据机床磨削运动控制功能要求，进行了机床控制系统设计和研究， 完成了机床逻辑控制p l c 程序的开发，完成了机床控制系统的制备和调试。 本论文最终完成汽轮机叶片数控砂带磨床样机研制，并在所研制的样 机上对汽轮机叶片进行实际磨削试验，以实际检验机床样机结构的合理性 和控制系统的功能，验证叶片砂带磨削能力和效率。磨削试验结果表明， 所完成的数控叶片砂带磨床样机基本满足设计要求，达到了预期的目的。 关键词：汽轮机叶片；砂带磨削；工艺分析：运动分析；数控磨床； 有限元分析 a b s t n i c t a bs t r a c t b 1 a d ei ss e e na so n ek e yp a r to fs t e a mt u r b i n e c a p a b i l i t ya 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 nd e s i g na n dm a c h i n i n go fb l a d es u r f a c e b l a d ei s v e r yd i f - f i c u l t yt ob em a n u f a c t u r e db e c a u s ei t sm a t e r i a li ss t a i n l e s ss t e e l ，a n d i t ss u r f a c ei s c o m p l e xf r e e s u r f a c e b e l t g r i n d i n g i sa no l da n dn e w m a n u f a c t u r em e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc n ct e c h n i q u e ，b e l tg r i n d i n g c a nm a n u f a c t u r ea l lk i n d so fm a t e r i a l sa n dc o m p l e xs u r f a c en o w a tp r e s e n t ，s t e a mt u r b i n eb l a d e sa r ea l lg r i n d e db yh a n d c r a f to fs k i l l e d w o r k e r sa tl a s tw o r k i n gp r o c e d u r ei nc h i n a i t so v e r l o a dt ow o r k e r s ，t e r r i b l e i nw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，l o wi np r e c i s i o na n de f n c i e n c y c n cb e l tg r i n d i n g m a c h i n e sh a sb e e nd e v e l o p e da n du s e dt og r i n db l a d e sa b r o a d ，b u tt h e y r et o o e x p e n s i v e t op u r c h a s eb yd o m e s t i ce n t e r p r i s e s t h e r e f 6 r e ，i t sp r e s s e df b r d e v e l o p i n gas o r to fh i g hp r e c i s i o na n de m c i e n c y ，e c o n o m i c a lc n cs t e a m t u r b i n eb l a d eb e l tg r i n d i n gm a c h i n e ， u s i n ga d v a n c e dp r o c e s st o s u b s t i t u t e h a n d w o r kg r i n d i n g f i r s t l y ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fb e l tg r i n d i n go ns t e a mt u r b i n eb l a d e s a r e a n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，a l o n gs h a p ea n dm a t e r i a lo fb l a d e s ，a n ds p e c i a l i t yo f a b r a s i v eb e l tg r i n d i n g 。b a s e do na n a l y z i n go fg r i n d i n gm o v e m e n to nb l a d e s ， t h es t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o no ft h em a c h i n et o o li sd e t e r m i n e d ，t h ek i n e m a t i c m o d e lo fb l a d eb e l tg r i n d i n gi sb u i l t ，t h ew h o l es t r u c t u r eo ft h et 0 0 1a n d g r i n d i n gh e a da r ed e s i g n e d t h ek e yp a r t so fg r i n d i n gm a c h i n ea r ea n a l y z e di n s t a t i c sa n d m o d e s ，b yu s i n g 6 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 ， m e c h a n i c sa b i l i t yo ft h eb e l tg r i n d i n gm a c h i n ei sv e r i n e d m e e t i n gm a n i p u l a t i v ef u n c t i o n so fg r i n d i n gm o t i o no ft h em a c h i n et o o l ， t h ec o n t r o ls y s t e ma n dp l cp r o g r a m sa r ed e s i g n e d ，b u i l ta n dd e b u g g e d i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，t h ec n cs t e a mt u r b i n eb l a d eb e l tg r i n d i n g m a c h i n ei sn n i s h e dd e v e l o p i n ga n dc o m m i s s i o n i n g ，t e s t e dr a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r eo fm a c h i n et 0 0 1a n df u n c t i o n so fc o n t r o ls y s t e m ，v e r i f i e da b i l i t ya n d e f n c i e n c yo fb e l tg r i n d i n g t h e r e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ec n c a b s t l j a c t s t e a mt u r b i n eb l a d eb e l tg r i n d i n gm a c h i n ec a nm e e td e s i g no r d e r s ，c a r r yt h e e x p e c t a n tp o i n t k e yw o r d s ： s t e a mt u r b i n eb l a d e ；b e l tg r i n d i n g ； p r o c e s sa n a l y s i s ； m o t i o n a n a l y s i s ；c n cg r i n d i n gm a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 6 5 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：皱支川 签字日期：似z 年歹月2 罗日 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：敏主叭 签字日期： 加0 年3 月巧日 导师签名： 0 名绣墨 l 签字日期；删矿年；月略日 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 第一章绪论 自改革开放以来，随着我国国民经济的迅速发展，社会对电力的需求 可谓突飞猛进，而电力生产的主要工具是汽轮机，因而汽轮机的相关技术 也就成为电力工业的核心技术之一。汽轮机叶片是汽轮机的关键零件，它 起着将蒸汽的动能转换为机械能的作用，汽轮机性能的优劣和效率的高 低，很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。因此，对汽轮机叶片 制造技术的研究具有重要的战略意义和广阔的产业化前景。 本论文针对汽轮机叶片形状、材质特点以及加工精度要求，应用先进 的数控技术和砂带高效磨削的特点，在对汽轮机叶片砂带磨削工艺和磨削 运动分析研究的基础上，进行了汽轮机叶片数。控砂带磨床的总体结构设 计，对主要机械部件利用有限元分析软件进行了结构受力分析和优化，进 行了机床控制系统设计、安装和调试，最终完成了汽轮机叶片数控砂带磨 床样机的研制，并进行了相关磨削性能试验，对所确定的叶片砂带磨削工 艺、机床结构和控制系统的功能进行了验证和改进。 1 1 汽轮机叶片结构特点分析卜2 1 汽轮机是以高温、高压的水蒸汽作为工作介质的流体机械，其最基本 的做功单元是由喷嘴叶片( 静叶片) 和转子叶片( 动叶片) 组成。通常将 这基本的做功单元称之为汽轮机的级。汽轮机输出功率可以很大，每套转 子是由多级做功单元组成。第一级叶片尺寸最小，后面各级叶片结构尺寸 逐渐增大，有的甚至达到几米，如图l l 所示。 汽轮机工作时，蒸汽通过固定不动的喷嘴以一，定的方向进入汽轮机转 子，叶片强迫汽流改变运动方向，使蒸汽产生对叶片的作用力，推动转子 旋转做功，从而将蒸汽的动能转换成汽轮机旋转的机械能。汽轮机的转速 般很高，可达3 0 0 0 r m in 。因此，对汽轮机机械结构，尤其是叶片的设 计、制造和安装要求非常高。 叶片是汽轮机关键零件之一，工作于高温、高压、易腐蚀的环境，特 别是动叶片还要承受离心力、蒸汽弯曲应力以及复杂的振动应力。因此， 2 扬州大学硕十学位论文 叶片多采用l c r 13 、2 c rl3 、1 c rl lm o v 及lc r l2 w m o v 等不锈钢材料，其强 度高、韧性大、热硬性好，但机械加工困难。 图1 1 汽轮机的动子 叶片的种类较多，根据功能作用和结构形状的不同，可以将叶片分成 如下几种类型： 1 ) 按叶片的功能作用分，可以将叶片分为黟i 叶片和静叶片： 所谓动叶片是安装在汽轮机直。转子二隧攀子一夏旋转，糟纛：二：流毒： 动能转化为转子的机械能f 图卜2 aj 。而静叶片兰三装亍汽车2 机竞体。，处 于静止状态，主要起着改变汽流方向的作用r 图卜2n ) ，动叶片和静叶片 一般都是成对作用的，也就是一级动叶片对应于一级静叶片，动叶片的结 构要比静叶片复杂得多。 2 ) 按叶片型面形状的不同，可以将叶片分为直叶片和扭曲叶片。 所谓直叶片就是叶片叶身的所有截面形状近似，而且其背面( 或腹面) 的曲率半径相同( 图卜2 c ) ，这类叶片可以用成形刀具进行加_ f ：而扭曲 叶片就是整个叶身为空间扭曲型面，截面型线很不规则，只能以离散点的 坐标或者圆弧来表示( 图1 2 d ) ，这类叶片型面的加工比较困难。 就汽轮机的动叶片而言，也有各种不同的结构形式，但就其整体结构 可将之分为叶身、叶顶和叶根三个组成部分，如图1 3 所示。 1 ) 叶身叶身是汽轮机叶片的工作部分。叶身型面是根据空气动力 学方法所设计的复杂自由曲面，从叶身某个截面轮廓可见，叶身型面是由 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 进汽边、出汽边、盆弧和背弧几个部分组成，如图l 一4 所示。若叶片尺 寸较大，在叶身中部还装有加强筋，以提高叶片的刚度，这种叶片更加大 了加工的难度。 a ) 动叶片 峨雾黪 ? 、 奠擘 b ) 静叶片 c ) 直叶片d ) 扭曲叶片 图l 一2叶片的分类 啪晨弋。 图l 一3叶片结构 l 4 扬州人学硕士! 学位论文 2 ) 叶根叶根是叶片与叶轮相连接的部分。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叶轮上，同时力求结构简单，便于制 造和装配。叶根的结构有多种，常见的有直叉型、阶梯叉型、t 型、菌型、 榫齿型、纵树型等，如图l 一5 所示。 图1 4 叶片型面结构 影哲受嘲曩 a ) t 形 bj 榫齿形e ) 赢叉形d ) 阶梯叉形 e ) 纵树形 图1 5叶根的类型 3 ) 叶顶叶顶是叶身以上的叶片结构，又叫叶冠。叶项也有不同的 结构，有的叶片在叶顶部分装有围带，以增强叶片刚度，调整叶片的自震 频率，此外还有防止漏汽的作用。 从汽轮机叶片结构特点可见，叶片是汽轮机组中最难加工的零件之 一，其加工工作量占到整机加工工作量的2 5 4o 。由于汽轮机叶片类型较 多，结构复杂，本课题主要侧重于汽轮机静叶片型面的磨削加工方法的研 究。 1 2汽轮机叶片加工工艺研究现状3 。1 一般而言，叶片型面加工工艺取决于毛坯的选用。目前，叶片毛坯通 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 常有如下几种形式。 1 ) 精铸毛坯精铸叶片毛坯余量小，加工成本低。但精铸叶片不可 避免地存在着铸造气孔和铸造杂质，从而影响叶片性能质量和使用寿命。 2 ) 精锻或模锻毛坯这种叶片毛坯具有较好的力学性能，毛坯余量 小，加工成本低。但需要有锻模的支持，模具的制造成本使叶片的制造成 本也随之提高。 3 ) 方钢对于体积较小的叶片，可以直接采用方钢作为叶片的毛坯 进行机械加工，毛坯制作成本低，但材料消耗大，加工成本高。 可见，不同的毛坯形式各有其优点和不足，需要根据叶片制造企业的 条件和需要进行选择。 目前，叶片型面加工通常采用“粗铣一糈铣一手工抛磨”传统加工工 艺，对于一些应急的订单，直接采用方钢组织大量人工靠手工打磨完成叶 片的型面加工，加工工艺原始，生产效率低下，操作者劳动负荷大，作业 环境恶劣，精度难以保证。因而，研究开发高精高效汽轮机叶片的加工设 备，改进现有汽轮机叶片制造工艺水平，是我国汽轮机制造业发展的迫切 需要。 自上世纪八十年代，国外一些公司就开始将多轴联动数控加工中心用 于汽轮机叶片的加工，这无论使叶片的加工效率还是加工质量都得到大大 的提高。在国内，从上世纪九十年代不少的机床公司开始自主研发多轴联 动加工机床，并不断推出了拥有自主知识产权的五轴联动机床产品。2 0 0 3 年北京机电研究院高技术股份有限公司成功研制了五轴联动汽轮机叶片 加工中心，并在东方汽轮机厂投入实际使用，这标志我国叶轮机叶片工艺 进入了一个新的发展阶段。 目前，我国叶片的最终加工往往还是通过手工抛磨实现。如图1 6 所 示，借助于简单的砂轮或砂带，通过人手控制，完成叶片型面的最终加工 成形。这种传统的手工抛磨工艺，完全依赖于操作者的经验，工作效率较 低，精度难以保证。 为了对叶片进行手工抛磨的方便性和安全性，重庆大学开发了手工砂 带磨床，如图1 7 所示。然而，这种手工砂带磨床还不能改变现有的叶片 加工工艺，仍然存在工作效率较低，精度难以保证的不足。 6 扬州人学硕士学位沦文 西方工业国家在叶片磨削数控化方面起步较旱，如前苏联在上世纪7 0 年代末、8 0 年代初就将数控砂带磨床用于叶片的型面和叶根的加工；德国 m e t a b o 公司在l9 9 4 年成功研制了六轴c n c 数控砂带叶片磨床产品 ( m t s 6 0 0 c n c 6 ) ，它在x 、y 、z 和a 、b 、c 六轴基础上还增加了一 个压力轴，用以进行恒力磨削，如图l 一8 所示。 图l 一6 手工打磨叶片 图1 7 重庆入学开发的手 _ 砂带磨床 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 7 图卜8德国m e t a b o 六轴数控砂带磨床 在国内，关于汽轮机叶片数控磨削工艺及其装备的研究起步并不晚。 上世纪9 0 年代初，国内的一些高校，如华中理工大学、重庆大学、四川 大学、西北工大、哈工大等，便开始对叶片数控磨削工艺进行了研究，如 华中理工大学承担了国家“七五”攻关项目“复杂型面的砂带磨削工艺试 验研究”等。有的高校还进行了相关叶片磨削设备的研究，如华中理工大 学利用x k 5 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。但 由于种种原因，上述的研究工作一直没有新的进展，至今尚末见国产的叶 片数控磨床面市。 由于国外进口的数控叶片磨床价格相当昂贵，国内机床市场又无法提 供数控叶片磨床产品。目前我国叶片制造业对于叶片型面的加工仍然停留 在借助于砂轮或砂带进行手工打磨的落后工艺上。 为了改变我国当前汽轮机叶片型面加工工艺的现状，提高叶片制造工 艺水平，本课题在2 0 0 7 江苏省科技厅高技术研究项目的资助下，致力于 “五轴四联动汽轮机叶片数控砂带磨床”的开发研究。 1 3 本课题研究目的意义及主要研究内容 1 。3 1 课题研究的目的和意义 经对国内部分汽轮机叶片生产企业走访调研了解到，叶片生产企业迫 切需求一批经济实用型的汽轮机叶片数控砂带磨床，这些磨床在保证叶片 磨削精度的前提下，要有较高的加工效率，低廉的制造成本。 扬州大学硕士学位论文 因此，本课题针对汽轮机叶片特点及加工要求，将进行叶片砂带磨削 工艺的分析和研究；进行叶片数控砂带磨床运动学分析，建立叶片砂带磨 削运动学模型；进行叶片数控砂带磨床机械结构的分析，确定机床结构配 置形式，完成机床机械结构设计；进行机床控制系统的开发等。 通过对一系列叶片数控砂带磨床关键技术的研究，最终研制完成一种 制造成本低、磨削效率高、磨削精度好的汽轮机叶片数控砂带磨床，以填 补国内汽轮机叶片数控磨床的空白，提高我国叶片制造业的技术水平。 1 3 2 课题研究的主要内容 本课题具体的研究包括如下几个方面： 1 、汽轮机叶片磨削工艺分析与研究 根据汽轮机叶片的结构形状、材质特点以及砂带磨削特性，对汽轮机 叶片砂带磨削工艺性进行分析研究，参考相关资料及有关经验数据，选择 合适的砂带磨削方式，初步选定磨削工艺参数。 2 、汽轮机叶片磨肖u 运动分析及叶片砂带磨床的机械结构设计 汽轮机叶片型面是一个复杂的自由蓝面，首先需要确定叶片砂带磨削 的基本运动，进行磨削运动学分析，建立机床运动模型。根据所确定的磨 削运动，进行机床结构配置分析，确定机床配置形式，完成机床结构设计。 3 、对叶片数控砂带磨床关键机械结构部件进行力学特性分析 为保证叶片数控砂带磨床设计一次成功，保证所设计的机床稳定可靠 地运行，满足叶片磨削时的强度、刚度和运动协调性要求，借助于有限元 分析软件，对所设计的机床关键结构部件进行静力学分析和模态分析等， 以验证所设计的机床结构是否满足力学性能要求，并根据分析结果进行相 关的结构改进。 4 、汽轮机叶片数控砂带磨床控制系统的开发 叶片数控砂带磨床是一个多轴联动的数控机床，在选用满足要求的数 控系统基础上，根据机床控制功能要求，开发控制系统p l c 程序，进行机 床电气控制系统的设计，满足叶片磨削自动控制的要求。 5 、机床样机的切削性能试验与分析 在安装调试汽轮机叶片数控砂带磨床样机的基础上，对叶片进行实际 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 9 的磨削试验，以检验机床机械结构的性能，检验机床控制系统的功能，以 及检验叶片砂带的磨削能力和磨削效率。对叶片磨削试验结果进行分析， 对所研制的机床样机提出改进意见，包括叶片砂带磨削工艺及其参数、机 床机械结构以及控制系统的功能等。 1 4本章小结 本章介绍了汽轮机叶片的特点及国内外叶片加工技术研究现状，提出 了本课题的研究背景，分析了本课题研究目的和意义，明确了本课题研究 的主要内容和任务。 1 0 扬州大学硕士学位论文 第二章汽轮机叶片砂带磨削工艺性研究 砂带磨削是一种古老而又新兴的高效磨削工艺，由于其独特的磨削 加工性能，近二一三十年来在国内外己被得到广泛应用，特别是在难加工 材料以及复杂型面的加工方面，其优势尤为明显阳3 。为了进行叶片数控砂 带磨床设计需要，本章在对砂带磨削特点分析的基础上，首先对叶片砂带 磨削工艺进行了的研究。 2 1 砂带磨削特点及其应用阳叫卯 2 1 1 砂带磨削特点 砂带是一种将磨料粘结在带状柔性基体上的涂附磨具，而砂带磨削 则是一种高效、经济、应用广泛的磨削工艺，有“万能磨削”之称。与砂 轮磨削相比，砂带磨削具有如下的特点： 1 ) 磨削效率高由于砂带磨削在工件磨削区同时投入磨削的磨粒多 且锋利，故砂带磨削的材料磨除率远远高于砂轮，它是砂轮磨削效率的 5 1o 倍，能与车、铣切削效率相当。 2 ) 磨削烧伤小由于砂带采用静电植砂，故磨粒之间存在空隙且磨 粒与空气接触时间较长，易于磨削热的扩散，所以磨削温度较低，这对工 件表面磨削烧伤现象大大降少。因而，砂带磨削又被称之为冷态磨削。 3 ) 磨削质量好由于砂带具有柔软性且磨削速度稳定，易实现高速 稳定性加工。实践表明，砂带磨削的加工精度达到、表面质量优于砂轮磨 削的水平，故砂带磨削又被称之为弹性磨削。 4 ) 磨削适应性强砂带磨削钝化了就进行更换，其磨削过程中不象 砂轮磨削需要修整，所以砂带磨床结构简单、适应性强、操作辅助时间少。 又由于砂带柔曲性好，适用于各种材料、各种不同形状零件以及异形复杂 曲面的磨削加工。 5 ) 磨削加工成本低砂带磨削设备以及砂带自身的制造成本均较低， 致使砂带磨削加工成本也较低。 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 l l 2 1 2砂带磨削应用 在过去的二、三年内，随着国民经济的快速发展，人们对制造业产 品的加工质量、生产效率以及劳动环境提出了越来越高的要求。由于砂带 磨削具有自身卓越的特点，导致砂带磨削得到越来越广泛的应用，它不仅 用于粗磨、精磨、抛光等常规的磨削加工，还被用于去毛刺、无心磨、成 形磨等等一些特殊的磨削加工工艺。 在现代工业化生产中，砂带磨削技术已被当作与砂轮磨削具有同等重 要的一种不可缺少的加工工艺方法。随着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，而随着数控技术的迅猛发展与应用，又使这种多刀多刃连续切削 的砂带磨削技术如虎添翼，目前砂带磨床的应用范围不仅遍及各行各业， 而且可以对几乎所有材料进行磨削加工，包括难加工材料和复杂型面的加 工，从而使砂带磨削进入了一个新的发展阶段。 在工业发达国家，砂带磨削的应用已十分普遍，各种高精度、高效率 和高自动化程度的砂带磨床被广泛应用于航天、航空、舰船、汽车、冶金、 化工及能源设备等行业，并成为国际上名牌机床公司竞争的一个领域。目 前，一些工业发达国家的砂带磨床拥有量己逐步接近砂轮磨床数量，如美 国、日本、德国、俄罗斯等国家早已采用先进的数控砂带磨削技术进行磨 削加工，大大地提高了磨削加工质量和效率。 目前，国内外都非常重视砂带磨削的基础理论研究和应用研究，并出 现了一些新的发展方向，如电解复合砂带磨削、机器人砂带磨削、超声砂 带磨削以及电镀金刚石金属带砂带磨削等，使砂带磨削技术继续不断地向 新的方向发展，充分显示了砂带磨削在未来制造业中的强大生命力。 2 2汽轮机叶片砂带磨削工艺分析与设计 叶片是汽轮机上数量最多的零件，一台汽轮机叶片的数量可达3 0 0 0 片左右，其制造工作量占整台汽轮机制造工作量的2 5 4 0 。由于叶片型 面多是复杂的空间自由曲面，所以叶片一直是汽轮机中最难加工的零件之 一，叶片型面的加工质量直接影响汽轮机整机的工作性能。 叶片的传统加工多用铣削加手工抛磨来完成，其中有近4 0 加工工作 扬州大学硕士学位论文 量是由熟练操作工在抛光机上用手工完成。在叶片手工抛磨过程中每抛磨 一次都要经过一次样板透光检查，对工人的技术要求较高，劳动强度较大。 因此，改进叶片加工工艺，运用数控加工原理，研制叶片数控砂带磨 床，实现叶片型面磨削自动化，以提高叶片加工精度及加工效率，降低叶 片生产成本，已成为叶片加工装备制造业的努力方向。 要实现对叶片进行数控砂带磨削，首先必须对叶片砂带磨削工艺进行 分析，包括磨削方式、砂带与工件的接触形式、磨削工艺参数、砂带及磨 料的选用等。 2 2 1 砂带磨削方式的选择阳叫 如图2 1 所示，砂带磨削通常有开式砂带磨削和闭式砂带磨削两种 不同磨削方法。 1 ) 开式磨削( 图2 一la )将砂带两端分别缠绕在两个驱动轮上，两 驱动轮交替驱动砂带作双向往复缓慢的磨削运动。砂带通过接触轮并以一 定压力与工件被加工面接触，工件作高速回转运动，磨头或工作台作纵向 及横向进给，从而实现对工件的磨削。 由于砂带在磨削过程中作连续缓慢的移动，切削区域不断出现新砂 粒，所以磨削质量高且稳定，磨削一致性好，但磨削效率不如闭式砂带磨 削，多用于精密或超精密磨削加工。 2 ) 闭式磨削( 图2 一l b )采用有接头或无接头的环形砂带，通过张 紧轮张紧，由主动轮高速旋转带动砂带作单向的磨削运动，同时工件回转， 磨头或工作台作纵向及横向进给运动，从而实现对工件的磨削。 闭式砂带磨削效率较高，但是噪声大、易发热，可用于粗加工、半精 加工和精加工，其磨削精度不如开式磨削。 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 1 3 常蛇 z 件 蟹蛇 接触坨 a ) 开武砂带磨削 b ) 湖式砂带鸯削 图2 1砂带磨削方式示意图 考虑叶片的结构形状，在磨削过程中无法作高速旋转运动，只有靠高 速的砂带运动来实现叶片的磨削。所以，本文采用闭式砂带磨削方式来对 叶片进行加工。 2 2 2 砂带与工件接触方式的确定凹。1 按砂带与工件接触方式来分，砂带磨削也可分为接触轮式、压磨板 ( 轮) 式和自由式几种类型。 1 ) 接触轮式砂带磨削如图2 2 所示，磨削过程中通过一接触轮使 工件与砂带接触，产生磨削压力。这种方式结构简单，应用较广，适用于 平面、外圆、圆孔以及成形面的加工。 图2 2 接触轮式砂带磨削 2 ) 压磨板( 轮) 式砂带磨削如图2 3 所示，磨削过程是通过支承 板( 轮) 来对工件起着加压作用。这种磨削接触方式一般多用于平面、内 孔或外圆加工。 1 4 扬州大学硕士学位论文 图2 3压磨板( 轮) 式砂带磨削 3 ) 自由式砂带磨削如图2 4 所示，这种方式不用接触轮或压磨板 ( 轮) ，工件直接与柔性的砂带接触，多用于各种内外成形表面的磨削加 工。 图2 4自由式砂带磨削 由于被加工叶片型面是扭曲的空间自由曲面，磨削时须通过一定大小 的接触轮将砂带压向叶片表面，形成磨削压力，以完成叶片型面的磨削。 因此，本文选择了接触轮式砂带磨削方式来对叶片进行磨削。 为了不产生磨削干涉，接触轮半径的选择应小于或等于叶片型面的最 小曲率半径。但接触轮半径也不能太小，否则会降低砂带的使用寿命。 2 2 。3 叶片砂带磨削走刀方式分析n 如图2 5 所示，叶片砂带磨削可采用纵向行距法和横向行距法两种 不同的走刀方法。 1 ) 纵向行距法这种走刀方式是使砂带沿着叶片轴线方向走刀，近 似于直线加工，磨削效率较高，但型面加工质量较差，一般用于直叶片或 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 1 5 扭曲叶片的粗加工。 2 ) 横向行距法该走刀方式是砂带沿垂直于叶片轴线的横向截面型 线走刀，砂带每沿叶片截面型线磨削一周，沿轴线方向移动一个行距再磨 削下一条横向截面线。这种磨削走刀方式效率相对较低，但可得到较好的 表面粗糙度，常用于叶片的半精磨或精磨。 a ) 纵向行距法b ) 横向行距法 图2 5叶片加工的两种刀具走刀方式 2 2 4 砂带磨削工艺参数分析n p 2 列 砂带磨削用量选择合理与否，直接影响到工件的磨削精度和磨削效 率。因而，须根据被磨削工件的材质和结构形状要求，选择合理的磨削工 艺参数，以达到理想的磨削效果。此外，汽轮机叶片砂带磨削的工艺参数 确定也为砂带磨床的机械结构设计提供设计依据。 1 ) 砂带线速度砂带磨削的线速度越高，其磨削效率越高。在选择 磨削砂带线速度时，应尽可能选择较高的砂带线速度。但需综合考虑被磨 削工件材料、磨削工艺要求以及砂带所能承受的负荷等因素。磨削韧性材 料或难加工材料时，砂带线速度应比磨削普通材料的线速度要小一些。粗 磨时磨削负荷较大，砂带的线速度要低一些；而精磨时，可选择较高的线 速度。通常，粗磨时砂带线速度一般为1 2 2 0 m s ；而精磨时为2 5 3 0 m s 1 引。 2 ) 工件速度工件速度的增加可提高磨削量、减少表面烧伤，但会 增大工件表面粗糙度，降低砂带的寿命。一般粗磨时工件速度在2 1 6 扬州大学硕士学位论文 6 m m in 范围内，而精磨时可选择小一点”1 。 3 ) 磨削深度磨削深度增大会提高砂带磨削的效率，但会降低磨削 精度和砂带寿命。通常，粗磨时磨削深度一般控制在0 0 5 o 1o m m 范围 内；精磨时为0 0 1 0 0 5 m m 玑3 。 4 ) 接触压力接触压力直接影响磨削效率和砂带寿命，可根据工件 材料、所用砂带、磨削余量和表面粗糙度要求来选择合适的接触压力，一 般取5 0 3 0 0 n 。 根据汽轮机叶片结构形状以及自身材质等特点，确定如下的叶片砂带 磨削工艺参数供叶片砂带磨床设计时参考： 砂带线速度1 5 3 0 m s ； 工件速度0 6 m m i n ； 磨削深度o 0 2 0 m m ； 最大磨削接触压力 4 0 0 n 。 2 2 5 砂带及其磨料的选用叫4 1 1 ) 砂带基体砂带的基体材料有布基、纸基、聚氨酯胶带等不同种 类。布基砂带强度较高，可以用于高效大面积磨削。因而，本文选择布基 砂带用于叶片的磨削。 2 ) 砂带粘结剂砂带的粘结剂有树脂、皮胶等。树脂粘结剂砂带耐 水，粘结强度高，一般用于复杂型面的难加工材料磨削；而皮胶粘结剂 砂带一般用于木材、有色金属、塑料以及电木等制品的磨削。 3 ) 砂带磨料与粒度同砂轮一样，砂带也可采用不同的磨料、粒度， 砂带的磨料类型有氧化铝、刚玉、c b n 、碳化硅、金刚石等，不锈钢材料 的磨削一般选用单晶刚玉或微晶刚玉磨料的砂带；一般粗磨选用为8 0 4 0 粒度的砂带，而精磨则选用12 0 8 0 粒度的砂带。 4 ) 砂带的张力砂带磨削时，其张力越大，砂粒固定的刚性越好， 砂带磨削效率就越高，砂带使用寿命越长。所以，在砂带强度允许的条件 下，砂带张得越紧越好，以提高砂带的磨削性能。 5 ) 砂带尺寸砂带宽度直接影响磨削的效率，其宽度愈大，则磨削 效率愈高。但汽轮机叶片一般为扭曲叶片，砂带愈宽磨削干涉的可能性将 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 1 7 会愈大，从而影响磨削精度。为此，本文根据待加工叶片形状和大小的不 同，将砂带宽度限制在10 4 0 m m 范围之间。砂带的长度在机床空间所允 许的范围内愈长愈好，以减少砂带频繁更换时间。 总而言之，砂带的类型及其参数应根据被磨削对象并考虑经济性要求 进行选择。由于本课题研究所涉及的加工对象是汽轮机叶片，且叶片多为 1 c r l3 、2 c r l3 、2 4 c r m o v 等不锈钢材料，因而所选用的砂带为树脂粘接剂 的布基砂带，砂带的磨料可为白刚玉或碳化硅，砂带的粒度视磨削工艺而 定，对于粗磨，砂带粒度通常为8 0 5 0 ，精磨为1 2 0 8 0 。 2 3 本章小结 本章介绍了砂带磨削特点及其应用现状，根据汽轮机叶片形状、材质 特点和磨削的工艺要求，研究确定了叶片砂带磨削方式，分析了叶片砂带 磨削工艺参数，选择了砂带类型、尺寸参数及其磨料，为数控砂带磨床机 械结构设计提供了设计依据。 扬州大学硕士学位论文 第三章汽轮机叶片砂带磨床结构设计 机床的功能就是通过机床构件在工件和刀具之间作一系列的运动并 合成，以加工出所需形状和精度要求的工件，所以，机械加工运动的分解 与合成是机床设计的基本步骤。本章将在对叶片砂带磨削运动分析的基础 上，进行汽轮机叶片数控砂带磨床的机械结构设计，并对磨头这关键部 件进行力学性能有限元分析和振动模态分析。 3 1 汽轮机叶片数控砂带磨床运动学分析 3 1 1 叶片砂带磨削运动的确定 本课题所设计的砂带磨床是以汽轮机扭曲叶片型面为加工对象，通过 砂带对叶片的包络扫描完成叶片型面的加工。而砂带是通过柱形接触轮对 其施加一定作用力，以实现砂带对工件的磨削加工。因而，叶片的砂带磨 削实际上可视为一把圆柱状刀具对叶片曲面进行扫描切削成形的过程。 蓝面加工一般需要x ：y 、z 、a 、b 、c 六根控制轴，本课题通过对叶 片形状特点的分析，确定叶片的砂带磨削所需要的磨削运动为：刀具沿 叶片径向的进给运动；沿叶片轴线方向的进绐运动；叶片绕自身轴线 的旋转运动；刀具随磨削点法线方向变化的转动。因此，可以确定本机 床不需要沿坐标y 方向的运动。 磨削刀具随磨削点法线方向变化的转动可保证刀具在曲面磨削点法 线方向进行磨削，能有效地改善刀具磨削干涉，提高磨削精度。叶片型面 各磨削点法线为一条条空间直线，刀具要随其转动，除了叶片自身的旋转 运动之外，还需要有刀具在水平面内绕y 轴的回转摆动( b 轴) 以及刀具 在垂直平面内绕x 轴的回转摆动( a 轴) 。考虑到汽轮机叶片一般扭曲度较 小，因而可省略刀具在垂直平面内绕x 轴的回转摆动，通过控制砂带的宽 度和优化磨削参数，仍可保证叶片型面的磨削精度要求。因此，本文所研 制的汽轮机叶片数控砂带磨床可通过刀具沿叶片径向进给运动( x 轴) 、沿 叶片轴线进给运动( z 轴) 、叶片旋转运动( c 轴) 、刀具在水平面内的摆 动( b 轴) 以及砂带磨头的驱动，五轴四联动来实现对叶片的加工，如图 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 1 9 3 1 所示。 图3 1叶片五轴四联动磨削示意图 3 1 2叶片砂带磨床的结构配置 机床结构的配置直接影响机床的刚度和加工精度，而机床结构配置又 是由机床运动控制轴数量和特点所决定的。根据所确定的机床控制轴以及 运动关系要求，可得到机床所有可能的结构配置方案。 对于所研制的叶片砂带磨床而言，要求有x 、z 、b 、c 等四个轴运动 部件和床身( 0 ) ，机床的这五个组成部分相互间的不同组合，可构成51 = 12 0 种不同的机床结构配置形式比4 1 。然而，实际的叶片磨床受到如下的结构限 制和约束： ( 1 ) 若从工件叶片到磨削刀具来对机床部件进行排列，回转运动轴 c 应为第一个运动部件； ( 2 ) 两个移动运动轴x 、z 之一必须与机床床身0 相联； ( 3 ) 回转运动轴不应夹于两移动控制轴x 、z 以及床身o 之间。 鉴于上述约束，叶片砂带磨床仅可取如表3 一l 所示的1 2 种结构配置 形式： 表3 11 2 种可能的机床结构配置 c o z x bc z o x bc z x o bc o x z bc x z o bc x o z b c b o z xc b z o xc b z x 0c b o x zc b x z oc b x o z 其中以c o z x b 、c z o x b 、c z x o b 三种结构配置形式最为典型，其结构示 意图如图3 2 所示。根据现有条件，我们选用c o z x b 结构配置方案作为 本课题所研制的叶片数控砂带磨床的结构配置。 2 0 扬州大学硕士学位论文 c o z x bc z o x bc z x o b 图3 2 三种典型的运动配置结构方案示意图 3 1 3 叶片砂带磨削运动模型的建立汹3 由于机床运动可以看成由工件到刀具的若干运动的合成，该运动合成 可用代码k 表示。所以，可以用式( 3 一1 ) 表示机床各运动合成的关系： k = k o k - l 峨 ( 3 1 ) 该运动关系模型也可用图3 3 表示。 一一秸。js 叫j 五：j 二醛： ? t：i f 咚磕一 汽轮机叶片数控砂带磨床的磨削加工过程也可用如图3 4 所示的一 条开环运动控铂链表示。这条运动控制链包含有c 轴回转运动、z 轴和x 轴直线运动以及b 轴回转运动4 个运动节点组成，每个运动节点连接着机 床两个组成部件。提供这条运动控制链，可建立叶片砂带磨削的运动学模 型。 钱文明汽轮机叶片数控砂带磨床关键技术研究 2 1 萨叵牟薛区芦殴 图3 4 叶片砂带磨床的运动传输链 若将机床任意两相邻部件间运动用运动转换矩阵砑表示，其上标尸为 坐标轴( c 、z 、x 、b ) ，下标p 为移动距离或转角，设n 为刀位矢量，则 对于所选定的c o z x b 配置形式的叶片磨床运动学方程可表示为： _ r 、= r 。1 ：t ；t ：s t ：1 ：t ；q 一砼 其中，= o ，o ，o ，1 1 ，y ，分别为c 轴和b 轴转角；墨z 分别为x 轴和z 轴位移；s 为砂带刀位点到b 轴回转中心的距离：各个转换矩阵为乜引： t j = t ；= c o s ， 一s l n y 0 o s my c o s o o 0o - o0 l0 o l c o s 0 一s i l l 0 olo0 s i n o c o s o 0o0l t j = t j = 10 o1 oo o0 10 o1 oo j0 0o 0o 10 z 1 o o o 0 1 0 o1 t ：= 嘭= 1o o1 0 o xo o o o o 1o o1 1oo 0 0lo 0 o0 10 一j0 o1 将上述各转换矩阵代入( 3 2 ) 式，得： = ( s c o s + x s ) c o s ， 一( j c o s 卢+ x s ) s i n ， j s i n + z ， 1 】 ( 3 3 ) 若工件上某加工点的坐标矢量为= 【，研，聆，1 】，则： f ，= ( s c o s + z s ) c o s ， ( 3 4 ) 聊= ( s c o s + x s ) s i i l r l，2 ：z j s i n 由式( 3 4 ) 以及工件加工点坐标和该法线矢量，可最终得到砂带磨 削运动学模型： x ：厢+ j 一州o s z = 行+ s s i n 所 ( 3 5 ) y2 甜t g = 工件加工点法线y 向旋转角 2 2 扬州大学硕士：学位论文 3 2 砂带磨床总体结构设计心7 3 通过调研了解到，叶片生产企业对所研制的叶片砂带磨床有如下的要 求：叶片的磨削精度满足叶片的设计要求；机床磨削效率高于2 3 人的手工打磨效率；设备成本尽可能低，每台售价在3 0 万元以下。 本着这样的目的和方向，决定叶片砂带磨床的总体结构采用车床结构 形式，如图3 5 所示：在机床的小拖板上安装有一个机动回转工作台， 该回转工作台由伺服电机驱动，完成b 轴的回转摆动，以保证磨头在磨削 时沿叶片型面法线方向摆动；在回转工作台上固定一只专用砂带磨头，磨 头上装有一只普通三相交流异步电机经变频调速驱动砂带作高速回转运 动；机床的大拖板和小拖板各由一只交流伺服电机经滚珠丝杠驱动，分别 完成z 轴方向和x 轴方向的平移运动，以实现磨头沿叶片轴向和径向的进 给运动；机床主轴由伺服电机驱动，通过同步带轮和专用夹具与叶片相连， 完成叶片绕自身轴线的旋转运动。由此，构成一台经济实用的叶片