（机械设计及理论专业论文）汽轮机叶片锻造工艺余量自动加放技术的研究.pdf

摘要 摘要 汽轮机叶片是汽轮机的核心零部件，起能量转换的关键作用。叶片的型面复杂，是生产 中最难成形的零件之一。生产上常用模锻来加工制造叶片。锻件的余量加放技术是锻造加工 的关键技术，叶片锻件的余量加放技术与其它零件有着很大的差异。传统叶片的余量设计是 根据生产经验来定的，这样的做法既缺乏理论根据，而且设计的余量太大，造成了材料的浪 费。针对这种情况，本文从锻造工艺出发，分析金属塑性成形流动的宏观规律和叶片材料在 锻造过程中的应力变化，结合影响余量大小的因素，探讨更加合理的余量加放的方法和余量 的大小。 针对目前在生产实践中，工程设计人员需要花费大量的时间束设计一套叶片锻造模具， 生产效率极其低下，严重影响了产品的市场竞争力。本文在u g n x 4 0 软件平台下，根据参数 化思想，通过归纳各种不同的叶片型线修整的方法，应用g r i p 语言，开发编制了参数化的 型线修整的交互程序、参数化的锻模自动生成程序和叶片测具样板的自动生成程序。大大提 高了设计效率，减少了数据的中自j 转换环节，保证了设计数掘的一致性和准确性，也使设计 人员能够将更多的时间投入到创造性的工作中去，提高产品的市场竞争力。 本文还应用d e f o r m - - 3 d 软件进行叶片锻造成形的数值模拟，研究了不同截面形状毛 坯的成形特点，选择最佳截面形状的毛坯用于实践；并比较不同余量加放规律设计的叶片的 成形过程，得出最佳的余量设计方法。 关键词：汽轮机叶片；模锻；余量；u g o p e ng r i p ；c a d ：有限元分析；数值模拟 a b s t t a c t a b s t r a c t t l 曲i n eb l a d ei sak e yp a r ti nt u r b i n e ，w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne n e r g yt r a n s f o r m a t i o n 1 1 l es u r f a c eo fb l a d ei sc o m p l e x a n di so n eo ft h em o s td i f f i c u l tm a c h i n i n gp a r t s b l a d ei sa l w a y s m a n u f a c t u r e db yd i e - f o r g i n gi nt h ef a c t o r y t h et e c h n i q u eo f d e s i g n i n gt h ea l l o w a n c ef o rm a c h i n i n g o f b l a d ef o r g i n g si st h ek e yi nf o r g ew o r k s ot h e r ea l em a n yd i f f e r e n c e sb e t w e e nt u r b i n eb l a d ea n d o t h e rp a r t si nt h i st e c h n i q u e t r a d i t i o n a lm e t h o do fd e s i g n i n gt h ea l l o w a n c ef o rm a c h i n i n go fb l a d e i sd e c i d e db ye x p e r i e n c e ，a n dt h i sm e t h o dl a c k st h er e l a t e db a s i ct h e o r y , a n dt h ea l l o w a n c ef o r m a c h i n i n gd e s i g n e dt h r o u g ht h i sm e t h o di ss ob i gt h a ti tw i l lw a s t em a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h i s , t h i s a r t i c l ea n a l y z e dt h em a c r o s c o p i c a lr u l eo fp l a s t i cm e t a lf l o w i n ga n dt h es c o p eo fs t r e s sc h a n g i n g d u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so fm a t e r i a l s t r a n s f o r m a t i o n ，a n dp u tf o r w a r dt h eb e t t e rw a y t od e s i g nt h e a l l o w a n c ef o rm a c h i n i n ga n dm o r er e a s o n a b l ev a l u e so f a l l o w a n c ef o rm a c h i n i n g ，w i t hs o m ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c i n ga l l o w a n c ef o rm a c h i n i n g b e c a u s ee n g i n e e r sm u s ts p e n dal o to f t i m ei nd e s i g n i n gas e to ff o r g i n gd i e so f t u r b i n eb l a d e s ， t h i sw i l ll e a dt ol o wy i e l d w i t ht h e p l a t f o r m o ft h es o f t w a r eo fu g n x 4 0a n dt h e p a r a m e t e r - e n t e r i n gi d e aa n ds t u d y i n gt h ed i f f e r e n tm e t h o d so f t r i m m i n gt h es e c t i o nc o n t o u ro f b l a d e b o d y ，t h i sa r t i c l eu s e dt h eu g o p e ng r i pl a n g u a g et ow r i t et h ep r o g r a m so fp a r a m e t e r - e n t e r i n g t r i m m i n ga n dc r e a t e dt h em u t u a li n t e r f a c e t h ep r o g r a m so fa u t o m a t i c a l l yb u i l d i n gt h ef o r g i n gd i e s o fb l a d ea n dt h ep r o g r a m so fa u t o m a t i c a l l yb u i l d i n gt h ep r o f i l eg a u g eo fb l a d e a l lt h e s ep r o g r a m s h a v eb e e np r o v e dt oi m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y , l e a v eo u tt h ec o n v e r s i o nt a c h e so fd a t a , a n d e n s u r et h ev e r a c i t ya n dc o n s i s t e n c yo fd e s i g n i n gd a t a t h u si tm a d ed e s i g n e r sd e v o t em o r et i m et o c r e a t i n gn e wp r o d u c t s ，a n dm a d et h ep r o d u c t sm o r ec o m p e t i t i v ei nt h em a r k e t u s i n gt h ef e ma n a l y z i n gs o f t w a r eo fd e f o r m - 3 d ，t h ep r o c e s so ff o r g i n gb l a d ec o u l db e s i m u l a t e d t h e nd i f f e r e n ts h a p e so fs e c t i o n so ft u r b i n eb l a d e ss t o c k sc o u l db er e s e a r c h e d ，a n dt h e b e s ts h a p eo fs e c t i o n so fb l a d e ss t o c k sc o u l db ec h o s e n f i n a l l y , t h i sa r t i c l eg o tt h eb e s tw a yt o d e s i g nt h ea l l o w a n c ef o rm a c h i n i n go fb l a d e ss t o c kt h r o u g hc o m p a r i n gt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n g f o r g i n gb l a d ec r e a t e db yd i f f e r e n tm e t h o d so fd e s i g n i n gt h ea l l o w a n c ef o rm a c h i n i n go fb l a d e s s t o c k k e yw o r d s ：t u r b i n eb l a d e ；d i ef o r g i n g ；a l l o w a n c ef o rm a c h i n i n g ；u g o p e ng r i p ；c a d ；f e m ； n u m e d c a ls i m u l a t i o n l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：薹起日期：川年；月9e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，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，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：丛 导师签名：垃望 日期：州夕年3 月7 日 一一一 一 一墨二! 垫笙 1 1 引言 第一章绪论 叶片是l ：业汽轮机、航空发动机、燃汽轮机和压缩机的重要零什。在上述动力机械的能姑转换过程中 起关键作用。是汽轮机、航空发动机的0 脏”l l i 。叶片义是汽轮机中馒h j 数鼙最多的一类零什一台汽轮 机有数千件叶片。据统计g l 。片制造的j ：时约l j i 汽轮机整机的i 3 ，j ：装精“i 舡机的1 ，2 左以成本约。i 整机的2 0 2 5 州。片种类多，批颦小，导致叶片锻造：艺与模具设计任务繁重。根据我国n l 片生产厂的统计，设计一 套叶片锻造模具需花费一周左右的时间。全球市场的形成与激烈的行业竞争推动了制造技术的发展能否 快速设计产品成了企业竞争力强弱的决定性因素。因此，研究叶片锻造的c a d 与c a e 系统，无疑对提高 工厂叶片锻造工艺与模具设计能力，增强企业的竞争力具有重要的现实意义：对丁锻造行业其它类喇锻件 的c a d 与c a e 的开发也不乏参考价值。 国外叶片设计、生产的诸多工序设计实旌已采用了c a d c a m 技术，设计效率帚i 质鼙较高。上世纪 七十年代初，美国伯特利一哥伦布实验室最早研制的名为b l d f o r g 的叶片锻模c a d c a m 系统中，弁j 士 应力法模拟叶片锻造过程，优化1 ：艺参数和模具设计，取得了较好的效果。美国的t r w ，原两德的 d e u t s h c h e e d e l s t a hw e a e 都开发了不同程度的航空叶片c a d c a m 系统在这些系统f 。不仅缩短了叶片 从设计到制造的周期，更重要的是提高了质苗p 。 我国的叶片c a d 技术起步较晚。基础也比较薄弱。k 期以来，由丁技术水平的限制我国叶片锻造 生产基本上沿用原苏联的模锻j ：艺。c a d 技术在叶片的锻造设计中麻川十分落后。目前国内汽轮机叶片的 设计、制造仍然采_ i 传统的方法，没有一套相关的c a d 专川系统。剑目前为i p 我国的燕山人学、两北 工业人学都已经开始从事这方面的i ：作。井取得了一些成果。 本课题主要解决两个问题：一是叶片锻件的余鼙太多后续精加f ：必须要切除掉很多的余鼙导致材 料的浪费；二是长期以来i ：程设计人员设计一套叶片锻造模具需要的时间太艮，影响产品的市场竞争力 本文通过研究不仅找剑了更加合理的余量设计的方法节约了材料的利朋率。而且开发出了一套完整的汽 轮机叶片锻模的自动生成程序，该程序经过实践检验，通用性强，极人的缩短了原有的殴计时间，得剑企 业的好评 1 2 叶片锻造技术的概况 1 2 1 叶片锻造技术简介 由丁叶片几何形状复杂，精度要求高，锻造成形凼难。最初n l 片是采h j 方钢铣削加l ：i ：艺。后来随着 锻造技术的进步，生产批姑增大，州。片开始采刚模锻方法生产，模锻( 模刑锻造) 是将常温或热态的坯料 放入模膛中进行塑性成形的锻造方法。是锻造生产的士要f ：艺，通常采用模锻i ：艺进行加i ：，闪为模锻生 产率高，锻件尺寸稳定，且材料利_ i j 率高。其制坯方法：小叶片采h j 挤压制坯，人中州片采川白由锻或辊 锻制坯，国外先进制坯f ：艺则采用径向锻造t ：艺。随着大吨位高能螺旋压力机和模具先进制造技术的出现， 叶片锻造技术进而发展到精锻( 精密模锻) 生产。 江南大学顾l 。学位论文 1 2 2 叶片锻造的辅助工艺 n i f 片锻什对表面质锚、内部组织，流线分布要求都十分严格这就需要有良好的锻造r ：艺及相应的辅 助i ：艺。如加热保护、表面喷丸、温度控制、模足润滑等等对各种辅助i 序的安排也必须是严格的、合 理的。为了选扦最佳的锻造i ：艺参数以便获得最优的机械性能，目前国内外己采川止交设计法，将所得的 数据在综合研究的基础上进行级著分析选出最优的l ：艺参数，并对试验数据i ；i 电子计算机进行同l 门分析， 建立性能指标对i ：艺参数的闸门方稃。通过这一定颦的关系，可以预报和控制l ：艺参数对d i 。片锻件性能指 标的影响| 7 1 除此之外，叶片的检测技术与质昔控制在精密模锻时也具有特殊意义。由于叶片尺寸复杂检测项目 多，最终产品的备种技术要求，包括型面厚度公差，分散度，犁面形状公差、扭曲公差、弯曲公差，缘板 内侧面的相对位置公差、叶根和叶冠的角度以及锻件错移公差等，都要进行精确的检商。 1 3c a d 技术的发展 1 3 1c a d 技术的概况 1 9 6 3 年，美国麻省理l ：学院的i v a ns u t h e r l a n d 在其博十论文中首次提出了计算机图形学( c g ) ，人机交 互设计和i 符号存储分层的概念，奠定了计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 的理论基础。c a d 一经产生就显示了强人的生命力，推动了儿乎一切领域的设计毕命。四十多年来，c a d 技术在理论和应用 上都墩碍了e 跃性的进展。c a d 戍川系统也从展初的一维绘幽系统，发展剑以数据库为核心、具有强人曲 面和实体造砸功能的集成化系统。在航空、航大、汽车、船舶、机械、电子、化= 、建筑，广告等行业中， c a d 技术为设计师们提供了准确方便的几何造型、修改、工程制图和图形显示的】二具，很大程度上提高了 设计的速度和质颦，降低了设计难度和f ：作强度。 进入上世纪八十年代以后，随着计算机硬件和存储能鼙的大幅度提高，软件开发平台的功能不断增强， 而计算机产品的价格义越来越低，计算机逐渐走进了中小型企业，走进了寻常百姓家。c a d 技术在应用需 求的驱动f 得剑了迅速发展，在c a d 领域涌现出许多优秀的商品化软件，如：a u t o c a d 、c a t i a ，i - d e a s 、 u g ，p r o e n g i n e e r 。当然这些软件也在不断的发展、完善闱。 我国c a d 技术起步丁上世纪七十年代，从那时起陆续从国外引进一批c a d 系统。然而，在系统化、 ，j 鼙化、实埘化和商i i 化原则的指导下，进行有自主知识产权的c a d 专蒯系统的研究与开发是我们磐须 迈出的一步，过分依赖引进的技术和j 系统不是k ：久之计。进入九十年代，我国己开始了国产c a d 系统 向商品化、产业化的发展弗开发了一些支撑软r i ：利应川软r i 二如清华人学的高华c a d 、中科院的p i c a d 、 浙江人学的i c c c 华中科技人学的开目c a d 、州北i 业人学和许多厂家合作开发的n p u 系统等。其用 户也在逐步增加，但其水平、可谨性方面与国外同类软件相比还有较大差距吼发展国产化c a d 软件还需 要多方面的努力。 当前的c a d 技术涵蔫范用r 泛。几乎涉及产品的整个生命周期的方方面面。因此，可以认为当前的 c a d 技术已经逐步进入计算机辅助产黼开发阶段，正是冈为c a d 技术的内涵与外延在不断地深化和拓展， 使得c a d 技术成为产品创新开发设计的核心技术。c a d 技术的发展和应t 【 j 水平已成为衡量国家科技现代 化承ii ：业现代化水平的重要标占之一 1 3 2c a d 软件的二次开发 任何通h j 的c a d 软件，甚至面向某一类对象的专埘的、商品化的c a d 软件，都难以满足形形色色具 体产鼎殴计的需要。所以一个公司全面开展c a d ，想取得人的成果，麻以引入的c a d 系统为基础根 据本公司的实情，进行拌度不同的州户化、本地化的_ 二次开发，建立廊州绘| 鳘| 系统币i 数据库，形成具有本 2 第一荦绪论 公司特色的产品设计c a d 系统。通过二次开发，使引入的通用c a d 系统的敛能得剑充分地发挥。取得良 好的效益c a d 软件二次开发的特点为：( 1 ) 内容广，情况复杂：c a d2 2 次开发需面向本企业的多种具体 产品，涉及到各种产品的构造特点、设计过程特点，涉及到各种规范与标准、技术与方法、；1 ；具l - j g 境、 管理等方面；( 2 ) ：【作营大：具体产品设计本身比较复杂，内容繁多，其中数据种类多、数据量大。计算公 式千变万化，表格众多，并且产品还要不断更新；( 3 ) 需面向i ：拌人员：二次开发系统是面向具体i ：捍设计 人员进行开发的是他们进行设计的j ：具。二次开发系统的设计符合l ：样标准，满足i ：稃人员的设计习惯 和要求，二次开发系统的运行过程是对具体产品设计过榉的模拟。_ 二次开发的主要任务是：运h 】通h jc a d 软件建立面向产品的图形数据库，并与数据库管理系统集成为面向产品的l ：张数据库。_ 二次开发基本上可 概括为：系统分析、系统设计、系统程序编写，系统测试四个阶段。( 1 ) 系统分析：士要任务是分析、理解 辂个系统设计的基本要求，在系统分解的基础上确定整个系统的基本框架，再住此基础上，形成表达系统 的基本要求及框架的系统说明f 5 ：( 2 ) 系统设计：包括系统总体殴计( 完成模块说明i 币l 建立图形数据库 与数据库管理系统；( 3 ) 系统徉序编写：将模块说明1 5 转换成某种c a d 软1 ，j ：编写的榉序；( 4 ) 系统测试： 可分为二步进行，模块测泼，综合测试，验收测试。 二次开发不同丁一般的软件开发，士要在丁它不是从底层开始的软仆设计，而是在已有的软f l 。基础上 进行的开发- 所以二次开发最人的特点是继承性。二二次开发后的软件功能和性能在很人程度上取决丁| 支撑 软件的功能和开放科度。冈此，二次开发的首要任务是选择合适的支撑软件，可以从以f 四个方面来选择； ( 1 ) 支撑软件必须功能齐全、性能优良： ( 2 ) 二次开发的功能和性能。从两方面考虑：一方面，开发功能是否齐全，接口是否简单，另一方面， 开发语育是否用通用的高级语言，编译环境是否优良； ( 3 ) 支撑软件的版本是否与实际相符； ( 4 ) 软件的性能价格比是否最优。 1 4 叶片锻造过程的c a e 研究概况 叶片锻造过挫的研究得剑了国内外科技l ：作者的广泛关注。上世纪八十年代随着有限元模拟技术的 发展许多研究者开始坩有限元法模拟叶片的锻造过程。1 9 8 2 年，m a r ks h a h a f 苗h j 二维有限元模拟分析 了叶片的锻造过程突破了滑移线法所需的几个主要假没，并得出了简单的椭圆形预成形毛坯的形状i l “。 1 9 8 2 年，n r e b e l o 等基r 二维剐枯塑性有限元模型，模拟分析了不同的胯撩冈子对涡轮叶片锻造过 程的影响。并以i i 蜡为模拟材料对其进行了物理模拟，验证了有限元数值模拟结果的可靠性i i “。 1 9 8 2 年，n l d u n g 等采硝刚塑性有限元法，对涡轮n f 片精锻进行了二维有限元模拟，模拟过榉中采 用了三角形和四边形两种混合单元，并用l a g r a n g e 乘子法处理体积不可压缩条件对金属在对称和不对 称的上下模作用下的流动情况作了对比分析，并将物理模拟所获得的载荷一行科曲线与用有限元模拟和滑 移线法所得的结果进行了对比验证i i ”。 1 9 9 0 年，b s k a n g 等将叶片锻造过科作为_ 二维平面麻变问题处理。川二维有限元止向模拟与反向跟 踪技术结合的办法，采_ h j 库仑摩擦对叶片锻造过群进行预成形殴计，得剑了该模拟条什f 晟佳的预成形毛 坯形状i ”。 1 9 9 8 年到2 0 0 3 年，h ，o u 等考虑热锻时模具的局部收缩和弹性变形，_ h j 有限元法模拟了翼形截面零 件精锻时模贝的弹性变形及由此而形成的零件尺寸误著的补偿方法”“。 国内对叶片锻造技术的研究起步较晚上世纪八十年代中剜北京航空i ：业部第 二一研究所根据 t a l t a n 等提出的叶片锻造l ：艺c a d 程序的功能框| 鳘i 丁1 9 8 6 年研制出可j l j 丁计算叶片锻造i ：艺某些参 数的初步软件并h j 刚粘塑性有限元法对叶身成形过程进行了模拟i l 。 2 0 0 0 年剑2 0 0 1 年，州北f ：业人学詹梅、刘郁丽等对带阻尼台的航空叶片及单榫头叶片采白行开发 的3 d - - p f s 有限元系统进行了模拟。德出了叶片精锻成形的规律，井对摩擦对精锻戍形的影响作了分 析1 1 9 - 2 3 1 。 2 0 0 4 年，燕山大学千开全采用商用有限元软件m s c s u p e r f o r m 对人型汽轮机叶片精锻成形规律进行模 3 江南人学颂l 学位论文 拟并对螺旋压力机的能鼍预选进行了分析，得山了人叶片精锻成形的规律口。 - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- 。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ - 。_ _ - _ 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - - _ _ 。_ 。_ - _ 。_ 。- _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - 一 从以上文献可以看出，叶片的锻造过程十分复杂，j i ：艺要求严格，研究的内容也比较丰富在进行有 限元模拟的时候通常把变形过程看作平面戍变问题，这和叶片的几何特征和锻造特点有关系 1 5 叶片锻件及锻模的设计过程 幽l i 是印度q y 4 2 4 l d h 型反向动叶片的结构。一般的汽轮机叶f id a t 冠、叶身和时。根组成，其中 叶身是最重要的部分。n l 片的士要功能都是通过叶身来实现的。 a a 放大 进气运一出气边 剀i i印度q y 4 2 4 l d h 模锻叶片的结构 实际i ：作中设计一套完整的叶片锻什和锻模的过程十分复杂，以无锡透平n t 片有限公司为例，该公司 现主要是为一些国内外人的汽轮机、航空发动机公司加j ：叶片。冈此拿剑要加l ：的叶片幽纸之后，首先要 根据图纸的要求分别生成叶身实体的截面型线和叶根、叶，冠的实体轮廓线。对于叶身来说，要求对各个截 面的型线进行余鼙设计。并对截面的进、出气边缘进行型线修整，再生成叶身实体；对于叶根和叶冠而言， 只需要进行余颦设计便可。其次，对叶片实体进行分型设计。设计分型面。对于叶身，经过了型线修整后 便已经生成了分删面；对于叶根和叶冠，需要按照实际情况的要求来确定是否需要生成【艺凸台，再对凸 台利叶根、叶冠的实体进行分删面的设计。然后，将生成的整个叶片实体按照热膨胀比例放人成热锻件实 体。接着设计毛边槽，翻模生成叶片锻模，f = 按要求生成锻模的二维i ：科图以及检测样板。晟后还要生成 切边模和切边模的二维i j ￥幽。整个流程见幽l 一2 所示。 1 6 课题来源与主要研究内容 课题来源r 江南人学与国内发电设备制造业最人的汽轮机叶片专业生产厂无锡透平叶片有限公司的 合作项目汽轮机叶片模凡c a d 二次开发与应_ l j 技术研究。本课题拟从锻造j 艺技术出发，研究汽 轮机叶片锻件i ：艺余域的加放规律；并且利j ju g 软， ：的二二次开发功能来实现汽轮机叶片锻件加工余量的 白动加放、叶片锻模的自动生成以及叶片截面璎线检测样板的自动生成；还借助d e f o r m - - 3 d 有限元软 件，对汽轮机叶片的模锻成形过群进行模拟，验证该余量加放的规律。解决汽轮机叶片锻造工艺余量的自 动加放技术难点，开发相戍的软件 具体内容如f ： 1 从锻造i ：艺技术出发，对仆f 片模锻件余蕾的加放进行理论分析，找到合理的余量加放的方法和合 理的余颦值，从而能提高材料的利h 】率，节约生产成本。 2 对叶片现有的殴计过榉进行总结门纳修j 晕 叶身型线的基本方法，并结合锻造：艺技术，进一步 4 ；l ；一帝绪论 上升剑一般型线修格的规律。 3 在u g 软件平台f 根据不同的修稿删线的方案麻埘g r i p 语言，开发编制参数化交互式的玳线 修整程序。这步f ：作是整个研究过程中的重点，也是雉点。 4 在总结了叶片锻模的设计过程之后，应用g r i p 语言，开发编制参数化交互式的锻模自动生成程序。 5 在总结了叶片截面型线检测样板的设计过程之后应用g r i p 语言，开发编制参数化交互式的叶片 测具样板的自动生成程序，减少数据中间转换环节、提高截型样条数据的制表述度。 6 应用d e f o r m - - 3 d 软件进行叶片锻造成形的模拟，研究不同截面形状毛坯的成形特点，验证加放 的规律。 图i 一2 叶片锻 ，| ：及锻模改计流稃图 江南人学硕i 学位论文 2 1 引言 第二章叶片锻造工艺余量加放的理论设计 叶片锻仆l ：艺余蟮加放的设计是n 1 片锻造加l ：的芙键技术。传统的余颦设计方法是l ：程技术人员经过 长期的探索升结合实际的敛聚，总结山的经验这套经验在生产实践中被证明是行之有效的。但是，也存 在着不足。个明显的缺陷是余域太多影响剑后续的精加i ：精加l ：必须要切除掉许多的余颦，这样不 仅造成了材科的浪费。也导致了生产效率难以提高。本章从锻造：艺出发，分析了叶片材料在锻造成形过 程中变形的规律后。得山更为合理的余鲑设计的方法，来解决上述的难题。 2 2 传统叶片锻造工艺余量加放的设计 2 2 】叶身部分余量的加放 2 2 1 1 叶身型面部分的余量加放 叶片的再部分结构筹异很人，冈此在加放余颦时，应该给每一个独立的部分分别加上余量。就叶身而 言，其中间豹刑面部分有两种余越加放的方法：法向加余鼙法和欠压加余链法。 l ! i2 一i 显示了采h j “法向加放余餐法”给州身型面加余世。首先按零件幽所给山的截面坐标点，绘出背 弧和内弧样条线，在截面的背弧和内弧上分别以原来的坐标为圆心，以余鲑为半径作圆弧，然后连接各 圆弧公切线，即形成了锻1 ，i ：的外轮廓线重新记录锻件外轮廓线上坐标点的坐标尺寸。如果叶身型面是由 不变r 释或儿个变化n 径的圆弧构成，则截面内弧线是以原来的圆心为圆心、以零件的半径减去余量a 之 著为小释画的圆弧：背弧线是以原来的圆心为圆心、以零什的半径加上余量之和为半径的圆弧。这样， 可以得到均匀的殴计余颦。 在叶身型面曲率# 径较人，扭曲较小的情况卜j ，叶身余量可以用模锻时模具的欠压量来保证。见图2 2 上的a 点，规定的余鬣为，沿y 轴方向( 锻造方向) 加放余量，即a b = a ，但点的实际余量是在法线 n - n 方向上的a c ，它小丁a b 。冈为a c a b c o s a ，所以g 角愈大，则愈小，因此，对于型面扭角大，曲率 半径小的汽轮机n i 。片不宦采刚这种方法口5 1 。 图2 一i 法向加放余昔法 6 图2 2 欠压加放余鼙法 如果是普通模锻加i = ，余量是根据后续的精加l ：要求来定的。考虑剑叶片越人精加i ：使用的刀 具也越大这就要求余量也相应大些。通常，工程上以n 片的n 1 。身妖度作为确定余鼍的依据。以印度 q y 4 2 4 l d h 型叶片为例，该叶片长l = 4 2 3 ，6 m m ( 冷锻件) 其背弧与内弧型线均放4 r a m 的余量f 2 6 l 。表2 1 是不同长度叶片加放的余量。 表2 i 模锻件叶身型面的加放余颦( m m ) i叶片长度l盟0 02 0 0 3 0 03 0 0 5 0 05 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 l 单血加余量a 23456 2 2 1 2 叶身进出气边缘部分的余量加放 在理论上，埘。身进、出气边缘部分余苗加放的方法和余域的人小庹该与删面一致。但由丁锻压时叶 片两端受力集中，挤压麻力较人，进、出气边有“变薄”的可能；此外受剑模具安装位置的影响( 错位) 。 进、出气边部分的形状可能发生改变。所以，通常要对进、山气边部分截面的犁线进行修锫，延长背弧和 内弧型线。使这些缺陷都产生在延伸部分，而不影响叶片主体。另外通过修玳也为以后生成模具作好准 备，即生成分模线。 通过对无锡透平叶片有限公司实际经验的总结，归纳出了一套能够适_ i j 丁任何型号叶片的型线修整的 方法，共有四种，如豳2 3 所示，其中图2 - - 3 ( d ) 是叶片截面出气边刑线修整的示意l 鳘i 。酗2 3 ( a ) 图2 - - 3 ( c ) 是进气边型线修整的示意图。修型的方法可以! j 纳为以f 四点： 1 背弧、内弧型线均匀加厚： 2 进、出气边由于尺寸较薄，阻力大易产生缺陷，锻造加放的余肇要更人一些； 3 在进行余鹫加放时，要考虑锻模分型雨j 溢出e 边的设计； 4 直线与背弧或内弧之间崩过渡圆弧连接，使之光滑过渡。 7 江南人学硕i 学位论文 ( i ) 近| 中碾型街望缓彻叶身中挪型面型绒 近叶魅型面望婊 0 旬出气垃型缝 幽2 3 叶身硝线进、出气边部分的修整方法 口 身备截面型线均按上述方法加放余苗并修整犁线通过修剪之后得到完整的截面形状如图2 4 所 示。将各个截面余量设计后的型线进行光顺。再使用c a d 软件中“通过曲线组扫描”命令连接起来便得到 叶身实体。 图2 4q y 4 2 4 l d h 型叶片的某个截面型线修猹后示意图 8 第_ 二章升片锻造t 艺余量加破的理论醴计 2 2 2 叶根和叶冠部分余量的加放 叶根和叶冠的形状，多由商线和平面构成，余馘的加放比较方便一般余鼙加在乖直r 平面或直线的 方向上。为了防j r 锻造加i j 时边缘转角处充不满，所加放的余鼙要比叶身部分略人通常比叶身部分多加 放i m m 的余量，见表2 2 。模锻件每个面均加放3 7 m m 的余鼙；精锻件少一些，每个面均放2 3 m m 的 余量。但由于受到模具安装位置的影响这种平面的形状在实际加j ：时会出现“错位”现象，造成叶根或叶 冠部分一些平面余颦不足。影响到加【质最和成品率。 表2 2 叶根与口 冠处加放的余龄( m m ) i叶身长度l丑0 02 0 0 3 0 03 0 0 5 5 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 l 叶根、叶冠加破的余量 345 6 7 以印度q y 4 2 4 l d h 模锻n f 。片为例( 图2 5 ) 在锻造加i ：对，当出现上模向左、卜楔向右的错位时 叶根以侧面实际得剑的余姑不足5 r a m ，而左侧面的余鼙却超过了5 r a m 并且不足越与超过颦相苗。为了 能消除这一偏差，加放余鹫时，右侧面可多放o 5 m m ，共放5 5 m m ：左侧面就少放o 5 r a m ，共放4 5 r a m ， 但余颦的总和还是1 0 r a m 。反之，右侧面放4 5 m m ，左侧面放5 5 m m 的余域。该n l - 片叶根由3 个平行四面 体构成( 3 级) ，每一块的余颦均按上述方法加放。 图2 - - 5 错位示意图 完成余封设计之后的q y 4 2 4 l d h 型模锻叶片结构见i 鳘i2 - - 6 所示。 5 幽2 = - 6 印度q y 4 2 4 l d h 模锻叶片叶根和叶冠的余鹫加放 9 扛南人学顾l ：学位论文 2 3 不均匀余量加放的设计 锻t i ：上凡是需要加i ：的部位都廊给予余昔。过人的余鼙将增加切削加j ：量和金属消耗；加t 余量不 足则会增加锻r i ：的废晶率。传统余域加放的方法是j ：厂里的j ：程技术人员经过长期的经验积累，不断的修 改总结得出的行之有效的设计方法。但是。使_ i j 这种方法来设计叶片叶身锻件的余量，往往会使加工后的 叶片锻件“肥头人耳”，后续的精加i ：需要切削掉很多的余鼙，造成了材料的浪费。为了能够提高材料的利 h j 率本文在金属塑性流动平变形宏观规律的基础上，分析叶片在锻造过程中的席力变化，结合影响叶身 截面喇线余韬加放的冈素。探讨更为合理的余锵加放的方法。 2 3 1 叶片材料在锻造加工过程中塑性流动和变形的宏观规律 由丁- 金属塑性加f ：过程是在i ：f 1 ：整体性不被破坏的前提f ，依靠塑性变形实现物质转移的过程，因而， 加i ：过程中金属质点的流动规律是最基本的宏观规律。金属塑性加i ：时质点的流动规律可以应用晟小阻 力定律和体积不变条件来进行分析。最小阻力定律可表述为：变形过程中，物体各质点将向着阻力最小的 方向移动。即做晟少的功走最短的路口”。根据体积不变条件和最小阻力定律便可大体确定出叶片材料在 锻造加i ：中的金属流动规咎。 叶片在锻造加f ：中，由于受到了在锻造方向上( 竖直) 很大的锻压力，水平方向上的阻力很小，根据 最小阻力定律，材料内部组织会经过b 边，通过e 边最终流向毛边槽。因为叶身截面两端和飞边相连的部 分( 进、出气边缘) 有转角，致使叶身上进、出气边缘部分的材料未完全充满型腔，也就是出现了“局部 变薄”的现象( 如幽2 7 所示) 。所以设计余晕时应该使靠近进，出气边缘部分要比截面中间部分的余量 多加放1 m m 。这样不仅可以1 j - 约材料，而且也能解决两端出现“局部变薄”而影响锻造质鼙的问题。 1 ：拷处f 叮缝m 燧 张 变簿 幽2 - 7 叶片锻造过程中的金属流动示意图 2 3 2 叶片锻造过程中的应力分析 图2 - 8 是州身上某- - 4 块材料往锻造受压时内部的麻力分布图。由图可知，锻压时材料的中间部分 承受二向压麻力，塑性变形容易；边缘部分承受一二向拉廊力，f = 且随着材料越来越薄单位面积的变形抗 力逐渐增人，附加拉应力也不断变人。以至丁矩形的侧面出现裂纹。对丁i 埘。身截面而言，迸、出气边缘最 薄中间部分最厚。冈而进、出气边缘晟容易产生裂纹，这个协萱必须要加最多的余量。中间某个最厚的 部位可以加最少的余域。 l o 第二章叶 锻造_ 下艺余量血i 肢的理论啦计 2 3 3 影响余量大小的因素 图2 8 锻造时叶身材料内部戍力分析 2 3 3 1 原材料的缺陷 原材料的缺陷很多( 见图2 9 ) 属于轧制钢材的缺陷。如裂缝、发裂，贴皮、折叠、刮伤、非金属夹杂 和白点等，而钢锭的缺陷则有缩孔、疏松、杂质、偏析、结疤、气泡、夹渣及沙跟等 图2 - - 9 钢材常见的缺陷 ( a ) 刮伤( b ) 细裂缝( c 折营( d ) 薄膜 ( e 】非金属夹渣( d 自点 原材料的缺陷应在锻造前或锻造过程中加以消除，对于表面有缺陷的毛坯件，必须加人余鼙来保证锻 件终锻成形的质量；对于内部有缺陷的毛坯经检验确定属于无法消除的缺陷则不许投产否则会囡产品 废弃而浪费锻造加1 ：的费用提高生产成本 2 3 3 2 锻件金相组织和性能的要求 金属在加热过程中可能存在脱碳、污染和元素烧损笛问题，这与金属的金相组织和机槭性能有关。在 这些问题当中，尤以脱碳最为严重。 所谓脱碳，就是钢加热时表面含碳茸降低的现象。脱碳就是钢中碳在高温卜与氢或氧发生作用生成甲 烷或一氧化碳的过程。其化学方程式如卜： 眵 江南人学i 啖j ：学位论文 2 ，匆3 c + 0 2 ；= 苎6 j 屯+ 2 c d f 匆3 c + 2 h 2 ；= 3 f 匆+ c h 4 f e 3 c + h 2 0 ；= = 兰3 ，0 + c d + h 2 f 台3 c + c d 2 ；= 兰3 f 匆+ 2 c d 脱碳是扩散作h j 的结果脱碳时一方面氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散。脱碳层由于碳被 氧化反映在化学成分上是含碳鼙较正常组织低；反映在金相组织上其渗碳体( f e 3 c ) 的数量较正常组织少； 反映在力学性能上其强度或硬度较止常组织低。所以零件上必须留有适当的余量来防止这种缺陷。以印度 q y 4 2 4 l d h 哪叶片为例该叶片使用的材料是x 2 0 c r l 3 ( 印度牌号，类似于2 c r l 3 ) 。2 c r l 3 钢是马氏体不 锈钢锻造前先要加热剑1 1 5 0 c 加热时间1 5 h ，保温0 3 h ，形成脱碳层的厚度在o 5 5 0 8 m m 之间“”。 所以余讨必须要人丁脱碳层的厚度，至少要保证i m m 的加l ：余颦。 2 3 3 3 终锻变形时叶身型面可能出现的压坑、划伤等缺陷 叶片毛坯终锻变形时，叫身删面可能出现压坑、划伤等缺陷。这就要求叶身型面留有适当的余量。以 便在切削加1 ：时去掉这些余鼙。此外，叶身的进、出气边缘在终锻成形时。容易出现划痕和裂纹。进、出 气边缘的内弧，还有局部变薄的可能。所以必须对叶身型线进行修整。修出分型线和拔模斜度线，并延长 叶身宽度，使划痕，裂纹和局部变薄等缺陷产生在延伸部分待以后加。 掉。修整聚线的方法可以沿用传 统的方法。 2 3 4 不均匀余量加放的设计方法 综合以上的各种分析叶身截面的中间较厚处至少应该加i m m 的余量，两侧进、出气边缘至少要加 2 r a m 的余姑才能保证锻出产品的质擎。同样考虑纠j 亓续的精加r ，叶身长度较长的叶片余鬣要较叶身长度 较短的叶片多一些。箨种k 度的叶片两端和中间处加放的余草值见表2 3 表2 3 不均匀余蟮加放的数值( m m ) 口r 身的k 度l叟0 02 0 0 3 0 03 0 0 5 0 05 0 0 1 0 0 0 l 0 0 0 l 进，j 气边缘加l 放的余量a234s6 中问部分劫f 放的余量 i2 3 4 _ s 在两端和中问之间的其余备点所加放的余苗值l ，可以按从两端向中问逐渐减少的规律依次取值本 文所采朋的规律是线性递减的方法，公式如f ： 6 = 一击_ ，竹一l ：i + 二竺 胛“，糟一朋 ( 1 u m ) ( 2 1 ) ( m j n 咖) ( 2 2 ) 式中，6 是叶身截面进、山气边缘处所加放的余颦；i i 是迸、出气边缘剑中间某个晟厚的位置每一个 点所加放的余域值；j 表示第j 个点：m 表示中间的第m 个点的序号；n u m 表示在截面型线上以等弧长的 方式取的a u r a 个点。 式( 2 i ) 是进气边剑中间晟厚处每个点加放余母的计算公式：式( 2 2 ) 是中间最厚处到出气边上每 个点加放余龉的计算公式幽2 一1 0 是印度q y 4 2 4 l d h 掣n t 。片叶身上某个截面按照上述方法加放余簧后 得剑的新点和新刑线的示意幽。从幽中可知，首先在截面上的背弧和内弧上以等弧故的方式分别取n u m 个 点- 找到中间最厚处的那个点( 第m 个) ，两个端点余鼙取值为厶，第m 个点余量为矗。，从进气边的端点 ( 第一个点) 开始剑第m 个点，中间每一个点的余鼙值为a 2 ( 按照公式2 1 来进行计算) ，过这些点作背 弧( 内弧)