（材料加工工程专业论文）汽轮机叶片模锻工艺cad与模锻过程有限元分析.pdf

摘要 摘要 叶片是电站汽轮机的重要零件，在汽轮机的能量转换过程中起关键作用， 是汽轮机的“心脏”，叶片的质量直接关系到汽轮机的工作效率。因此，提高 叶片的设计水平和制造水平是一项重要的工作。本文针对叶片锻造工艺设计 的技术要求，在总结了工厂经验的基础上，以u n i g r a p h i c s ( n x ) 为丌发 平台，应用参数化的思想，对叶片精锻模具c a d 二次开发做了进一步深 入的研究。另外，采用d e f o r m 一3 d 软件，对叶片模锻过程进行了三维有 限元模拟。主要内容如下： 本文分析了叶片模锻设计中平衡角的各种确定方法，在工厂长期对叶 片锻件叶身设计的基础上，总结出四种精锻叶片型线修整方法的方法，并 对叶片锻件三维实体造型进行了研究。 针对叶片锻件叶身设计的型线修整方法，本文在u g 平台上应用u g 的通用开发语言u go p e n g r i p ，采用参数化的思想开发了型线修整g r i p 程序。 本文以u g 软件作为平台，采用开发语言u g o p e ng r i p 和人机交互 的开发方法，开发出了叶身型线数据点自动读取输出程序。 本文以叶片成形为三维非稳态塑性变形问题，利用商用有限元软件 d f o r m 3 d 对叶片成形作了有限元模拟，研究了叶片锻件整体以及各个典 型截面的金属流动情况：通过对各个典型截面的应力场、应变场的分析， 得出叶片模锻过程的成形规律；总结了叶片模锻成形的变形规律。 关键词汽轮机叶片：锻造；u g o p e ng r i p ；实体造型：c a d ；d e f o r m - 3 d 金属流动 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t u r b i n eb l a d e sa r ec o r ec o m p o n e n t si nt u r b i n e ，w h i c hp l a yi m p o r t a n tr o l e s i ne n e r g yi r a n s f o r m a t i o n ，c a l l e dt h e h e a r t ”o ft u r b i n e t h eq u a l i t yo fb l a d e sa r e d i r e c t l yr e l a t e dt o t h ew o r ke f f i c i e n c yo ft u r b i n e t h e r e f o r e , t o i m p r o v et h e d e s i g na n dm a n u f a c t u r el e v e l i sai m p o r t a n tt h i n g a c c o r d i n gt ot h en e e d so f f a c t o r y ，a p p l y i n gp a r a m e t r i cm e t h o d ，s p e c i a ld e v e l o p m e n to f c a df o rt h eb l a d e f o r g i n gd i ei ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e do nt h eb a s i so fu g ( n x ) i n t h i st h e s i sa f t e r s u m m i n gu pt h ee x p e r t i s eo f f a c t o r y t h em a i nc o n t e n ti sa sb e l o w ： t h em e t h o d so fd e f i n i t i o nt h ee q u i l i b r i u ma n g l ei nd i ef o r g i n gd e s i g nh a v e b e e na n a l y z e d f o u rs o r t so fa i r f o i ls e c t i o nt r i m m i n gm e t h o d so fp r e c i s i o na n d a v e r a g ef o r g i n gh a v eb e e ns u m m e du po nt h eb a s i so ff a c t o r y t h eb l a d ef o r g e p i e c e3 - ds c u l p t i n gi sa l s ob e e ns t u d i e d a c c o r d i n g t ot h ek e yd i f f i c u l t ，s e c t i o nc u r v et r i m m i n g ，i nf o r g i n gd e s i g n , a p r o c e d u r ew a sd e v e l o p e da d o p t i n gd e v e l o p i n gl a n g u a g e - u go p e n g r i p t h i s p r o c e d u r ec a nr e d u c et h eb l a d ef o r g i n gd e s i g np e r i o da n db r i n gc o n v e n i e n c et o t h eu s e r ， u s i n gu ga saf l a t r o o f ia d o p t i n gd e v e l o p i n gl a n g u a g e u go p e n g r i p a n dt h ea l t e r n a t i n gm e t h o d ，t h ea u t o m a t i cr e a d i n ga n do u t p u t l i n gp r o c e d u r eo f t h ec u r es t r i n gd a t ap o i n t sh a sb e e nd e v e l o p e d a s s u m i n gt h ed e f o r m a t i o no fb l a d e i n f o r g i n gw a sa3 - dn o n s t e a d y p l a s t i c a l d e f o r m a t i o n p r o b l e m ，f e m s i m u l a t i o nw a s p e r f o r m e du s i n g c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l ef e ms o f t w a r ep a c k a g e - d e f o r m 一3 d t h em e t a lf l o w o f t h eb l a d ec o l l e c t i v i t ya n de v e r yc l a s s i c a ls e c t i o n sh a v eb e e ns t u d i e d a n a l y f i s o fs t r e s sa n ds t r a i ni nd i f f e r e n tc l a s s i c a ls e c t i o n si nb l a d e f o r m i n gw a s p e r f o r m e da n dt h ef o r m i n gr u l ew a so b t a i n e d t h eb l a d ef o r g i n gd e f o r m a t i o n r u l eh a sb e e ns l l m l t i a r i z e d i i a b s t r a c t k e y w o r d st u r b i n eb l a d e ；f o r g i n g ；u g o p e ng r i p ；e n t i t ys c u l p t i n g ；c a d ； d e f o r m - 3 d ；m e t a lf l o w t t l 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文汽轮机叶片模锻工艺c a d 与模锻过程有限元分忻，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕j 一学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要受 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的注律结果将完全 由本人承担。 作者签字冁吱 隰年譬异 7 l l ? 燕山大学硕士学位论文使用授权书 汽轮机叶片模锻工艺c a d 与模锻过程有限元分析系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相 关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密刨 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：智丧忒日期：，们b 年上，月，7 同 导师签名：形毒丛 日期：弘9 占年f 月7 7 f i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 叶片广泛应用于航空发动机、汽轮机、燃汽轮机和压缩机等，起能量 转换的关键作用，被认为是汽轮机、航空发动机的心脏。叶片是汽轮机中 使用最多的类零件，一台汽轮机有数千件叶片，叶片的质量直接关系到 汽轮机的工作效率。叶片制造的工时约占汽轮机整机的l 3 ，工装量占整 机的1 2 左右，成本占整机的2 0 2 5 ，叶片在电站汽轮机中的重要性 是不言而喻的i l j 。因此，提高叶片的设计水平和制造水平是一项重要的基 础工作。由于叶片的品种多、数量大、材料先进、型面复杂、内部质量和 外部质量要求高，而且机械加工难度大，所以人们针对叶片这一类特殊零 件，投入大量的人力、物力，发展了各种叶片成形技术和工艺。由于锻造 成形工艺能够改善零件的微观组织结构，提高其机械性能，所以在叶片成 形中获得了广泛的应用1 1 叫。 图1 1 为1 0 5 0 m r n 大叶片，该叶片应用于电站3 3 0 m w 6 0 0 m w 汽轮机 低压缸，叶片成品净重4 8 k g 片，总长1 1 9 0 m m ，叶根为直型榫齿形，宽 图1 1典型的汽轮机叶片实物图 f i g 1 1t y p i c a lt u r b i n eb l a d e 燕山大学工学硕士学位论文 度为3 6 0 m m ，有叶冠( 自锁) ，叶身( 型面) 有凸台。 汽轮机叶片形状的复杂性和其材料的难变形性导致其锻造工艺性差， 流动规律难以掌握。在缺乏系统的、精确的分析条件下，实际生产中不得 不多次反复试制，多消耗原材料来换取产品的合格率，致使叶片锻件材料 利用率低，产品成本耐3 1 。目前，计算机科学日新月异，计算机图形理论 逐步完善，基于这些新理论和新技术，从叶片锻造成形工艺的现状出发， 结合相关科学技术的研究成果和实际生产中的需求，指出了叶片锻造成形 技术的发展方向。叶片锻造过程的计算机模拟技术、智能技术在叶片锻造 工艺设计中的应用前景以及叶片锻模c a d c a m ，对提高工厂叶片锻造工 艺与模具设计能力和准确性，增强企业的竞争力具有重要的现实意义【4 1 ”。 1 2 国内外叶片锻造技术概况 1 2 1 叶片锻造技术的发展 汽轮机叶片是锻造生产中最难成形的零件之一，原因在于汽轮机叶片 的型面复杂，截面宽厚比大，而且各截面之间有一定的转角。我国叶片锻 造成形的传统工艺是普通模锻。普通模锻的设计余量比较大，生产出来的 叶片往往“肥头大耳”，需要经过进一步的机械加工才能获得理想的外观尺 寸。电力工业的飞速发展对叶片的使用性能提出了更高的要求，不仅要求 叶片外观质量好，尺寸精确，而且还要求叶片的内部组织达到标准、金属 流线分布合理。传统的模锻工艺很难满足上述要求，国外已具有大批量生 产叶片精锻件的能力，如英国的罗一罗( r o l l s r o y c e ) 公司设计制造的叶片， 除了榫头局部进行少量机械加工外，叶身型面、榫头内缘面、叶身阻力凸 台都不需要机械加工，保证了完整的锻造金属流线。这种先进叶片锻造技 术不仅节省金属材料，减少机加工工时，也大大降低了叶片制造成本，而 且在很大程度上提高了叶片的使用性能和寿命 6 - s 。 时代的需要和国内外同行业的差距给我国汽轮机叶片锻造工艺提出了 挑战，同时也带来了发展的契机。为了实现叶片的精锻，我国相关研究单 位同电力企业及机械部的有关单位紧密合作，在借鉴国外先进技术的基础 2 第1 章绪论 上展开了大量的研究，围绕着叶片的精锻技术研究，我国采用引进和自我 开发相结合的办法，拥有了一些精锻设备和工装如无锡叶片厂1 9 8 1 年引 进美国西屋电气公司电站汽轮机叶片制造技术，引进由德国 h a s e n c l e v e r 公司制造的s p k a l l 2 0 0 型离合器式螺旋压力机，采用先 进的精密模锻工艺，为汽轮机行业提供大型叶片锻件；西安航空发动机公 司的精锻叶片生产线，其工艺和设备均具有较高水平。目前，我国已具有 生产中小型精锻叶片的能力，并且实现了精锻叶片的出口。这表明我国叶 片精锻技术已具有较高水准，但在对锻件尺寸、几何形状、组织性能的主 动控制能力方面同国外相比，仍有一定差距。 近十几年来，随着我国现代化建设的迅速发展，特别是吸收了国外同 行的生产经验和技术，引进国外先进生产设备，叶片锻件的生产技术获得 了明显的发展和提高。但是由于生产工艺和设计手段依然落后，在很大程 度上影响了我国叶片精锻水平。因此，为提高我国叶片生产的整体水平， 实现叶片精锻工艺设计计算机化，采用先进的数值模拟方法预测分析成形 过程以降低设计成本，缩短设计周期，提高生产效率，已成为目前我国 叶片制造业的当务之急。随着科学技术的发展及微机的普及与推广，计算 机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 在汽轮机叶片制造业中 已经被越来越广泛的采用。 1 2 2 叶片模锻工艺的特点 汽轮机叶片主要采用半精锻或精锻方法生产。根据产品交货状态要 求，无锡叶片厂生产汽轮机叶片的类型分为：精锻叶片，模锻叶片和成品 叶片。一般而言，所谓精锻是指锻件叶身部分余量小，少于0 3m r n ：公差 小，约为1 3 模锻公差，叶身表面不再需要切削加工，而只需要进行精抛 光或化学铣削。叶片叶身很薄，型面复杂，锻造时变形抗力大。而且，操 作过程坯料冷却较侠，容易引起锻造力的波动。这就要求锻造设备具有足 够的打击能量、适宜的变形速度以减少锻件与模具的接触时间，而又适 应金属的流动特性和保证一定的生产速率。同时，要求锻造设备具有好的 刚度和承受偏心载荷的能力以及尽可能小的弹性变形。 3 燕山大学工学硕士学位论文 叶片锻件对表面质量、内部组织、流线分布都要求十分严格，这就需 要有良好的锻造工艺及相应的辅助工艺，如加热保护、表面喷丸、温度控 制、模具润滑等等，对各种辅助工序的安排也必须是严格的、合理的。 叶片材料的合金化程度很高，变形温度范围窄。和普通的模锻件相比， 叶片的模锻制造工艺与检测技术要复杂和困难的多，对锻造、热处理工艺 参数很敏感。过高或过低的锻造、热处理温度，都将给叶片的组织和性能 带来明显的影响，因而给锻造和热处理过程造成很大的困难。 由于汽轮机叶片的质量要求极为严格，叶片的检测技术与质量控制在 精密锻造时显得特别重要。由于汽轮机叶片尺寸复杂，检测项目繁多，对 于最终产品的各种技术要求，包括型面厚度公差、分散度、型面形状公差、 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，在叶片锻造工艺的各个流程都要进行精确的检查，确 保叶片质量1 2 j 。 1 2 3 精锻叶片工艺特点 所谓精锻叶片是指叶身型面少余量( 4 0 2 5 叫o 制造成本高低 综台成本低 采用叶片精锻技术，大大降低了叶片生产的总体成本。虽然叶片精锻 所用的模具费用和锻造费用，和普通锻造相比提高约5 倍左右，增加了锻 5 燕山大学工学硕士学位论文 件的成本。但是对整个制造过程而言，由于大量节省了材料，缩短了生产 周期，大大减少了机械加工费用，而且精锻叶片的使用寿命长，所以其总 体成本比普通的大余量锻造要低的多。 由于叶片精锻的技术经济效益明显，目前，国内外叶片生产厂家都在 积极研究叶片精锻方法，有的已经用精锻方法生产出叶片。如英国罗尔斯 一罗伊斯( r o l l s - - r o y o s ) 公司可以精锻1 2 0 毫米长度以下不带冠叶片， 英国唐卡斯特罗克布瑞基公司的精锻叶片单面余量小叶片为0 2 5 毫米以 下，长5 0 0 毫米以上的大叶片为0 5 毫米【m m 】。 随着我国电力工业的快速发展，我国汽轮机叶片生产企业进行了多方 面的技术研发和技术引进，如：无锡叶片厂、国营红旗机械厂、南京五一 一厂，分别用螺旋压力机、曲柄压力机、摩擦压力机精锻各种类型的叶片。 1 2 4 成品叶片的工艺特点 成品叶片是指模锻后，由本厂加工叶片锻件至零件图要求，直接交给 用户。 叶片锻件的叶身型面必须达到成品( 精锻件) 型面型线公差要求以及零 件表面质量要求，这种交货方式要求的达到可以采用两种制造工艺方法， 一种是型面精锻工艺，该精锻工艺方法是指通过一系列精锻工艺措施的采 纳。使叶身型面直接锻造至叶片成品的公差带范围，表面仅仅通过化学抛 光和光饰处理达到表面质量要求。 另外一种方法，也是无锡叶片厂通常采用的方法，即叶片锻造采用半 精锻工艺方法，叶身型面留有一定的少量单面余量，通过抛磨使叶身型面 达到成品的公差要求和表面质量要求。 1 3 汽轮机叶片锻造工艺流程 1 3 1 精锻叶片锻造工艺流程 下面以无锡叶片厂q 1 0 5 0 l 型精锻叶片为例，介绍精锻叶片锻造工艺 流程。叶片各种参数： 零件重：4 2 k g ，材料重：9 5 k g ，材料利用率：4 4 2 1 ，下料尺寸：西l g o 6 第1 章绪论 x4 7 6 + 3 工艺流程如下： ( 1 ) 原材料复检验 ( 2 ) 锯坯下料 ( 3 ) 车外圆 ( 4 ) 超声波探伤 ( 5 ) 自由锻制坯采用中、高温电炉，7 5 0 k g 空气锤。坯料加热9 0 0 ，保温8 0 分钟一高温炉1 1 5 00 c 土1 0 c ，保温5 5 分钟一锻造一二火加热 保温3 0 分一锻后退火一检验 ( 6 ) 表面清理手动砂轮磨表面缺陷一喷砂去f e o ，也可用喷丸。 ( 7 ) 检查验收 ( 8 ) 模锻叶片锻件模具安装预热( 1 9 0 , - 2 5 0 。c ) 一加热( 电炉9 0 0 ( 2 ， 保温6 0 分，高温1 1 5 0 。c 士1 04 c ，保温3 0 分) ，装件一1 1 2 0 0 t 螺旋压力机 锻打，连击两次，预选能量e = 9 0 ，采用水剂石磨均匀喷涂一再加热( 保 温1 5 分) 一1 1 2 0 0 t 锻打，连击两次，预选能量e = 8 0 8 5 一切边( 1 2 0 0 t 切边压力机) 一再加热一热整形( 11 2 0 0t 压力机) 一锻后砂冷，2 4 小时内 及时回火一打标记一锻后回火( 中温炉) ( 9 ) 检查用测具、样板 ( 1 0 ) 表面清理喷丸、砂，手磨 ( 1 1 ) 磁粉探伤抽一炉( = 2 0 片) ，叶身内叶型，叶根转接处去f e o 后探伤，如有裂纹则叶片整体进行探伤；如发现缺陷，打磨后才能进入 下道工序 ( 1 2 ) 热处理加表面清理 ( 1 3 ) 手工校正在5 0 t 校正压力机上进行 ( 1 4 ) 检查 ( 1 5 ) 去应力回火 ( 1 6 ) 表面清理 ( 1 7 ) 选取试件每炉抽2 片进行理化检验，每炉批随机抽取l 片进 行附加试验 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 8 ) 理化性能检查试件经粗抛、精抛，确定合格的叶片，在规定 处取样进行理化检查 ( 1 9 ) 切割或铣余块以及底面 ( 2 0 ) 检查 ( 2 1 ) 磁粉探伤方法同( 1 1 ) ( 2 2 ) 粗抛 f 2 3 ) 检查 ( 2 4 ) 打中心孔 ( 2 5 ) 检查以三个中心孔定位，在测具上检测，按照精锻件图验收 ( 2 6 1 铣进出汽边 f 2 7 ) 去附加应力 ( 2 8 ) 精抛 ( 2 9 ) 检查按照精锻件图验收 ( 3 0 ) 磁粉探伤附加机械性能试验和成品金相分析 ( 3 1 ) 打标记打字或腐蚀，将叶根的钢印转刻到叶型上 ( 3 2 1 检查 f 3 3 ) 半成品入库 1 3 2模锻叶片锻造工艺流程 下面以h 6 6 8 b 型模锻叶片为例，介绍其模锻工艺流程。叶片各种参数： 零件重：6 5 4 k g ，材料重：2 6 0 k g ，材料利用率：2 4 1 5 材料牌号： 2 c r l 3 ，材料规格：咖1 2 0 工艺流程如下： ( 1 ) 原材料复验按订货技术协议执行 ( 2 ) 下料 ( 3 ) 车外圆单面车1 0 m m ，若出现黑皮应打磨干净 ( 4 ) 加热中温9 0 0 c 1 0 ，保温4 0 分钟，高温1 1 6 0 c 1 0 ，保 温2 0 分钟 8 第1 章绪论 ( 5 ) 制坯自由锻，始锻温度1 1 6 0 ( 2 1 0 c ，终锻温度大于8 5 0 c ，锻 件不得过热、过烧，锻件表面不得有裂纹、折叠 ( 6 ) 检验按锻坯图要求进行检验 ( 7 ) 坯料清洗与表面涂料坯料预热1 0 0 1 5 0 。c ，涂层厚度0 1 0 0 1 5 m m ，涂层均匀 ( 8 ) 加热中温9 0 0 。c 1 0 。c ，保温4 0 分钟，高温1 1 6 0 c 1 0 c ，保 温2 0 分钟，可以锻造 ( 9 ) 预锻锻前模具预热，1 8 0 2 4 0 。c ，水剂石墨喷涂、润滑模具模膛， 每次锻造时清除模膛中氧化皮，锻造能量预选e = 5 5 ，锻造温度l1 6 0 c ( 1 0 ) 切边锻后立即切边，温度高于9 0 0 。c ，切边后立即迸高温炉 ( 11 ) 高温加热温度1 1 6 0 。c 士1 0 c ，保温8 1 0 分 ( 1 2 ) 锻造锻前清除表面氧化皮，锻造能量预选e = 6 5 7 0 ，锻造温 度1 1 6 0 ( 1 3 ) 切边切边后立即整形 ( 1 4 ) 检验按锻件图进行检查 ( 1 5 ) 热处理退火 ( 1 6 ) 喷砂清除叶片表面氧化皮 ( 1 7 ) 打磨打磨叶片表面缺陷，残存飞边、毛刺 ( 1 8 ) 检验按锻件图进行检查 ( 1 9 ) 热处理 ( 2 0 ) 检验按技术协议进行理化检验 ( 2 1 ) 去处叶根余块加工叶根余块时注意不能碰伤叶型 f 2 2 ) 检验 ( 2 3 ) 室温整形锻模整形前对锻模局部修正 ( 2 4 ) 检验 ( 2 5 ) 热处理去应力 ( 2 6 ) 检验 ( 2 7 ) 抛磨以内缘面定位点作纵向定位，保证内背弧型线有抛磨余 量，叶冠、叶根处有余量来调整叶片位置 q 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 8 ) 检验 ( 2 9 ) 入库 1 4 叶片锻造工艺研究进展 早在七十年代初，d g i l e s 等就对航空发动机o l y m p u s 5 9 3 叶片精锻工 艺进行了研究，并给出了控制叶片尺寸偏差的具体事例。美国哥伦布b a t t l e 实验室用主应力法研制了用于涡轮叶片和压气机叶片锻模设计和数控加工 的计算机程序系统，其中用于锻模c a d 的b l d f o r g 程序，能够分析和 设计涡轮叶片或压气机叶片的模锻过程，确定锻造过程各个阶段的变形力、 合理的坯料尺寸和设备吨位、为模具的数控加工提供几何信息。 我国的叶片技术起步较晚，基础也比较薄弱。由于大多数叶片的型面是 比较复杂的三维扭转曲面，几何要求精度高，设计制造难度大，而且生产准 备周期长，工作量大。而c a d c a m 技术正是在提高生产效率、改善设计 制造质量、降低生产成本、减轻劳动强度等方面具有传统设计制造方法无 法比拟的优越必性。近年来，在叶片生产的计算机辅助设计以及分析方面， 国内学者做了很多工作。八十年代中期，北京航空工业部第六二一研究所 根据t a l t a n 等提出的叶片精锻工艺c a d 程序的功能框图，研制出可用于 计算叶片精锻工艺某些参数的初步软件，并用三维刚粘塑性有限元法对叶 身成形过程进行了模拟；西北工业大学朱谨也曾对航空发动机叶片精锻工 艺即模具设计的c a d 过程进行了试探性的研究。 由于叶片形状的复杂性，三维模拟方面的研究很少。d y y a n g 基于刚 粘塑性材料模型，并考虑摩擦的影响，对涡轮叶片等温锻造进行了三维刚 粘塑性有限元模拟分析，但在模拟中假设模具上的榫头与叶身处采用直角 相连，这种简化假设导致所进行的三维有限元分析模拟与实际生产还有一 定距离。国内有西北工业大学詹梅、刘郁丽对带阻尼台的航空叶片及单榫 头叶片采用自行开发的3 d - - p f s 有限元系统进行了模拟；上海交通大学方 洪祥对汽轮机长叶片的有限元建模及模型修正进行了研究 1 7 】。 近年来，随着计算机技术的不断进步和有限元方法的完善，计算机数 值模拟本质上可以虚拟试验现实，将大量反复的试验工作在计算机上完成。 1 0 第1 章绪论 且叶片已基本上形成了一类具有明确几何形状的零件系列，用计算机数值 模拟技术来模拟叶片锻造成形规律，预测成形缺陷折叠和充不满产生的部 位，并通过改进工艺或改变毛坯的形状和尺寸消除成形缺陷是完全可能的。 1 5 课题情况与本文主要研究内容 近年来随着我国电力工业迅速发展，作为汽轮发电机重要零件的汽轮 机叶片需求量猛增，同时国内外市场的竞争也越加激烈。在此情况下。加 快对现有生产技术进行改造，尽快采用先进的计算机数字技术，提高叶片 生产的技术水平就显得尤为重要。课题来源于燕山大学与国内发电设备制 造业最大的汽轮机时片专业生产厂无锡叶片厂的合作项目汽轮机时 片锻造工艺技术软件系统。 计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术是近三十年来迅速发展起来 的一门新技术。它一经产生就显示了强大的生命力，推动了几乎一切领域的 设计革命c a d c a m 技术的发展和应用水平已成为了一个衡量国家科技 现代化和工业现代化水平的重要标志之一【1 8 ，1 9 。由于叶片是几何形状比较 容易定义的一类零件，因此在国外，c a d c a m 技术较早的就应用于叶片锻 造的设计与制造。 本文在燕山大学材料加工工程研究生彭志、王开全的研究工作的基础 上，以大型c a d c 舢c a e 一体化软件u g ( n x ) 作为开发平台，对“汽 轮机叶片精锻c a d c a m c a e 系统”项目有关研究内容进行了完善。u g 软件强大的复合建模技术、特征技术、参数表达式技术、零件家族技术、 以及其二次开发工具u go p e n g r i p 、m e n u s e r i p t 、u i s t y l e r 等为课题的顺 利完成奠定了基础。此外，本文还采用有限元软件，对汽轮机叶片的模锻 成形过程进行分析。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对工厂叶片锻件设计过程进行总结，归纳出修整叶身型线的基本方 法以及工艺计算分析方法，为c a d 开发提供了理论依据。 f 2 ) 采用u g 软件作为c a d 的工具，对时片锻件进行了三维的实体造 型，使得锻模设计和后续的叶片锻造数值模拟成为可能。 ( 3 ) 以u g 软件为平台，根据不同的修整型线的方案，应用g r i p 开发 燕山大学工学硕士学位论文 语言，用参数化的方法编制型线修整开发程序，建立了操作的交互界面。 ( 4 ) 根据设计工作中的实际需要，开发了型线数据点自动读取输出程 序，减轻了重复劳动，提高了设计效率。 ( 5 ) 以叶片锻造为复杂的三维非稳态塑性变形问题，利用商用有限元软 件d e f o r m 一3 d 对叶片锻造进行三维数值模拟，探讨叶片锻造的成形规律， 研究不同位置典型截面的成形特点，并对叶片锻造的载荷一行程曲线进行 分析，总结了叶片模锻各个阶段的变形规律。 1 2 第2 章叶片锻件图设计及工艺参数计算 第2 章叶片锻件图设计及工艺参数计算 2 1引言 叶片锻造工艺设计首先要求根据产品图设计锻件，即叶片锻件图的设 计。叶片锻模设计过程中，先要进行锻件的设计，这是进行后续模具设计 的基础。必须首先建立叶片的零件实体模型，生成冷锻件实体和热锻件实 体，然后确定相应的参数，才能设计出合理的精锻模具。根据产品图并结 合技术协议确定叶根、叶冠的加放余量( 通常单面5 m m ，叶根底部7 - 1 0 r a m 叶冠1 5 2 0 ) 及叶身型线内、背弧的包络量及英裙应位置的检测具的设计要 求和对它们的检查要求，在此基础上设计出叶片的锻件图。 2 2 叶片锻造平衡角的确定 在汽轮机扭曲叶片的锻造工艺中，采用首先通过对锻坯的预制坯。然 后进行敞开模锻成形锻造的工艺方法时，工艺分析中叶片锻造转角的确定 是叶片锻造成形的关键，也是叶片锻造模具型腔设计时考虑的前提条件。 如图2 - i 所示，时片各截面型线翅角变化较大，在对汽轮机时片进行工艺 一。1。1。1+。11。一一 盈2 - l 斗片各藏匿型线 f i g 2 - 1 s t r i n g so f b l a d es e c t i o n s 中的锻造成形分析时，为了有利干叶片锻件各部分形状在锻造时按照金属 l j 燕山大学工学硕士学位论文 材料流动规律充足成形，而对叶片锻件的扭曲叶身型面进行锻造方向的合 理选择，其方法是通过对叶身截面绕型线坐标中心的旋转。 汽轮机叶片型面变化很大，各型面的扭角相互不等，叶冠处材料薄而 扭角最大，叶根处扭角最小，扭角变化较大的升片给锻造生产带来很大困 难。因此锻造这种强度高、形状扭曲大又薄的锻件必然需要很大的变形载 荷。同时也会产生更大的水平错模力。变形载荷和水平错模力的共同作用 使得模块和设备产生弹性变形，而这个弹性变形正是影响锻件尺寸精度的 主要因素。因此，设计锻模时应将叶片旋转到一个恰当的角度，使得锻造 时的载荷和错模力尽可能小，如图2 - 2 所示。由于叶片形状尺寸各异，有 些叶片可以使锻造时理论上的水平错模力为零，而有些叶片由于锻造分模 面的要求，不可能为零，只能尽可能地d j 2 们。 图2 - 2 平衡角示意图 f i g 2 - 2 g e t e q u i l i b r i u ma n g l e 所谓叶片的锻造转角，就是扭曲叶片在锻造时，为了使叶片的各部分 形状按照锻造金属流动规律成型，而有意地在工艺设计时使叶片计型的锻 造方向与原理论坐标方向转过一角度，这一转角即为锻造转角1 2 】。 在工艺设计分折时应考虑以下几个因素，以便合理选择锻造转角： ( 1 ) 锻造应力的大小要考虑叶片在锻造时的模具型腔的进出汽边两侧 受力均匀，避免过大的侧向分力。 第2 章叶片锻件图设计及工艺参数计算 ( 2 ) 锻造转角选择应考虑时模具寿命的影响。由于锻造转角在考虑这些 其它因素的同时而未能顾及叶根转角处位置时对模具寿命的影响，往往在 叶根型腔大而深处成为容易引起模具沿纵向开裂的应力源。 ( 3 ) 锻造转角的选择应配合锻坯形状的选择。对精锻叶片来说，在考虑 上述因素的同时，还应配合精锻工艺，作出更为全面的考虑。 2 。2 1 叶片锻造转角的确定步骤 ( 1 ) 从输入叶片型线数据经计算机生成c a d 图形的理论型线中，抽取 三个典型截面的完整型线：靠近叶根端、叶顶端和叶身中润截面： ( 2 ) 以三个典型截面重叠的原点为基点，结合叶片锻造转角确定原则的 考虑进行旋转分析后，初定锻造转角； ( 3 ) 根据初定锻造转角进行工艺分析叶型扭曲较大时应该作综合考 虑。既要考虑进出气边最高点处的充足成形，又要考虑进气边背弧“倒勾” 余块不宜过大( 如图2 2 所示) ；靠叶顶截面叶型较宽，出气边较薄时，应 该使出气边适当往平坦方向旋转而加大锻造转角的角度臼：精锻或者少余 量叶片锻造时，应该适当加大锻造转角口值；锻坯采用扁坯形式时，可以 适当将8 角度取偏小值，扭曲度不大的叶片，且出气边容易充足时特别 是锻坯采用圆坯形式时，应该适当加大锻造转角8 值； ( 4 ) 在锻造转角确定中验证角a 的应用在靠近叶顶截面型线的出气边 作趋向延伸的对称中心线，该中，心线与分模面方向轴线的夹角就作为锻造 转角确定中考虑的验证角。根据从工厂以往扭曲叶片锻件在锻造转角确 定时对n 角的验证情况进行积累统计，验证角旺一般控制在4 89 5 2 。之 间，如果小于4 89 时，应该在锻造工艺中考虑一定的措施，特别是锻坯的 形状和在模具中的定位或其他相应的进气边阻尼措施等，但是绝不允许小 于4 5 。： ( 5 ) 输入叶根、叶冠、凸台等各个典型截面，进一步进行锻造转角的修 整和确定。 2 2 2 计算法确定平衡角 计算法分三种，分别如下；， 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面的夹角相加，求其平均值。 0 ：竺堡= ! 墨 2 ( 2 ) 将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面以及叶身中部的夹角相加，求 其平均值。 0 ：竺塑竺生竺墨 2 ( 3 ) 将叶身各个截面的扭角相加，求其平均值。 0 - = ! ! 竺2 ：竺! h 实际设计中一般采用第( 2 ) 种方法。它简捷、明了，易于设计人员操作， 而且考虑到靠近叶冠的截面出气边最薄，一般加上一个验证过程，即图2 - 2 中，角度要求：4 8 0 a 5 2 0 ，以保证出气边能够充满。 2 。2 3 矢量作图法确定平衡角 因为锻模基准平面与打击力相垂直，利用打击力等于金属变形抗力的 原理，通过矢量作图求出打击力的方向，这样也就求出了锻模基准的方向， 其具体方法如图2 3 所示，在叶身上标注了四个型面，各型面弦长线与x 轴 之间的夹角分别为口一、a e 、ac 、a 。，为了更准确地计算出平衡角0 ，首 先将叶片分成与型面数目相同的若干部分，这里是分成四个部分。各个部 分的面积为r ，各面积上的中心线即型面线处，分别计算每一部分锻压成 形时所需的变形力p 。 ， 只2 ( 1 + o 5 ) o - e ( n )( 2 1 ) c 】 式中o - 叶片成形时的变形抗力( m p a ) f 各部分的宽度，也就是型面的弦长( m m ) c ，各部分的厚度，即型面的最大厚度( m m ) f 各部分的面积，即弦长与边长的乘积 p ，一各部分所需的变形力( n ) 1 6 第2 章叶片锻件图设计及工艺参数计算 a q ，t 、 茂 q f 扣t 、。、 4 l p c t 、涟 i ix f 。岛 。 p d ，、 l k ， 。 4 b 、l 、 c d ， 口 ，一 ， _ 一一 j = ：孑i 号绷。 肜 = 二。 图2 - 3 矢量作图法求平衡角 f i g 2 - 3 g e te q u i l i b r i u ma n g l ef r o mv e c t o rg r a p h i c s 按上式计算叶身各部分的变形力之后( 即只，岛，耳，昂) ，用适当的缩 尺比把各变形力表示在各相应的型面图上。变形力的方向与型面弦长线相 垂直，然后再将这些变形力由p 。开始逐条平行移到一个坐标系上，各变形 力彼此首尾相连接。最后，把r 的箭头与坐标原点0 连一条直线，所连 直线与坐标纵轴y 之间的夹角便是所求的平衡角0 1 2 l 。 2 3 叶身型面余量的加放及叶身型线的修整 2 3 1叶身型面余量加放 生产实践表明，无论是钢或耐热合金，当加热没有采取防护措施时， 在锻件表面不可避免的产生缺陷层，有时厚度可能达到l m m 以上，若采 取了防护措施可减少缺陷层的厚度，但缺陷层总是不可避免的。叶片毛坯 终锻变形时叶身型面可能出现压坑、划伤等缺陷，如工序周转过程中，难 免有碰伤，因此必须留有余量。常用加放余量的方法有两种： ( 1 ) 加锻造方向余量这是一种简便方法，在叶身型面扭角较小的情况 下，叶身余量可以用模锻时的欠压量来保证，即加放y 向余量。在给定的 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 坐标点y 坐标上加放余量，但型面曲率稍大时会出现不均匀的余量。 ( 2 ) 加法向余量这是一种加放均匀余量的作图法。叶片的型面特征用 离散点表示，以坐标点为圆心，为半径作一系列的圆弧然后连接公切 线，即包络线。如图2 - 4 所示的解析法加放余量中，在叶片某一型面上一 系列点中取一点m o ( 工。，y 。) 。在m o 的法线方向上加余量得到m 。( 一，y ，) 。 由图2 4 中几何关系可知： c o s 8 =7 蕊再2 y 再丽 ( 2 - 2 ) 一= 干小黼 背弧取负号，内弧取正号) m 2 儿夕惫i 万矿 背弧取正号内弧取负号 图2 4 余量加放示意图 f i g 2 - 4 i l l u s t r a t i o no f o f f s e tab l a d es t r i n g 2 3 2 叶身型线修整 由于汽轮机叶片形状的特殊扭曲，通常叶片的产品图是通过给出叶身 一系列截面的离散坐标点来精确的表示叶身，而叶根叶冠则用普通的几何 方法。叶身部分的进出汽边由于很薄，锻后形成飞边较大，在这些部位容 易出现充不满和折叠以及划痕和裂纹等各种缺陷，这样就有必要在叶身部 分的型线做一定的延伸和加厚修整，以使可能的缺陷产生在叶身之外。所 1 8 第2 章叶片锻件图设计及上艺参数计算 以，设计汽轮机叶片锻件时，一定要首先对叶身进出汽边做修整。 叶身型线的修整过程，是叶片锻造模具设计过程中的重点，也是难点 其具有如下特点： ( 1 ) 设计过程复杂，设计工作量大一个普通的汽轮机大叶片，叶身部 分的截面表达可能有1 0 2 0 个左右，而每个截面又分为进汽边和出汽边， 对每个位置都必须遵循一定的设计程序。根据生产实际统计，采用u g 软 件对一般叶片进行设计，周期大约是2 0 天，而型线修整就需要5 天左右。 ( 2 ) 设计难以标准化设计中容易存在这样的问题，即对同一型线，不 同的设计人员修整后的结果都不一样，导致设计的差异性。 ( 3 1 设计准则多种多样，难以掌握由于叶身形状的扭曲，靠近叶根部 位的型线和靠近叶冠部分的型线在几何上相差很大，对不同扭曲度的叶片， 要有不同的设计方法，这对于设计人员来说操作难度较大。 根据工厂生产实际叶片的分类和对设计工作中应用的修型线的方法的 总结，可以把叶身型线修整的方式分为两大类，即精锻叶片型线修整和模 锻叶片型线修整。下面以精锻叶片靠近叶根型线修整为例，详细说明型线 修整的操作过程，其他型面型线以此类推。 2 3 2 1靠近叶根型面进气边型线修整方法如图2 5 所示，靠近叶根型 面部分，叶片扭曲翘起较高，为了防止出现倒勾影响出模，必须设置一定 的拔模斜度，一般取为7 0 ，具体修整过程如下： ( 1 ) 作背弧线的偏移( o f f s e t ) 线1 ，距离d l = i 5 3 m m ； ( 2 ) 作进气边小圆的o f f s e t 线2 ，距离d 2 - - - - 2 5 3 0 i t l l n ； ( 3 ) 作进气边小圆的o f f s e t 线3 ，距离d 3 = 5 8r a i n ： ( 4 ) 作内弧偏移线的延伸线4 ，与线3 相交； ( 5 ) 通过线3 、线4 的交点作水平线5 ： ( 6 ) 作线5 的o t i s e t 线6 ，距离d 4 = 2 5i n l l ； f 7 ) 作线l 的7 0 的相切线与线6 相交于b 点( 背弧端点) ，过b 点作垂 线与线5 相交于a 点( 内弧端点) ： ( 8 ) 作背弧的4 5 0 切线8 ； ( 9 ) 以4 5 0 线切点为起始点，以7 0 线与线1 切点为终点作线性包络线9 ： 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 ( 1 0 ) 作线4 和水平线5 的转接角r 3 r 5 。 图2 - 5 靠近叶根进气边的修整方法 f i g 2 5t r i m m i n gm e t h o do f e n t r a n c es i d eo f b l a d en e a rr o o t 2 3 2 2 靠近叶身中部型面进气边型线修整方法示意图如图2 - 6 所示， 靠近叶身中部随着扭曲逐渐变得较为平坦，当叶身最大厚度处于修整范围 以内时，要考虑从最大厚度处进行修整。 图2 - 6叶身中部型面进气边的修整办法 f i g 2 6t r i m m i n gm e t h o do f e n t r a n c es i d eo f b l a d en e a tt h em i d d l e 第2 章叶片锻件图设计及工艺参数计算 2 3 2 3 靠近叶冠型面进气边型线修整方法示意图如果最大厚度位于修 正圆范围内时，修整线起始点取在最大厚度与背弧型线的切点处，如图2 7 所示。 图2 7 靠近叶冠进气边的修整方法 f i g 2 7t r i m m i n gm e t h o do f e n t r a n c es i d eo f b l a d en e a rt o p 2 3 2 4 型