汽轮机动叶片五轴数控工艺毕业论文.doc

Southwest university of science and technology 本科毕业设计 论文 汽轮机动叶片五轴数控工艺设计 汽轮机动叶片五轴数控工艺设计 摘要 汽轮机叶片汽道型面数控加工是汽轮机叶片加工的关键工序之一 系统分析 了汽轮机叶片的结构 叶片从毛坯到最终成为产品的工艺过程和加工过程中使用到 的机床和检测方法 应用数控原理与五轴数控加工技术 设计分析汽道型面加工定 位原理 夹具的结构及夹紧原理 加工运动轨迹 在 Proe 软件环境下 编制对动叶片汽道型面加工五轴数控代码 并利用自带仿 真功能进行仿真分析 满足动叶片汽道型面五轴数控加工质量需求 关键词 汽轮机 动叶片 计算机辅助编程 CAM 汽道数控加工 NC Process Design of 5 Axis on Steam Turbine Blades Abstract The blade surface NC Machining of the steam turbine is the key procedure of steam turbine blade processing This paper introduces the structure of the turbine blade and the manufacturing process of blades from blank to products and machines and detection methods which are used in the process And this paper also introduces and the procedure of finish milling airway is designed in detail in the thesis including blade machining process localization NC code writing and movement locus of cutting tool On the basis of Proe this paper introduces the process of NC code writing and uses the built simulation capabilities for simulation then meets the quality requirements of the blade surface Keywords turbine blade CAM airway NC Machining 目 录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 汽轮机叶片相关发展 2 1 2 1 汽轮机叶片介绍 2 1 2 2 叶片毛坯制造相关发展 4 第第 2 章叶片的机械加工工艺过程章叶片的机械加工工艺过程 5 2 1 叶片工艺特点 5 2 2 动叶片加工工艺过程 5 2 3 动叶片加工工序内容 7 第第 3 章叶片汽道型面五轴数控加工工序设计章叶片汽道型面五轴数控加工工序设计 18 3 1 汽道加工方法分类 18 3 1 1 等截面直叶片加工 18 3 1 2 有成型规律叶片汽道加工 19 3 1 3 自由成型叶片加工 19 3 2 汽道型面加工工序内容 19 3 3 汽道型面加工定位原理分析 20 3 4 汽道型面加工夹具的结构及夹紧工作原理 21 3 5 汽道型面加工运动轨迹分析 23 3 6 汽道型面加工编程及加工代码分析 25 3 6 1 汽道型面加工编程 26 3 6 2 汽道型面数控代码及分析 29 结束语结束语 36 致谢致谢 37 参考文献参考文献 38 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 随着我国经济的快速发展 我国电力工业发展迅猛 到 2000 年底 我国发电设 备总装机容量为 3 19 亿 Kw 其中 火电装机容量占了 2 375 亿 Kw 占到总容量的 74 4 目前 我国的发电总装机容量和总发电量均为世界第二位 根据我国电力工 业发展的总目标 2011 年发电装机容量将达到 4 5 亿 Kw 2050 年我国装机容量将 达到 16 亿 Kw 其中 火力发电仍将占总装机容量比例超过 60 火力发电是将一次能源转化为二次能源 是消耗一次能源的大户 但是我国能 源的现状却不容乐观 人均能源占有量仅为世界人均量的 36 左右 同时我国的能 源利用率较低 目前仅为 32 左右 与发达国家的能源利用率 40 50 有着较大差 距 我国政府十分重视能源问题 提出了 节约与开发并重 近期把节约放在优先 发展的地位 的方针政策 同时加强节能工作的法制建设 大力推进节能降耗的技 术进步 使我国节能工作走向科学化 法制化的轨道 在当前能源十分紧缺的矛盾 下 提高火电行业的能量利用率 具有十分重要的意义 叶片广泛应用于汽轮机 压缩机和燃汽轮机等 起能量转换的作用 被认为是 汽轮机的 心脏 汽轮机中使用最多的一种零件就是叶片 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 叶片制造的所需时间约占汽轮机整 机的 1 3 夹具量占整机的 1 2 左右 成本占总机的 20 25 因此叶片在汽轮 机中的重要性是不可言语 故 提高叶片的设计水平和制造水平是一项重要的基础 工作 为了保证汽轮机的效率以及叶片在使过程用中的安全性 叶片的材料都非常特 殊 一般材料中含 V Ni N 等成分 硬度在 360HB 以上 强度 s0 02 为 800MPa 以 上 加工性较差 同时叶片汽道部分 通流部分 是一个光滑的空间曲面 其精度要 求高 加工难度大 特别是大型汽轮机末级叶片 其结构更为复杂 叶型扭转接近 90 角 叶身中部有两个空间的凸台 叶根圆角部分由几个变直半径圆弧构成 以 往的普通的三坐标或四坐标铣床都不能满足加工要求 目前叶片的加工一般使用五 轴加工中心代替传统的加工方法 新型五轴机床可以加工一般三轴数控机床所不能 加工或很难一次装夹完成加工的连续 平滑 这使得汽轮机叶片的数控加工形成了 新的飞越 使得拥有更多的加工手段加工复杂形状的叶片 同时叶片型面加工工艺 也得到了相当大的提高 工艺方法更加方便 提高了叶片加工质量和生产效率 减轻 了劳动强度 1 2 汽轮机叶片相关发展 1 2 1 汽轮机叶片介绍 a 汽轮机叶片组成及其作用 汽轮机叶片按功能作用的不同可分为静叶片 如图 1 1 所示 和动叶片 如图 1 2 所示 两种 静叶片与汽轮机静子相连接处于不动状态 作导向叶片 其作用 是改变汽流的方向 引导蒸汽进入下一列动叶片 动叶片安装在转子叶轮上 接受 喷嘴叶栅射出的高速汽流 把蒸汽的动能转换为机械能 使转子旋转 叶片装于转 子上 如图 1 3 所示 动叶片与汽轮机转子相连接 并随转子一起转动 是将汽流 的动能转换为有用功的极为重要的零件 图 1 1 静叶片 图 1 2 动叶片组成 动叶片的结构主要由叶根 叶身 叶冠 叶顶 等组成 如图 1 1 所示 1 叶身 叶身是叶片的基本工作部分 又被称为叶身型面 叶身结构复杂 多 为扭转自由曲面 如图 1 4 所示为叶片型面 叶身型面分为背型面 或背弧 内型 面 或内弧 出汽边圆角 进汽边圆角 叶冠圆角 叶根圆角 拉筋等几个部分 如图 1 1 所示 叶身型面是由若干个截面型线拟合而成的光滑复杂曲面 由一组等 距或不等距平行截面型线组成的空间扭曲面 其中叶身部分的横截面称为叶型 其 每一个横截面边缘叫型线 如图 1 5 所示 图 1 3 叶片装于转子 图 1 4 叶片型面 叶身可分为扭叶片 如图 1 6 所示 和直叶片 扭叶片是叶根到叶冠的型线不 规则 是变截面叶片 直叶片是叶根到叶冠的型线不变化 是等截面叶片 由于扭 叶片型面是由复杂的自由曲面组成 几何精度要求高 传统的加工方法无法满足叶片 加工的精度要求 因而其型面的加工是制约叶片生产效率和产品质量提高的瓶颈 图 1 5 出汽边型面 图 1 6 扭叶片 2 叶根 如图 1 7 所示 叶片通过叶根牢靠地固定在叶轮上 保证在任何条件下 叶片不会松动 叶根的作用是紧固动叶片 使其在经受汽流的推力和旋转离心力作用 下 不至于从轮缘沟槽里拔出来 3 叶冠 叶片外端的固定则称为叶冠 汽轮机的叶冠部分通常装有围带 它将若 干个叶片联接成叶片组 围带的主要作用是 1 围带联接后 使叶片刚性增加 2 可以使叶片构成封闭槽道 并可装置围带汽封 减少叶片顶部的漏汽损失 图 1 7 叶根结构形状种类 b 汽轮机叶片与叶轮的装配 如图 1 8 所示 叶轮的结构一般由轮体 轮面 轮缘和轮壳三部分组成 轮壳 是叶轮套于主轴上的配合部分 其结构取决于叶轮在主轴上的套装方式 为了保证 轮壳有足够的强度 轮壳部分一般都要加厚 轮缘用来固定叶片 具体结构与叶片 的受力情况及叶根形状有关 轮体是叶轮的中间部分 它起着连接轮缘与轮壳的作 用 其断面应根据受力情况来确定 叶轮按其轮体的断面型线可分为以下四种 双 曲线叶轮 等厚度叶轮 等强度叶轮和锥形叶轮等 叶片的叶轮与叶根装配 如图 1 9 所示 图 1 8 叶轮结构 图 1 9 叶片的叶根与叶轮装配 1 2 2 叶片毛坯制造相关发展 汽轮机叶片通常采用耐热合金加工 60 年代在铸造汽轮机叶片上成功的使用了 定向结晶技术 浇铸后 将铸模放在可控制温度梯度的冷却装置内 使熔融金属依 次逐渐凝固 可以得到沿叶高为柱状结晶的叶片 定向结晶叶片的材料通常是 Ni 基 合金 其中加入 Cr W Co Al Ti 并有 1 5 2 0 的 Hf 及 0 05 0 1 的 Zr 美 英发展的定向凝固合金的牌号有 Mar M200 Hf Mar M247 PWl422 等 70 年代后期铸造单晶汽轮机叶片得到了广泛的应用 由于这种叶片材料中没有 晶界 其热安全性与蠕变强度更高 使汽轮机前的工作温度可以提高 61 91 单晶叶片的材料也是 Ni 基合金 内加入 Cr W Co Al Ta 等元素 使用比较多的 材料牌号有美国的 PWAl480 PWAl484 英国的 SRR99 等 我国也已研制成功 DD3 单 晶合金 正待推广应用 单晶叶片使用寿命可以比柱晶叶片提高 2 4 3 倍 但其制造成本为柱晶叶片的 1 9 2 倍 铸造废品率也很高 据报道 无任何结构偏差的单晶叶片合格率仅为 11 26 为适应复杂的冷却内腔的设计要求 正在研究一种用两个半片焊接而成的汽轮 机工作叶片 叶盆与叶背每一个半片先用失腊法铸出 用机械加工或电解加工的方 法在内腔的一面加工出内腔的凹槽 然后在两个半片间放入一片厚仅 0 05mm 的与叶 片材料相同的合金薄片 将叶片两半拼合 将拼合件在保护气氛中加温到 1100 1200 保温并施加 0 35 1 05atm 的压力 使之在接触压力下熔融扩散 将两个半片以扩散焊连接成为一整体 第 2 章叶片的机械加工工艺过程 2 1 叶片工艺特点 叶片一般都处在高温 高压和腐蚀的介质下工作 动叶片还以很高的速度转动 在大型汽轮机中 叶片顶端的线速度已超过 600 因此叶片还要承受很大的 离心应力 叶片的主要特点是 材料中含有昂贵的高温合金元素 加工性能较差 结构复 杂 精度和表面质量要求高 品种和数量都很多 叶片的种类繁多 但各类叶片均 主要由两个主要部分组成 即汽道部分和装配面部分 因此叶片的加工也分为装配 面的加工和汽道部分的加工 装配面部分又叫叶根部分 它使叶片安全可靠地 准 确合理地固定在叶轮上 以保证汽道部分的正常工作 因此装配部分的结构和精度 需按汽道部分的作用 尺寸 精度要求以及所受应力的性质和大小而定 由于各类 叶片汽道部分的作用 尺寸 形式和工作各不相同 所以装配部分的结构种类也很 多 有时由于密封 调频 减振和受力的要求 叶片往往还带有叶冠 或称围带 和拉筋 或称减震凸台 叶冠和拉筋也可归为装配面部分 汽道部分又叫型线部分 它形成工作气流的通道 完成叶片应起的作用 因此汽道部分加工质量的好坏直接 影响到机组的效率 由于叶片的形式 结构 种类 大小等的差异比较大 因此加工方式 机床 工艺流程也不同 但从总体上来说 按叶片的毛坯形式来划分可分为 方刚叶片加 工工艺 模锻叶片加工工艺 精铸叶片加工工艺 方刚叶片加工工艺主要是针对叶 片汽 气 道长度在 300mm 以下的各种动叶片和静叶片 模锻叶片加工工艺要是针 对叶片汽 气 道长度在 300mm 以上的各种动叶片和静叶片 精铸叶片加工工艺主 要是针对一些静叶片和特殊叶片 如空心叶片 的加工方法 2 2 动叶片加工工艺过程 根据以上特点现制定出一下机械加工工艺过程卡片 2 3 动叶片加工工序内容 本零件的加工十分复杂 总共 42 道工序 具体加工工序内容如下 1 来料 该叶片毛坯来料为六面体的方钢 来料时必须按工艺上要求检查方钢尺寸的长 宽 高和直线度 并根据同一级不同的种类叶片分开装入专门的转运箱中方可投入 生产车间 本工序中 必须保证方钢尺寸 如图 2 1 长 208mm 宽 54 5mm 高 44mm 2 铣一平面 该平面为叶片内背平面 方钢长宽形成的平面 中的任一面 用于叶片的内背 平面是重要面 为了保证其加工余量均匀 所以粗基准选择叶片内背平面中的任一 面 因为加工面积比较大 所以用立式铣床 X52 进行铣削 来料由于是方刚毛面 六个面均带有黑皮 当加工一个面后的测量也是比较粗糙的 因此通常在该工序中 图 2 1 坯料尺寸 要求光出表面不见黑皮即可 加工毛坯时 将要加工的一面正对主轴 并与主轴垂 直 以保证工件切削的精度及平面度 因为是粗加工 所以切削用量可以选择大一 点 刀具采用直径为 160 的可转为面铣刀 用于毛坯为方钢 所以工件的夹紧直 接可以用机床自带的平口虎钳 加工时主轴的转速保持在 250 300r min 进给率 保持在 F200 左右 加工完成之后 根据工序图 如图 2 2 加粗的线为本工序加工 面 的要求 采用刀口直尺检验平面度 游标卡尺检验尺寸 在已加工面上做标记 采用标刻机在指定位置刻上产品的名称和流水作业号 叶片一但刻有编号后 既方便对叶片的识别也方便对叶片的追述 叶片在加工过程 中需要按编号对尺寸等进行记录 叶片全部加工完成后如有出入可以追查问题出现 的环节 3 铣一侧面 第一平面加工完成之后 以该面为精基准 加工一侧面 方钢长宽方向形成的 平面 同样因为加工面积比较大 所以用立式铣床 X52 进行铣削 加工毛坯时 将 要加工的一面正对主轴 并与主轴垂直 以保证工件切削的精度以及与第一平面的 垂直度 切削用量和刀具同前一工序铣一平面相同 加工完成之后 根据工序图 如图 2 3 的要求 采用 90 度角尺检验垂直度 游标卡尺检验尺寸误差 铣另一侧面 本工序以前一工序 铣一侧面 加工的侧面作为定位基准 以保证工序卡片要 求的两侧面的平行度要求 同样因为加工面积比较大 所以用立式铣床 X52 进行铣 削 切削用量和刀具参数同上工序 铣一侧面 加工完成之后 根据工序图 如图 图 2 2 铣一平面工序图 2 4 的要求 采用游标卡尺检验尺寸误差和平行度要求 4 磨两侧面 本工序是对前两道工序加工的两侧面进行精加工 磨两侧面的作用主要是为了 提高基准面的加工精度 因为后工序的加工都要以这两个面为基准 先将已经加工 过的一个面放在永磁吸盘上 永磁吸盘固定在平面磨床工作台面上 扭动开关 使 工件固定在吸盘航 启动磨床 调整好高度对另一个已加工面进行磨削操作 直至 整个面都平整光滑 没有凹点 在加工另一个面时 要先对没有精加工的一个面进 行试磨 然后测量尺寸 然后再调整磨床上的旋钮 以保证切削精度 在完成本道 工序的过程中要及时清洁永磁吸盘表面 否则就不能保证工件的切削精度和平面度 而且会留有压痕 在调整磨床高度的过程中 每次进给量不超过 0 03 要不定时的 用游标卡尺检测尺寸 工序尺寸要求见图 2 5 5 铣另一平面 本工序加工的面是与第一平面相对的面 方钢长宽形成面 以加工精度极高 的两侧面为定位基准 以保证平面和侧面的垂直度要求 由于工序要求加工表面粗 糙度为 3 2 加工方法属于半精铣 机床 装夹定位和刀具参数同工序 10 铣一平面 一致 切削用量相对粗加工有所变化 加工时主轴的转速保持在 2000 3000r min 进给率保持在 F200 左右 每次切削深度为 0 6mm 加工完成之后 根 据工序图 如图 2 6 的要求 采用游标卡尺检验尺寸误差 90 度角尺检验垂直度 图 2 4 铣另一侧面图 图 2 5 磨两侧面工序图 6 精铣第一平面 本工序加工方法和检测方法同工序 30 铣另一平面的要求一致 工序图见图 2 7 7 粗铣两端面 本工序是对毛坯方钢六个面中最后两个面进行加工 从工序图 图 2 8 中可 以看出这两个面的位置精度和尺寸精度要求都很高 由于要求两端面与侧面和第一 平面的垂直度要求 所以根据基准重合原则 选择侧面和侧面作为定位基准 由于 两端面有平行度要求 需要一次性加工 再加上尺寸大 所以采用龙门铣床 X2532 加工 工件定位装夹采用平口虎钳即可 刀具采用 160X25 的三面刃铣刀 加工时 主轴的转速保持在 200 300r min 进给率保持在 F200 左右 8 精铣两端面 图 2 6 铣另一平面工序图 图 2 7 精铣第一平面工序图 图 2 8 粗铣两端面 本工序是对工序 40 粗铣两端面的精加工 机床 装夹定位和刀具和上一工序 完全一样 精加工相对于粗加工而言 切削用量有所变化 加工时主轴的转速保持 在 2000 3000r min 进给率保持在 F200 左右 切削深度为 0 1mm 加工完成之后 根据工序图 如图 2 9 的要求 采用游标卡尺检验尺寸和平行度误差 90 度角尺 检验垂直度 在方钢已加工过的侧面长度方向上做出出汽边标记符 以便于加工 9 打中心孔 叶片的汽道型线部分需要在数控机床上加工 加工时需要叶片作旋转运动 对 于小叶片来讲叶片的变形不大 因此可以采用一端驱动而另一端用顶针顶住即可 对于长叶片如果采用两端都驱动 即双驱 则可以不打顶针孔 10 预铣叶根 本工序为粗铣叶根做准备 从工序图 图 2 10 中可知 本工序的工序基准 为标有出汽边标记符的侧面 根据基准重合原则 选取该面为主要定位基准 工件 加工尺寸较小 使用卧式铣床 X62 刀具 2279 004 和 2279 007 进行去余量加工 加工时主轴的转速保持在 200 300r min 进给率保持在 F200 左右 加工完成之后 根据工序图 如图 2 10 的要求 采用游标卡尺检验尺寸和平行度误差 90 度角尺 检验垂直度 图 2 9 精铣两端面 图 2 10 与铣叶根工序图 11 叶根加工 叶根加工涵盖粗铣叶根 精铣叶根 铣叶根圆弧 粗铣叶根凹槽和精铣叶根凹 槽 5 道工序 图 2 11 所示为动叶片 T 型外包叶根 其中 T B 尺寸公差紧 难以保证 A t 尺寸是从基准面给出的尺寸 容易保证 b 尺寸为台阶尺寸 必须靠刀具保证 h h1 和 h2 尺寸互相关联 因此通过尺寸链来保证 选用双轴凹槽专用铣床 专用凹槽铣刀 两把刀同时加工可保证 T t 尺寸 如图 2 12 所示 选用双轴龙门铣床及型线铣刀进行精铣叶根 可保证 A B b 尺寸 如图 2 13 所示 根据叶根加工的工艺分析 拟定出加工叶根的工艺过程 图 2 14 12 内弧叶冠处去余量 由工序图 图 2 15 可知 本工序是加工一个 R62 5 宽度为 25 的圆弧槽 因 此可以使用卧式铣床 X62 用 125 25 的铣刀一次成型 加工过程中注意出汽边标 图 2 11 T 型外包叶根图 2 12 加工叶根凹槽 图 2 13 线性铣刀加工叶根 图 2 14 叶根加工工艺过程 记符以及不同级别和类型叶片的定位数据的不同 由于工序比较简单 直接使用平 口虎钳即可定位 加工方法为粗铣 加工时主轴的转速保持在 200 300r min 进 给率保持在 F200 左右 加工完成之后的零件形状如图 图 2 16 加工完成之后 根据工序图 如图 2 15 的要求 采用游标卡尺检验尺寸误差 13 内弧去余量 根据零件图可知 该叶片汽道成型规律为斜铣成型 为了使得在汽道加工时余 量较为均匀 还需增加荒铣工序 此工序的加工尺寸是根据汽道成型最终尺寸放量 所得 所加工型线与汽道内弧型线相似 详细数据见工序图 2 17 该工序使用数 控立式铣床 X53K 专用夹具 8310 053 并将机床主轴旋转 45 度 以方便成型 图 2 15 内弧叶冠处去余量工序图 图 2 16 内弧叶冠处去余量加工成型后零件形状 图 2 17 内弧去余量工序图 14 背弧出汽边倒角 为了使得汽道背弧加工时余量较为均匀 提高加工效率 减少刀具磨损 所以 要进行背弧出汽边倒角 使用专用夹具 8160 017 装夹工件 让叶片的棱面与主轴相 对 使叶片的侧面与主轴成 125 度 便于一次性使用立式铣床 X52 加工成型 加工 过程中注意出汽边标记符 图 2 18 中红色标记面 加工方法为粗铣 加工时主轴的 转速保持在 200 300r min 进给率保持在 F200 左右 加工完成之后的零件形状如 图 图 2 18 根据工序图 如图 2 19 的要求 采用游标卡尺检验尺寸误差 15 背弧进汽边倒角 本工序加工方法 刀具参数和切削用量同前一工序 本工序尺寸要求见图 2 20 图 2 18 叶片背弧出汽边倒角 图 2 19 叶片背弧出汽边倒角工序图 图 2 20 叶片背弧进汽边倒角工序图 16 粗铣叶根及叶冠背径向面 本工序为粗铣叶根及叶冠背径向面 从工序图 2 21 可知实际为加工一斜面 可以采用普通立式铣床一次加工成型 夹具采用平口虎钳和带角度的垫块 正弦规 垫 4 689 然后开始铣削调试 调试时要注意叶根的厚度 以及有无动叶片和末叶 片的区分 两者要分开铣削 测量时采用正弦规测量 将正弦规放在在测量台上 在正弦规的一个脚下方垫固定高度的量块 使叶片背径向面与水平面成 1 20 36 加工时主轴的转速保持在 200 300r min 进给率保持在 F200 左右 17 精铣叶根及叶冠背径向面 本工序是前一工序的精加工 所用机床和夹具以及位置均改不变 只是切削用 量相对于粗加工有所调整 加工时主轴的转速保持在 2000 3000r min 进给率保 持在 F200 左右 加工完成之后 叶片形状见图 2 22 18 粗铣叶根 叶冠内径向面 本工序是铣叶根内径向面 其加工方法同加工背径向面相同 唯一不同的是叶 图 2 21 粗铣叶根及叶冠背径向面工序 图 图 2 22 精铣叶根及叶冠背径向面 根内径向面和叶冠内径向面分别使用立式铣床 X52 加工 使用正弦规垫 9 375mm 将背径向面垫起 使内径向面与水平面成 1 20 36 加工时主轴的转速保持在 200 300r min 进给率保持在 F200 左右 加工完成之后 根据工序图 如图 2 23 的要求 采用游标卡尺检验尺寸误差 90 度角尺检测垂直度 正弦规检测内 径向面与背径向面角度误差 19 精铣内径向装配面 本工序是对前一工序粗铣叶根 叶冠内径向面的精加工 由于内径向装配面涉 及到装配 精度要求高 所以在精加工时 需要用加工中心 YNC 72 一次成型 其夹 具和装夹同上一工序完全相同 使用切削用量相对上一工序有所变化 加工时主轴 的转速保持在 2000 3000r min 进给率保持在 F200 左右 汽道的加工比较复杂 下面有一章对其进行了详细的介绍 20 铣叶顶销孔 本工序比较简单 只需要加工一个孔 故可用普通卧式铣床 X62 进行铣削 使 用平口虎钳和专用夹具 8298 070 装夹 使工件的加工面正对主轴 用 5 2 的直柄 麻花钻钻削 加工完成之后 根据工序图 2 24 使用游标卡尺检验相应的尺寸误 差 图 2 23 粗铣叶根 叶冠内径向面 图 2 24 铣叶顶销孔工序图 21 钳工锉削 由钳工对叶片的部分有圆弧的地方进行精修 要保证叶顶部 进出汽侧斜度与 叶冠连接处平直且圆滑自然 22 抛光内背弧型线及圆角 用抛光机对精加工后的内背弧型线及圆角进行抛光增加叶片表面光洁度 试抛 后要用内背弧样板对型线进行测量 最后 按照产品图样及工艺规程进行检验 以上工序完成之后 就完成了如图 2 25 的叶片加工 图 2 25 叶片模型 第 3 章叶片汽道型面五轴数控加工工序设计 叶片是汽轮机的主要部件之一 尤其它的汽道部分决定了汽轮机的发电功率 直接影响汽轮机产品的质量和工作效率 因此 叶片汽道的加工应满足下列技术要 求 保证汽道本的型线精度及各截面的相对位置精度 保证汽道型面与叶根的相对位置精度 由于汽道型面是由复杂曲线组成的空间曲面 要保证它的加工精度就不得不采 用专门的加工方法 叶片的机械加工量约为透平机组加工量的三分之一 而汽道的 加工量约占叶片加工量的二分之一 汽道的加工需要许多复杂的工装 夹具 量具 和专用机床 因此叶片的加工水平往往可以用汽道加工的水平来衡量 3 1 汽道加工方法分类 叶片汽道型线部分有三种形式 有成型规律叶片 等截面直叶片和自由成型叶 片 等截面叶片型线沿叶片高度形状相同 有成型规律叶片 如斜铣叶片型面 斜 铣型线由相同半径的圆弧组成 圆弧中心连线对座标轴线的投影又相同 汽道的结 构中心线和对称中心线在 XOZ YOZ 两平面的夹角等于常数 所以能用一型线刀具 型线铣刀 沿着汽道结构中心线的方向运动 加工出各截面所需要的型面来 叶 型的特点是沿汽道高度上各截面型线都不相同 因此不能用成型铣刀加工 只能采 用仿型加工 自由成型叶片 比如由座标点组成的扭曲叶片型面 此类叶型的特点 是沿汽道高度方向上各截面型线都不相同 故不能用成型铣刀加工 只能用仿型加 工 这种叶片在强度和气动性能方面都能最大限度地满足设计要求 但是其加工难 度较大 以下是对各种叶片型面加工的方法的简单介绍 3 1 1 等截面直叶片加工 1 铆接围带动叶片加工 由于内弧是由 r 成的型线 加工可用普通铣床和圆柱 铣刀来完成 采用卧刀法 铣刀直径 d 2r 当汽道高度 l 60 mm 时 可采用捅铣加 工以提高加工精度和刀具寿命 2 自带围带动叶片 采用卧刀法 但铣刀轴径 d0 受到围带高度的限制 如果 d0 过小 叶片设计应修改 使围带向背弧方向偏移 3 1 2 有成型规律叶片汽道加工 a 斜铣叶片加工 加工方法 普通卧铣床 专用夹具及型线铣刀 叶片斜铣结构线与机床工作台 纵向进给方向一致 型线铣刀从叶顶向叶根方向吃刀 b 斜铣加靠模叶片加工 加工方法 卧式液压仿形铣床 专用夹具 靠模板加型线铣刀 叶片的 C C D D 截面间的一段斜铣结构线与机床工作台纵向进给方向一致 在机床进给过程 中垂直方向液压仿形铣头在特定的靠模板做上 下仿形运动来满足分段方向吃刀 c 扭曲叶片 3 1 3 自由成型叶片加工 a 普通立式数控机床 加工方式 横向扫描和纵向扫描 抛光量 0 03 0 04 mm 波谷处 b 普通卧式数控铣床 加工方法 拉铣与横向扫描相结合 c 五联动加工中心 五联动加工中心是目前最先进的叶片汽道加工专用装备 由于所用刀具全部采 用硬质合金 高速切削 8000 1 0000 转 min 而且该机床设计性能允许大余量 切削 即粗加工去余量 所以工效可大大提高 切削方式 五轴联动可使刀具始终 处于最佳切削状态 切削力最小 由于刀尖切削 又由于工件进给方向保证主切削 力始终沿型面方向 即叶片刚性较好方向 所以工件弹性变形小 为了保证叶片汽道质量 本工序中使用五轴联动数控机床加工叶片汽道 3 2 汽道型面加工工序内容 本工序使用 HX 151 五轴联动加工中心 加工部位为汽道型面和内背弧各处圆 角如 图 3 1 中加粗部位 使用传动盘 8660 059 时 卸下底部定位块 8660 059 10 换上 8298 459 卸下定位螺钉 8660 059 02 换上 B297 279 以内径向面定位加 工叶片 粗铣为精铣单面留 0 5 0 8 的加工余量 各截面间光滑过渡 不允许有明 显凹凸 型线波峰波谷只差小于 0 05 表中所示为波谷值 型面精加工后不留抛光 余量 汽道型线与样板见漏光间隙 内弧 出汽边不大于 0 10 中间不大于 0 25 进汽边不大于 0 15 背弧 出汽边不大于 0 15 中间不大于 0 30 进汽边不大于 0 25 其余见产品图 型线图及相关工艺规程 注意加厚片标记符 注意出汽边标 记符 下图 图 3 2 为此工序结束时零件的形状 图 3 1 铣汽道型面及圆角 图 3 2 汽道型面加工完成后叶片形状 汽道部分的加工工作量比较大 要求对叶片进行数据处理 造型 加工部位的 划分 加工方式的选择 使用刀具的选择 加工轨迹的数据转换等 加工工步也比 较多 通常完成该工序的加工需要十多个工步 但基本的加工部位有 汽道 叶根 圆角 叶顶圆角等 对每个部位根据余量情况和过渡圆角大小还须分成几次完成 图 3 3 为用 proe 加工汽道部分的加工轨迹 该方式为采用螺旋式进给加工 加工完 该工序后对叶片的检查采用综合量具和三座标检测 三座标检测是首件的检查和加 工过程中抽检 每件叶片要求用综合量具检查 图 3 3 汽道加工轨迹 3 3 汽道型面加工定位原理分析 在叶片的结构中 汽道最为复杂 加工难度最大 其加工质量对整个汽轮机 的发电效率和运行状况的影响也最大 所以 在加工过程中必须很好地保证叶片与 刀具的位置精度 故需要对零件进行定位 定位的目的是使工件在夹具中相对于机 床 刀具都有一个确定的正确位置 一个自由的物体 对空间三个相互垂直的坐标 系来说 有六种活动的可能 分别为 X Y Z 轴方向的移动和转动 如图 3 4 因 此空间任一自由物体共有六个自由度 若使物体在某方向上有确定的位置 就必须 限制该方向上的自由度 所以要使工件在空间中处于相对固定不变的位置 就必须 对其六个自由度加以限制 限制的方法用相当于六个支撑点的定位元件与工件的定 位基准面接触 如图 3 5 在低面 XOY 内的三个支撑点限制了绕 X Y 方向的转动 和 Z 方向上的移动 在侧面 YOZ 内的两个支撑点限制了 X 方向的移动和 Z 方向的 转动 在端面 XOZ 内的一个支撑点限制了 Y 方向上的移动 图 3 4 图 3 5 如图 3 6 所示 零件 1 为夹具体的定位元件 其中 A 面为叶片的主要定位基准 限制了叶片 X Y 方向上的转动和 Z 方向上的移动 B 面为叶片的导向定位基准 限制了叶片 Y 方向上的移动和 Z 方向的转动 C 点为叶片止动定位基准 限制了叶 片 X 方向上的移动 由此 叶片的 6 个自由度都得到了完全的定位 故叶片完成了 的初步的定位 图 3 6 叶片汽道加工夹具 3 4 汽道型面加工夹具的结构及夹紧工作原理 为了使工件加工时在切削力 惯性力 重力等外力作用下仍然保持已定好的位 置 在夹具上还必须设有夹紧装置对工件产生适当的夹紧力 夹紧装置的设计和选择是否正确 将直接影响工件的加工质量和生产率 因此 对夹紧装置提出了一下要求 夹紧动作要准确迅速 操作方便省力 加紧安全可靠 结构简单 易于制造 夹紧力包括力的大小 方向和作用点 这三要素是夹紧装置设计和选择的核心 问题 a 夹紧力的方向 夹紧力的方向不能破坏零件定位的准确性 夹具 如图 3 6 中每颗螺钉的夹 紧力方向都有利于零件的准确定位 夹紧力的方向应指向零件的定位基准 夹具中螺钉 2 4 指向主要定位基准 螺钉 6 指向止动定位基准 夹紧力的方向应与零件的最大刚度方向一致 以减小零件的变形程度 夹紧力的方向应尽量与切削力和重力方向一致 以减小夹紧力的大小 b 加紧力的作用点 夹紧力的作用点应正对定位元件或者在定位元件形成的支撑面内 避免零件 扭转 螺钉 2 4 6 都在定位支撑元件形成支撑平面内 有效地防止了零件的转动 夹紧力的作用点应在零件刚度最好的部位 以减少加紧变形 夹紧力的作用点应尽量靠近加工面 以减少零件的振动 夹具中螺钉 2 4 6 都非常靠近将要加工的汽道 有效地减少了叶片在加工过程中的振动 c 夹紧力的大小 为了使工件在加工过程中保持定方位后的正确位置 对工件施加的夹紧力不仅 与其方向和作用点的位置 数目有关 更重要的是与其大小有关 夹紧力过大 会 引起工件变形 达不到加工精度要求 而且使夹紧装置结构尺寸过大 造成结构不 紧凑 夹紧力过小 会造成夹不牢工件 加工时易破坏定位 同样也保证不了加工 精度要求 甚至还会引起安全事故 因此 必须对工件施加适当的夹紧力 夹具中常用的夹紧装置有楔块夹紧装置 螺旋夹紧装置 偏心轮夹紧装置和定 心轮夹紧装置等 每种夹紧装置各有其优缺点 综合分析 虽然偏心夹紧装置比螺旋夹紧装置夹紧迅速 但是其夹紧行程小 夹紧力小 结构复杂 因此 在切削力大的汽道加工中不适合采用 同样 楔块夹 紧装置由于结构复杂 体积庞大在本工序也不适用 故采用结构简单的螺旋夹紧装 置 如图 2 6 所示 夹具中螺钉 2 4 6 都是螺旋夹紧机构 方便简单 将叶片准确地固定在夹具 上 同时 螺钉 7 8 也是螺旋夹紧装置 它们的作用相当于夹具连接元件 起着将 夹具和机床准确固定的作用 动叶片夹具设计保证了工件切割部位位于机床工作台纵向 横向进给的允许范围 之内 同时也考虑装夹位置有利于工件坐标原点找正 再者对固定工件的作用力均匀 不影响加工精度 3 5 汽道型面加工运动轨迹分析 在前面的内弧去余量 背弧出汽边倒角和背弧进汽边倒角等几道工序中已经完 成了汽道的去余量加工 使得接下来进行的汽道粗加工 半精加工和精加工加工余 量均匀 从而减小了工艺系统的变形和误差复映系数 在三轴数控加工中 刀轴方向始终不变 没有摆动坐标 其运动仅由刀位点确定 会造成刀具和工件的加工状态不好 特别在加工复杂空间曲面时 很容易造成刀具 与被加工曲面的干涉 为了避免刀具与工件发生干涉 过切等现象 一般使用球头 刀进行加工 但在加工叶片型面时 由于球刀在曲面的不同位置的有效切削半径不同 在型面较为平坦的位置其有效切削半径几乎为零 导致在毛坯余量较大的时候型面加 工品质及效率大大降低 且会不同程度的留下一些不能加工的死角区 为后续的修 磨和抛光工序加大了工作量 因此三轴加工只能用于叶片汽道的粗加工 故要完成 对叶身进行半精加工 精加工 就需要用四坐标以上机床完成 叶片的汽道加工一般是刀具沿着叶片的型线按照螺旋铣或者平行铣的方式加工 平行铣的刀具轨迹规划简单 可以根据给定的刀具横向进给量 添加多个与叶身垂 直的平面 D 平面 D 和叶身曲面的交线即为多条加工轨迹 轨迹间的连接可用跳刀 完成 下面介绍螺旋铣叶片半精加工 精加工刀具轨迹规划方法 如图 3 7 所示为叶片展开图 S0 S1 S2 S3 分别表示背弧 进汽边圆弧 内 弧 出汽边圆弧的边界线 图中左右两边曲线表示叶根 叶冠过渡面与叶身的交线 C0 Cn 是用户设置的半精加工 精加工的加工范围 可用叶身长度的百分比设置 图 3 7 半精加工和精加工到位轨迹展开图 首先根据给出的加工螺旋数 n 创建 n 1 条等距平面 C0 C n 刀具进入叶片后 沿着 C0 与叶身的交线轨迹切削一周 然后开始螺旋进给加工 如图 7 所示 刀具从 S0 与 C i 的 i 从 0 到 n 1 交点 Bi0 开始 在出汽边圆弧的 向运动 vi1 到达 Bi1 从 Bi1 开始在背弧的 v 向上运动 vi2 到达 Bi2 从 Bi2 开始在进汽边圆弧的 v 向上运动 vi3 到达 Bi3 从 Bi3 开始在背弧的 v 向上运动 vi4 到达 B i 1 0 螺旋进给依次从 C0 走到 C n 1 后 再沿着 C n 与叶身的交线轨迹上加工一 周退出加工 叶片型面加工完成之后将对过渡圆弧进行清根 在对叶片型面进行加工时 为 了避免刀具在叶根附近产生过切 常常在过渡面与刀具之间保留一段距离 因而在 构造清根加工轨迹时 不仅需要构造过渡面与叶身曲面交线的加工轨迹 而且需要 构造位于叶根附近部分的叶身加工轨迹 以保证清根加工轨迹与叶身加工轨迹的连 续性 一般采用指状刀具进行清根 通过刀具的侧刃加工出叶冠 叶根过渡面 因 此其侧倾角已经确定 过渡面为凹面时不同 图 3 8 清根刀位轨迹 图 3 9 数控机床加工汽轮机叶片流程图 3 6 汽道型面加工编程及加工代码分析 随着 CAD CAM 技术的发展 数控自动编程技术已经能实现直接将零件的几何信 息转化为数控加工代码 使得汽轮机叶片的数控加工程序的编制变为更加简单 目前 应用较成熟的 CAD CAM 软件有 Pro E UG Mastercam 等 它们的出现使得以往在四 五轴联动加工编程中存在的问题得到了解决 汽轮机叶片的数控加工流程主要分为 两大部分 1 CAD 的处理过程 2 数控机床的加工过程 主要加工内容为叶片的叶 片型面及叶身与叶根 叶冠的交接面 图 3 9 为数控机床加工汽轮机叶片工作流程 图 基于 Pro E 的叶片数控加工编程主要包括以下内容 1 叶片零件三维造型 2 确定叶片数控加工工艺方案 包括选择数控机床 夹具 刀具和量具等 3 刀位计 算并生成刀具运动轨迹 并生成刀位文件 4 通过后置处理程序将刀位文件转换成为 NC 代码 采用 Pro E 进行叶片的数控加工 其数控加工编程可由以下步骤来完成 在 Pro E 中生成了刀具轨迹并进行了加工仿真和干涉校验后 可以将加工数据和信息输 出成为刀位源文件 NCL 刀位源文件 NCL 主要包括加工坐标系信息 刀具信息 刀具位置和姿态信息以及各种加工辅助命令信息等 再经过后置处理器 将其转变为 机床能够接受的 NC 代码 也可以用数控机床自带的后处理程序进行后处理 在编制数控加工程序时 本着基准统一 减少走刀次数的原则 把叶片型面 叶 根与叶冠圆角 进出气边圆角的加工程序编制在一起 在叶片的加工中根据叶片加 工工艺的需要 零件坐标系的零点一般选择叶根的中心轴线 由于目前叶片型面设 计越来越复杂 精度要求越来越高 因此数控加工程序也越来越复杂 出现错误的概率 也因此而增加 通常情况下 可能出现以下问题 1 加工方案不合理 影响加工效率 2 刀具与工件之间发生干涉或碰撞 3 刀具参数设置不当 如刀具半径选择过大 则零件加工不完全 出现大的残留 刀具半径选择过小 则切削效率较低 4 刀具走 刀路线 进退刀的方式不合理 5 切削参数选择不当 如主轴转速 进给速度 步 距等选择不合适 6 刀位轨迹不正确 零件外形或尺寸错误 7 零点选择不恰当 无 法找到对刀点 这些问题的出现往往会给实际零件的加工造成很多麻烦 诸如重新编 制加工程序 加工后必须打磨零件 返修零件或工装 零件报废 延迟产品交付等 为避免上述问题出现 可利用 Pro E 软件加工仿真功能 预先模仿加工过程 这样在正 式加工前就可以发现问题 从而可提高加工准备效率 缩短程序调试周期 加快生产过 程 这不仅为叶片等具有复杂曲面的零件加工提供了一种新的加工设备和工艺方案 还为促进数控机床的产业化和实用化起到很好的推动作用 3 6 1 汽道型面加工编程 根据加工要求 利用 Pro E 数控模块 CAM 对叶片汽道进行五轴联动数控加工编 程 具体操作如下 首先进行数控机床 加工零点和退刀面设置 NC 机床设置为五轴数控机床 加 工零点设置为夹具对刀块中心 D 点 见图 3 6 退刀面为距加工零点上方 2mm 的水 平面 参数设置具体如图 3 10 图 3 10 数控机床 加工零点和退刀面设置 考虑到叶片质量 符合现代机加工少余量高速铣削的理念 所有工步都选用硬质 合金刀具 一般采用立铣刀 球头立铣刀 球头锥铣刀 带角圆的圆柱铣刀 环形刀 鼻型刀等加工 精铣汽道型面采用直径为 12mm 的球头立铣刀 刀具参数设置如图 3 11 图 3 11 精加工刀具设置 然后设置切削参数 由于叶片曲面扭曲弧度大 再加上本工序为汽道精加工 所以在设置切削用量时 宜取较大的切削速度 而不宜取较大的进给量和背吃刀量 因此 主轴速率设为 4000r min 进给速度为 200mm min 跨度为 0 3mm 其他切削 设置如图 3 12 精加工具体切削参数设置 图 3 12 精加工具体切削参数设置 最后是切削类型设置 Pro E 中提供了三种切削类型 分别为直线切削 自曲面 等值线和切削线 每种切削类型各有各的特点 对不同的曲面加工出来的效果也不 一样 直线切削还可以设置多种切削角度 相对其他两种切削类型 设置简单 表 面加工质量较高 故 叶片汽道型面精加工选择直线切削 具体设置如图 3 13 图 3 13 切削类型设置 完成以上设置之后即可在 Pro ECAM 中生成了刀具轨迹 图 3 14 同时进行加 工仿真和干涉校验 并将加工数据和信息输出成为刀位源文件 NCL 刀位源文件 NCL 主要包括刀具信息 加工坐标系信息 刀具位置和姿态信息以及各种加工辅 助命令信息等 图 3 14 精加工轨迹 最后需要经过后置处理器 将 NCL 文件转变为机床能够接受的数控程序 也可 以用并联机床自带的后处理程序进行后处理 Pro E 软件提供了各种复杂零件的粗 精加工 用户可以根据零件结构 加工表面形状和加工精度要求选择合适的加工类 型 在每种加工类型中包括了多个加工模块 如图 3 15 图 3 15 后置处理列表 3 6 2 汽道型面数控代码及分析 通过 Pro E 自带后置处理器处理之后 得到下面的 NC 代码 由于 NC 程序太长 下面仅将五轴联动机床精铣汽道部分开头和结尾部分的程序给出 在数控前加工之前 需设置工件坐标系 夹 具对刀点为图 3 16 中 D 点 在编程时已设 D 点 为工件坐标原点 即工 件坐标原点与对刀点重 合 启动机床 让五轴 数控机床旋转轴 B 回零 轴 A 旋转到 90 度 然后 利用对刀仪校正 XY 轴坐 标 具体做法如下 1 利用手动进给轮 移动 XYZ 轴 使对刀仪 球面直径为 10mm 的球面与 F 面接触 然后保持其他轴不 变 移动 Z 轴 使对刀仪远高于 E 面 避免撞刀 X 方向移动 5mm 清零 X 坐标 图 3 16 工件坐标系 2 同样做法 使对刀仪的球面与 G 面 接触 然后保持其他轴不变 移动 Z 轴 使对刀仪远高于 E 面 避免撞刀 Y 方向 移动 5mm 清零 Y 坐标 3 将对刀仪换成需要使用的刀具 主轴 正转 3000r min 移动 Z 轴使球头铣刀地面 与 E 面接触 清零 Z 坐标 然后将刀具移 动到 X0 Y0 Z20 B0 A0 运行 G92 X0 Y0 Z20 B0 A0 从而确定工件坐标系 编程 坐标系 打开冷却液 执行以下数控代码 图 3 18 为 VERICUT 仿真气道加工图 NC 文件 程序开头标志 N0000 T01 M06 N0005 S1000 M03 N0010 G00 X37 425 Y 086 B 106 299 A 637 N0015 Z 19 051 N0020 X58 358 N0025 Z 25 172 N0030 G01 X57 412 Z 22 415 F200 B 99 828 A 623 以 200mm s 的进给速