基于PROE汽轮机叶片数控加工工艺及其专用测具设计说明书

1、 目 录摘要1引言11 汽轮机与叶片简介21.1汽轮机的工作原理和汽轮机叶片的作用21.1.1 汽轮机的工作原理分析21.1.2 汽轮机叶片的作用21.2 SY33.200.017动（末）叶片介绍31.3 本文研究的主要内容42 基于PRO/E汽轮机叶片造型设计52.1 基于PRO/E叶片三维造型总体方案分析52.1.1 汽轮机叶片叶身的PRO/E造型52.1.2 汽轮机叶片叶根叶冠的PRO/E造型52.2 SY33.200.017叶片造型过程62.2.1叶片截面型线整理62.2.2叶片叶身造型72.2.3叶片叶根叶冠造型83 基于PRO/E汽轮机叶片数控加工工艺规程的制订93.1 汽轮机叶片

2、数控加工工艺总体方案设计93.1.1叶片毛坯方案设计93.1.2叶根加工工艺研究93.1.3 叶身型面加工工艺设计103.2 SY33.200.017叶片数控加工工艺设计104 PRO/E汽轮机叶片的数控加工编程124.1 叶片型面数控加工总体方案分析124.2 SY33.200.017叶片型面数控加工编程124.2.1 加工环境建立124.2.2 加工仿真144.2.3 NC程序生成165 汽轮机叶片型面专用测具设计165.1 汽轮机叶片型面检测总体分析165.2 SY33.200.017叶片型面专用测具设计175.2.1总体装配图与零件图展示175.2.2叶片型面测具设计过程186 课题总

3、结216.1 UG叶片建模思路216.2 UG叶片加工思路226.3 PRO/E与UG比较总结23致谢23参考文献24附录A：SY33.200.017叶片加工工艺工序卡片25图1 叶片型面测具总装配图26图2 叶片型面测具零件图27图3 SY33.200.017叶片动叶成品图28基于PRO/E汽轮机叶片数控加工工艺及其专用测具设计摘要：本课题主要研究了基于Pro/E软件的汽轮机叶片的数控加工工艺，而研究重点在于基于Pro/E的三维造型和数控加工工艺设计及其叶片型面专用测具和样板的设计。造型部分，详细讲解了如何运用Pro/E软件进行叶片整个的造型，依次从叶身、叶根、叶冠的造型进行详细讲解；加工工

4、艺部分，本文详细讲解了从毛坯-叶根-型面精加工-成形的工艺过程以及每步工艺的装夹方式；专用测具部分，详细讲解了型面测具的设计过程和型面样板的设计，并设计出了测具的三维模型以便分析；最后一部分将PRO/E与UG进行了对比，得出一条最佳叶片加工方法，进行总结。关键词：汽轮机叶片、数控加工工艺、三维造型、加工编程、型面测具CNC Machining Process design of the turbine blade based on PRO / E and its blade surface measurement tool DesignStudent majoring in manufactu

5、re Design of machinery and automation Guihua YangAbstract： This subject mainly studied NC machining process of turbine blade based on Pro/E software，and focuses on the Pro/E three-dimensional modeling and CNC machining process design and test of blade and special design of the model. In the first pa

6、rt，it explains how to use the software to finish the modeling of the leaves, leaf blade body from with detailed modeling. In the processing part，this paper explains in detail from the blank type surface finishing hub - forming process, and every step of the process clamping way. In special measure p

7、art， it explains in detail the design of measuring and face model design and the design of the 3d model, in order to analysis. Finally，it compares Pro/E to the UG software，get the best methods of the CNC machining process of turbine blade.Key words: Turbine blade；CNC Machining Process；Three-dimensio

8、nal modeling；Processing program；Measurement tool of Surface引言：目前，国内外汽轮机叶片造型加工主流应用软件是 CAD/CAM软件(如 UG、 PRO/E、 CAXAME等)，本设计将着重介绍运用Pro/E对汽轮机叶片进行造型和加工,为叶片的数字化设计制造(包括叶片型面的参数化设计、型面数控编程及型面测具设计)提供强大的技术支持 ,也为今后在汽轮机叶片动态性能及疲劳损坏形式等的CAE分析奠定基础。汽轮机叶片的型面从几何性质上分为两类：直纹面叶片和自由曲面叶片。叶片的设计方法决定了叶片型面的几何性质，采用直母线素几何设计方法得到的导向叶片

9、型面是直纹面，采用气动载荷设计方法得到的叶片型面是自由曲面。现在高转速叶轮大都采用气动载荷设计方法。直纹面叶片的造型方法相对简单，造型质量好。对于自由曲面叶片，目前造型结果存在许多问题，其造型方法有待进一步深入研究1。一般的CAD软件只突出了平面设计和规则曲面的造型功能，而ProE软件的突出特点是其强大的三维设计功能，而且其强大的曲面造型功能是其它软件所不能比拟的，所以本课题所进行叶片的实体造型的研究工作就是依据该软件而进行的。1 汽轮机与叶片简介1.1 汽轮机的工作原理和汽轮机叶片的作用1.1.1 汽轮机的工作原理分析汽轮机是将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后

10、，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同的方式进行能量转化，便构成了不同的工作原理的汽轮机，图1.1所示为正在安装之中的汽轮机，图1.2为汽轮机工作原理简单示意图。 图1.1 安装中的汽轮机 图1.2 汽轮机工作原理示意图汽轮机可以这样分类：.单级汽轮机：只有一个级组成的汽轮机；.多级汽轮机：由多个级组成的汽轮机；.冲动式汽轮机：喷嘴中膨胀，动叶中做功；.反冲动式汽轮机：喷嘴和动叶中各膨胀50%。汽轮机由汽缸、转子、联轴器、汽封、轴承、静叶片、动叶片等组成。汽缸就是汽轮机的外壳；转子是由合金钢锻件整体加工出来，所有转子都必须经过精加

11、工；联轴器是用来连接汽轮机各个转子以及发电机转子，并将汽轮机的扭矩传给发电机的；汽封可以防止由于转子和静体之间的间隙漏气，这样不仅会降低机组效率，还会影响机组的安全运行，因此运用汽封这种密封装置；轴承是汽轮机的一个重要组成部分，分为径向支持轴承和推力轴承两种类型，他们用来承受转子的全部重力并且确定转子在汽缸中的正确位置；静叶片，隔板用于固定静叶片，并将汽缸分成若干个汽室。动叶片，也就是本课题的研究重点之所在，它安装在转子叶轮或者转鼓上，接受喷嘴叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转，是汽轮机结构中非常重要的一部分。1.1.2 汽轮机叶片的作用汽轮机叶片是汽轮机中数量和种类最多

12、的关键零件, 其结构型线和工作状态直接影响能量转换效率, 因此其加工精度要求较高, 据统计, 叶片的制造工时约占汽轮机整机的1/3 , 其工装量约占整机的1/2 左右2。末级叶片所发功率约占整机的10% 15% , 改造1 台老机组的末级叶片往往可提高整机效率的1% 1. 5%; 次末级和末级两级动叶片的产值约占整机的3% 6%。所以, 大叶片占有汽轮机心脏的核心地位2。首先我们要了解下汽轮机叶片的结构，叶片一般由叶根、工作部分（或称叶身、叶型部分）、叶顶连接件（围带或拉金）组成。 a、叶根和叶冠（叶顶） 叶根是将叶片固定在叶轮或者转鼓上的连接部分，它应保证在任何运行条件下的连接牢固，因此要求

13、它与轮缘配合部分要有足够的强度且应力集中要小，同时力求制造简单、装配方便。它的结构型式取决于转子的结构型式、叶片的强度、制造和安装工艺要求和传统等，通常分为：、T形叶根，加工装配方便，多用于中长叶片，图1.3所示为典型T形叶根；、菌形叶根，强度高，在大型机上得到广泛应用，图1.4为典型菌形叶根结构；、叉形叶根，加工简单，装配方便，强度高，适应性好，图1.5为典型叉形叶根；、纵树形叶根，叶根承载能力大，强度适应性好，拆装方便，但加工复杂，精度要求高，主要用于载荷较大的叶片，图1.6为典型纵树形叶根结构。 图1.3 T形叶根叶片 图1.4 菌形叶根叶片 图1.5 叉形叶根叶片 图1.6纵树形叶根叶

14、片b、工作部分（或称叶身、叶型部分） 叶型部分是叶片的基本部分，它构成汽流通道。叶型部分的横截面形状称为叶型，其周线称为型线，叶片的叶身是由这些型线拟合而成的光滑的复杂曲面。叶型是叶片的工作部分，相邻叶片的叶型部分之间构成气流通道，蒸汽流过时将动能转换成机械能。为了提高能量转换效率，叶型部分应符合气体动力学要求，同时还要满足结构强度和加工工艺的要求。按照叶型部分横截面的变化规律，叶片可以分为等截面直叶片（如图1.7）、变截面直叶片、扭叶片、弯扭叶片（如图1.8）。等截面直叶片，其断面型线和面积沿叶高时相同的，加工方便，制造成本较低，有利于在部分级实现叶型通用等优点，但是气动性能差，主要用于段叶

15、片；变截面叶片，它包括叶根、叶冠、叶片型线，其进气边沿轴向倾斜，与已有的直叶片比较此叶片工作效率高，攻角损失小。 图1.7 等截面直叶片 图1.8变截面弯扭叶片1.2 SY33.200.017动（末）叶片介绍本课题以所选SY33.200.017动（末）叶片为例，研究其基于Pro/E的三维造型和数控加工工艺及其型面测具设计。由于此叶片在径向、轴向都有扭动（俗称“3D扭转叶片”），而且它的前缘和后缘曲率变化比较剧烈，因此。这种叶片实体是由许多曲面构成，同时对于叶片的表面质量还有很高的要求。设计情况如果不理想，或者设计精度不高，都会对后续的加工，以及整台汽轮机的效率、使用寿命和运行安全带来致命的影响

16、。如图1.9和图1.10分别为此动叶片和末叶片三维模型分析图。 图1.9 SY33.200.017动叶片 图1.10 SY33.200.017末叶片此动叶叶身长217mm，叶片全长284mm，根部截面宽度为55.25mm，叶根长59mm，叶根宽度60mm，末页叶根长71mm，叶冠长8mm，宽度48mm，尺寸图如下图1.11。图1.11 叶片总体尺寸此叶片与其他叶片一样，同样由叶根、叶型(或称叶身，工作部分) 和叶顶连接件( 也称叶冠) 组成,图1.12为SY33.200.017动（末）叶片的叶身部分。叶片通过叶根安装在叶轮或转鼓上,此叶片叶根结构形式是T 形。叶型选取典型的8个横截面为研究对象

17、, 也就是要研究8个界面截面型线，图1.13表示出了次叶片的8个研究截面型线示意图，叶片的叶身是由这些型线拟合而成的光滑的复杂曲面。 图1.12 SY33.200.017叶片 图1.13 SY33.200.017型线1.3 本文研究的主要内容本课题主要研究了四个部分的内容，第一部分是基于PROE软件的汽轮机叶片三维造型；第二部分是叶片的数控加工工艺流程设计；第三部分是基于PROE的汽轮机叶片叶型的数控加工编程；第四部分是叶片型面检测专用测具设计。文章还比较了PROE软件和UG软件对叶片的三维造型和数控加工，分析各自的优缺点，得到一条叶片造型到加工的最佳路线。2 基于Pro/E汽轮机叶片造型设计

18、2.1 基于Pro/E叶片三维造型总体方案分析由于此类叶片是3D变截面扭转叶片，造型过程比较复杂，尤其是叶型的造型，难就难在叶型的截面难以获得。目前,叶型特征截面的型线表达方式主要有两种,一种以公式曲线的形式给出,如给出圆弧连接点及圆弧半径数据的,由若干圆弧段构成的型线(如国内的红旗型、型) ;另一种则以一系列离散点数据用列表型线形式给出，而本课题用的方法是后者。因此Pro/E对叶片的造型总体方案可由下图2.1简要表示出来：图2.1 基于Pro/E叶片三维造型总体方案图2.1.1 汽轮机叶片叶身的Pro/E造型在叶片典型截面型线得到之后下面正式进入Pro/E软件的叶片造型过程当中。首先我们要对

19、叶片的工作部分即叶型部分进行造型，因为此部分为叶片造型的重点也是难点，过程比较复杂，也比较容易出错。大概可以分为一下几个步骤：（1）、草绘基准的选择选择合适的基准轴和基准面为以后的叶根叶冠造型以及后面的数控加工做好准备。（2）、截面草绘由于截面曲线的复杂性，直接在基准平面上完成各截面的草绘工作不容易进行，而且一旦某个截面出现不封闭的情况，会使整个造型工作混乱无序，为此，选择分别绘制各个截面型线，并将其存储为不同的草绘文件，在混合成型时直接调入草绘文件即可。在绘制过程中发现，各圆弧连接点经常不连续，从而造成整个截面的不封闭，可采用加入约束的方法解决此问题。（3）、边界混合成型运用Pro/E里面的

20、边界混合成形工具生成封闭的叶片曲面，然后进行实体化。2.1.2 汽轮机叶片叶根叶冠的Pro/E造型紧接着进行的就是叶根叶冠的实体造型，叶根叶冠的形状相对来说比较规则，可以直接草绘截面，拉伸为实体，再在实体造型的基础上进行剪切、打孔、开槽等即能得到实体模型。其基础形状一般可采用由sketch(截面草图) 通过extrude(拉伸) 得到的实体特征来表示。对叶根、叶冠部分较为复杂的与装配相关的局部结构,如考虑叶片与叶片之间装配的沿辐射线方向的径向面、考虑叶根与叶轮之间装配关系的销钉孔以及叶冠销孔、从叶片的强度方面考虑的叶根、叶冠与叶型的等半径R 全周圆弧过渡等,这些用叶片二维工程图的投影规律较难描

21、述的部分,通常可构造不同的基准面,利用CDA/CAM具备的各种特征造型方法来表达;对于圆弧过渡,则采用倒圆角面特征,就可定义这些连接部分的基本形状。在具体造型时,可在叶型造型完成之后,根据在型面根部特征截面与叶根(或导叶片的内环) 的关系和型面顶部与叶冠(或导叶片的外环) 的关系,先通过基于截面草图的拉伸实体特征来生成基础实体,然后用在不同平面上利用切割方法生成径向面及处理圆角面的裁剪,并用打孔、切除等方法生成其它的局部结构。(1)、基准的选择在上述叶根模型的基础上，根据图纸选定各叶身截面的位置并分别作为基准平面，叶片轴线作为基准轴，把基准轴与各基准平面的交点设置为基准点 ，该基准点为各草绘截

22、面的插入点，基准平面为草绘平面，分别绘制叶根叶冠毛坯块，如图16.（2）、叶根叶冠的生成，利用拉伸去除工具和实体开槽工具生成叶根。2.2 SY33.200.017叶片造型过程2.2.1叶片截面型线整理首先，为了能得到满足此叶片的精度要求及光顺条件的叶型曲面,首先需要根据型线数据生成各特征截面的曲线。对于公式曲线形式的型线,一般可定义为具有公式曲线特征的组合线;而列表型线则一般定义为过型值点的插值型NURBS样条曲线。由于叶片截面曲线的复杂性，直接在Pro/E输入截面曲线生成是不容易进行的，这些均可利用Auto CAD软件中的线框功能完成。具体解决方法是首先选择将截面曲线近似成若干云点，然后在c

23、ad里面绘制云点坐标连接成曲线，并设定相应基准平面。值得注意的是，连接云点成曲线的时候要保持是一条完成的样条曲线，否则造型时会出现不封闭的情况，会使整个造型工作混乱无序。为此，选择分别绘制各个截面型线，并将其存储为不同的cad文件。在绘制过程中发现，各圆弧连接点经常不连续，从而造成整个截面的不封闭，可采用加入约束的方法解决此问题。云点坐标的输入过程：（1）、建立二维坐标系，设定圆点，如图2.2； 图2.2 cad二维坐标系建立 图2.3 云点坐标输入图 （2）、为了方便我们最后将每个云点连接起来，我们可以将每个云点虚拟为每个半径为0.2的圆，因此我们要输入每个云点的坐标，就是画出每个半径为0.

24、2圆心为云点坐标的圆，如图2.3；（3）、将输入的云点坐标用光滑的样条曲线连接起来。上一步我们把所有的云点坐标用0.2的圆表示出来，现在我们就用样条曲线来将这些圆的圆心连接起来，就得到了叶片的界面型线，下图就是此叶片典型界面的云点坐标输入之后得到的型线之一，如图2.4. 图2.4 叶片型线之一 图2.5 叶片的典型界面型线将SY33.200.017叶片叶身的1-8截面型线得到之后可以看到的情况如图2.5，下一步工作就是将这些型线整理，为下一步导入Pro/E做好准备！通过上面两步我们得到了叶片截面cad二维曲线，这时候我们有两个选择，第一、是单独将这些截面型线导入到Pro/E中，然后进行混合造型

25、，在过程中要多次选用基准坐标系，步骤比较繁琐并且容易出错；第二、将所有已经做好的二维曲线在cad里面叠加起来，即在x-y-z坐标中叠加，并将z坐标作为叶片的轴线，本文选择第二种方法。具体步骤是：建立三维坐标系x-y-z坐标，然后将这些型线叠加起来，如图2.6. 图2.6 叠加之后的型线上一步得到的是叠加好的cad型线，紧接着我们将此型线导入到Pro/E中来，为叶身的造型做好准备。打开Pro/E新建零件模块，然后选择插入-数据来源-选择dxf文件，找到我们生成的dxf文件，如图2.7，然后选择缺省放置即可得到导入之后的型线，如图2.8所示。 图2.7 导入方法 图2.8 导入Pro/E之后的型线

26、2.2.2叶片叶身造型SY33.200.017叶片的叶身部分是3D扭转叶片，造型有点难度。在上述步骤之后，选择插入边界混合命令，在边界混合属性中选择光滑，首先是对背弧曲面进行生成，一次选择背弧上面的界面型线，最后生成背弧曲面，如图2.9；然后再次选择边界混合工具，依次选择内弧各个截面型线（注意顺序），点击确定生成内弧曲面，如图2.10；然后是两个侧面的封闭，再次点击边界混合工具，将两侧曲面封闭起来；最后进行实体化，如图2.11和图2.12。 图2.9 背弧边界混合 图2.10 内弧边界混合 图2.11 叶根处侧面 图2.12 叶冠处侧面然后，对以上曲面合并，随后用实体化工具对叶身封闭曲面进行实

27、体化得到叶片叶身三维造型，如下图2.13：图2.13 叶片叶身的三维模型2.2.3叶片叶根叶冠的造型SY33.200.017叶片叶身造型完成之后紧接着进行的就是叶根和叶冠的造型，这部分造型比较简单，利用Pro/E中简单的拉伸、去除与开槽工具就可完成。(1)、基准的选择叶根造型的基准平面选择叶片截面型线1建立的基准平面，叶冠造型的基准平面选择叶片截面型线8建立的基准平面，然后分别进行下一步造型，如图2.14. 图2.14 叶根叶冠造型基准平面选定造把叶根和叶冠造型基准平面选定好之后，进行第一步操作拉伸实体，拉伸叶根叶冠毛坯，如图2.15.图2.15 叶根叶冠拉伸实体最后我们利用Pro/E中的开槽

28、拉伸去除工具就可以将叶根叶冠造型出来，造型结果如下图2.16.图2.16 叶片最后造型成果图3 基于Pro/E汽轮机叶片数控加工工艺规程的制订3.1 汽轮机叶片数控加工工艺总体方案设计在叶片的加工过程中选择合理的加工工艺基准，确定合理的工艺流程和加工方法， 设计合理可靠适用的工艺装备，研究设计严密可靠的测量方法，才有可能加工出合格的叶片。一般叶片结构十分复杂, 叶片各部间相对位置精度要求高。因此,尽可能地采用设计基准作加工基准、测量基准, 尽可能地在不同的工序中用同一基准进行加工和测量, 使该基准既能用于叶根的加工又能用于径向面的加工以及叶冠的加工、型线的加工和铆钉头的加工。这对于保证叶片各部

29、的相对位置, 满足设计和装配的要求是十分重要的。 本文设计的叶片总体加工工艺方案如图3.1。图3.1 叶片总体加工工艺方案3.1.1 叶片毛坯方案设计叶片的毛坯一般是铸造或精锻而成, 六方都留出一定的加工余量，当叶片尺寸比较小的时候也可以直接用方坯料开始加工，尺寸大的叶片直接将毛坯铸造出来。毛坯选好之后进行六方加工，这时候可以选择普通刨床、铣床和磨床，精度要求也不高，公差一般为正公差，测量也比较简单，用游标卡尺即可。3.1.2 叶根加工工艺设计总体来说叶片叶根的加工精度要求还是比较高的，这关系到叶片的安装以及汽轮机工作起来之后叶片的稳定性和牢固性。叶根的粗加工加工精度要求不是很高，可以选择普通

30、铣床，但是叶根的精加工要求是比较高的，必须选用数控机床或者加工中心，有的叶根有叶根包槽，可以选用成型刀来进行加工来提高加工精度，比如本文所举例SY33.200.017叶片就可以选择普通铣床加工。3.1.3 叶身型面加工工艺设计叶型曲面的精度要求是最高的，加工起来难度也是最大的，所以我们选用数控加工，这时候我们引用了数控加工软件。常用的数控加工软件有UG、Pro/E、MASTERCAM等，加工方法常用沿着叶片轴线加工和沿截面型线加工两种加工方案，常用数控铣床有美国哈斯三轴铣床、五轴加工中心和并联机床。2.1 粗加工。这个过程的主要目的是去除多余的毛坯料, 加工出叶型曲面的大体轮廓。2.2 半精加

31、工。这个过程要加工出叶型曲面的基本形状, 并留出少量的加工余量, 为精加工做准备。2.3 精加工。这个过程要加工出叶型的整个型面, 过程和半精加工类似, 只是要取较小的行距和表面允差, 以提高表面的加工质量。2.4 清根。经过以上三道工序的加工, 叶型的曲面已经形成, 最后还需加工出叶冠圆角、叶根圆角以及叶冠和叶根的内端面。由于叶根和叶冠的内端面是直纹面, 所以用球头锥铣刀进行侧铣加工, 用它的球头部分加工出叶顶圆角和叶根圆角, 用它的侧刃加工出叶冠和叶根的内端面。最后叶片叶身型面加工好之后，需要进行抛光处理，以获得满足要求的精度。3.2 SY33.200.017叶片数控加工工艺设计（1）、S

32、Y33.200.017叶片总体加工工艺过程本叶片为3D扭转叶片，叶根为T形结构，加工要求比较高，详细的工艺流程如下图3.2所示。图3.2 SY33.017.200工艺流程（2）、SY33.200.017叶片毛坯选定本课题所选叶片SY33.200.017动叶不大，所以毛坯选择为方坯六方铸造料，材料为2Cr13，毛坯需要采购，毛坯留有足够的加工余量。铸件总长292mm（末叶304mm），两侧宽度为68mm（末叶一样），另两侧面宽度为65mm（末叶67mm），毛坯cad尺寸图如图3.3示。 图3.3 毛坯尺寸（3）、SY33.200.017叶片方钢六方加工工艺设计毛坯选好之后紧接着进行的就是方钢六方

33、的加工，六方加工之后需要满足的精度条件公差均为正公差，加工流程如下图3.4所示。图3.4 六方加工工艺首先进行方钢两侧面加工，所谓两侧面即叶片进出气边，由于两侧面加工精度要求比较高，故分粗精两道工序：粗铣和磨削。粗铣的时候，利用普通双轴卧式铣床，选用盘铣刀加工；由于两侧面有平行度要求，需要对两侧面同时进行加工，定位方式为三面定位，方钢两端和另一侧面定位；精磨选用普通平面磨床。然后进行的是另两侧面，即叶片的背弧和内弧所在面，用同样的方法进行加工另两侧面，底面定位选择上一步的两侧面作为工序定位。然后进行的是叶片的两端加工，也可称为总长加工。这里第一步是首先用普通锯床将两端进行切割粗加工，留下精加工

34、余量；第二部便是精铣总长。六方加工完成之后的cad尺寸图如图3.5所示。图3.5 六方加工后之后的尺寸（4）、SY33.200.017叶片叶根加工工艺设计SY33.200.017叶片叶根为典型T形结构，出于安装精度和工作稳定性牢固性等考虑，加工要求比较高，尤其是叶根包槽的加工更是重点和难点。叶根总体的工艺设计方案如下图3.6所示。图3.6 叶根加工工艺流程本叶片叶根加工完成图如图3.7所示。图3.7 叶根加工后的尺寸（5）、SY33.200.017叶片内平面、汽道型面及叶冠加工工艺设计这部分包括叶片的背径向面的粗精加工、出汽边高度加工、叶片内平面、叶根叶冠内径向面的加工，总体加工工艺设计流程如

35、下图3.8所示。图3.8 内平面加工工艺流程（6）、SY33.200.017叶片型面加工工艺设计工叶片叶型的加工时整个叶片加工的重点也是难点，本文在第4章中将重点介绍如何用Pro/E软件对叶片叶型进行数控加工及其仿真，这里只是简要介绍一下。此叶片叶型加工选用三轴立式铣床（美国哈斯）来进行加工，分内外弧加工，先进行内弧加工然后背弧加工。4 Pro/E的汽轮机叶片数控加工编程4.1 叶片型面数控加工总体方案分析叶片型面的数控加工编程是比较复杂的曲面零件数控加工之一,它主要包括: 对零件进行三维造型; 选定数控机床、刀具和加工工艺方案; 进行刀位计算并生成刀具运动轨迹; 对刀具运动轨迹进行仿真、校验

36、和编辑, 并生成刀位文件; 最后通过后置处理程序将刀位文件转换成为数控机床可读的NC 代码。采用Pro/E系统来进行叶片的辅助加工, 其数控加工编程一般可由下列步骤来完成:（1）、加工装配和刀具的建立。加工叶片的整个过程要用到3 种刀: 端铣刀( 粗加工用) 、带角圆的圆柱铣刀( 半精加工和精加工用) 和球头锥铣刀( 清根用) 。在UG/Manufacturing模块中建立用户自己的刀具库, 根据工序不同选用不同的刀具。（2）、加工方式的选择。在Pro/E或者UG中为每个工序选择合适的加工方式, 其中半精加工和精加工的加工方式相同。（3）、刀具轨迹的生成。在PROE/CAM中, 所示选择合适的

37、加工方式、加工对象和走刀方式等后, 再设置好切削行距、步长、表面允差、进给率等加工参数, 即可以执行命令生成刀具加工轨迹。(4)、加工过程仿真。PROE/CAM中集成了加工仿真的功能, 可以对生成的刀具轨迹进行加工仿真, 动态的模拟刀具切除材料的加工过程, 并且可以储存加工仿真后的毛坯留待下一道工序使用。在PROE环境下, 通过加工仿真对刀具轨迹进行仿真和验证。(5)、刀位文件的生成。在PROE/CAM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( CLSF) 。刀位源文件( CLSF) 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

38、助命令信息等。上述生成的CLSF 文件还需要经过后置处理器, 转变为数控机床能够接受的NC数控程序。此后置处理器是在PROE后处理的基础上开发的UG 环境下并联机床的专用后置处理器。叶片加工实验证明, 结合UG 进行叶片的辅助加工, 进行三维造型、刀具轨迹编程和加工仿真, 使汽轮机叶片的设计和加工编程基于同一个CAD/CAM环境下, 实现了产品设计和制造过程信息模型的无缝连接, 大大减小了编程出错概率, 提高了编程效率和可靠性, 可有效地保证数控加工的质量和效率3。4.2 SY33.200.017叶片型面数控加工编程4.2.1 加工环境建立在PROE中叶片造型好之后，建立相应毛坯，进入加工环境

39、下，为叶片制定适当的加工环境，首先是制造装配，也就是零件和毛坯的装配设置，首先将零件装配起来选用缺省模式，然后在此基础上装配毛坯（工件），也采用缺省模式放置，设置完成如图4.1。图4.1 加工装配模型在制造装配完成之后，进行的就是制造设置，进入制造设置工具栏，如图4.2。图4.2 加工操作设置首先进行的是加工机床的的设置，进入机床设置，设置刀具参数，选用普通球头铣刀，完成如图4.3。图4.3 加工刀具刀具选择好之后，然后进行加工零点和退刀面的建立，选择加工坐标系和工件坐标系重合，然后选择此坐标系，退刀面选择沿z轴向上10mm，完成如图4.4。图4.4 加工零点选择4.2.2 加工仿真待加工环境

40、建立好之后，随后进行的就是加工刀轨的生成、屏幕演示和NC检测仿真加工。首先是进入屏幕演示生成刀具轨迹，点击加工-NC序列屏幕演示，将出现如图4.5界面，然后我们点击播放按钮，调节一下播放速度，就可以看到刀具的运动轨迹了，如图4.6。图4.5 屏幕演示操作演示图4.6 屏幕演示与刀轨生成然后进行三维NC检测仿真加工，点击加工-NC序列屏幕演示NC检测，如图4.7，此时会有一个小问题，如果Pro/E软件会提示“平台不支持”，此时的原因是软件的NC检测方式设置不对，我们进入工具选项，然后增加nccheck_type设置为nccheck，然后添加应用即可进行下一步操作，如图。图4.7 NC检测操作图4

41、.8 设置nc检测模式为nccheck 之后点击运行，就可以看到我们的加工仿真模拟过程了，如图4.9。图4.9 仿真加工过程4.2.3 NC程序生成如果仿真没有问题，既可以进行后置处理，生成NC程序，本文选用三轴铣床，可以直接调出三轴NC程序，如图4.10。图4.10 NC程序5 汽轮机叶片型面专用测具的设计51 汽轮机叶片型面检测总体分析由于叶片的特殊造型、空间角度和尺寸多、技术要求严格，描绘叶片型线的函数只能用分离坐标的方式给出，没有确切的规律。叶片型线的多变和复杂性给全而测量带来了困难。现在的机械制造厂所采用的测量方法主要有：(1)、标谁样板比对法；(2)、综合测量法；(3)、仿型划线投

42、影法；(4)、用三坐标机测量包络线法。所有这些方法除了不能完全按设计要求全面测量和低效率外，还有其它各自的缺点。随着对叶片型面要求的提高，测量精度和效率显得越来越重要4。目前国内外研究的焦点是用三坐标机进行测量，因为在没有专用设备的情况下，三坐标测机具有多功能、精度高和适应范围广等优点使叶片的测量水平得以提高。但其造价昂贵、测量效率低、不能自动跟踪测量和难以在现场应用等缺点使其不能在叶片测量领域发挥更大的作用，有些技术参数，如叶片的最大厚度，也是无法测量的。而采用第一种方法标准样板对比法检测,虽然检测准确度不是很高,但由于现场使用方便,检测迅速,因而在生产中应用广泛。基于以上情况，本文所采用的

43、测量叶片型面的方法就是第一种标准样板对比法，以下称为型面测具的设计。型面测具包括测量台和一组型面测量样板，测量台是按照叶片装入转子的基准，采用定位元件适当组合，构成一个与叶片装入转子基准一致的模拟装置，型线样板是根据被测型面的结构形状和空间三维实体尺寸，按11的比例延伸过渡到样板上，其形状、尺寸与测量台的基准一致，通过检查样板小足漏光间隙与量块量头与被测型面的间隙，实现被测型面位置和形状的测量。优点是测量操作非常方便简单，测量直观，测量精度高，效率高。测量台包括底板，固定在底板后部上的叶根内径向面定位块，该定位块的位置以叶根内径向面为定位基准，固定在底板两端的左右立柱，固定在两立柱内侧的定位板

44、，位于两立柱内侧根部的叶根左右定位块，其中一侧定位块设有定位台阶，该台阶的位置以叶根两肩、出汽侧为定位基准，另一侧定位块所在部位的立柱内侧根部设有与定位台阶对应的可调支承；所述叶根左右定位块的前侧面上设有叶根前后定位压板，该压板的位置与叶根内径向面定位块相对应； 型面测量样板，包括背弧型线样板和内弧型线样板，该测量样板由基板和量块构成，量块的量头型线形状为被测型面的标准形状，量块固定在基板的中部；基板的两端设有样板小足，样板小足的形状位置与测量台的定位基准相适配。5.2 SY33.200.017叶片型面专用测具设计 5.2.1 总体装配图与零件图展示本叶片型面测具总体cad尺寸设计图如下。图5

45、.1 型面测具cad总体尺寸图本文运用Pro/E软件根据设计的cad尺寸制作出型面测具三维图如下：图5.2 型面专用测具模型此套测具装备由4组主要零件组成：测具底板、叶根叶冠垫块、叶片定位销（套）和型面样板定位销。本叶片型面需要检测的有5个型面，分别为2、4、5、6、7型线型面，因此需要设计5套型面样板5.2.2 叶片型面测具设计过程首先进行的是测具底板的设计过程，底板的尺寸有公差的要求，所以加工精度要求比较高，可以采用数控铣床加工。底板上面有很多孔，分为三类：叶片定位销孔（12mm）、样板定位销孔（8mm）和叶根叶冠垫块定位螺孔，设计模型如图所示。 图5.3 测具底板的设计由于定位销可以选用

46、标准件，所以不必特别制造，采购即可。随后进行的就是叶根叶冠垫块的设计，其精度要求也非常高，因为此要作为叶片在水平上的定位，要保证叶片放才测具上面其轴心线出于水平位置，以便准确测量型面加工精度，每个垫块上面均有一个定位螺孔，是为了后续固定在底板上做准备，其cad尺寸图如下。图5.4 测具叶根叶冠垫块设计尺寸 然后进行型面样板的设计，此叶片需要检测的型面有5个，分别为2、4、5、6、7型面，因此需要设计5套型面样板，一般我们将样板的尺寸设计好之后，为了保证精度，通常采用线切割来加工样板，最后用抛光来进行样板倒角。在CAD里面已经将样板图做好，如图，所以可以直接导入pro/e里面，然后进行样板三维模

47、拟设计，如图为2截面样板三维设计图。图5.5 型面5个界面样板尺寸 图5.6 2型面样板三维设计当测具和样板设计好之后，就可以将动末叶片放到测具上进行型面精度的检测，采用透光法检测，此时，叶片定位方法为三面定位，两个垫块和叶根处的定位套，不需要夹紧装置，放好叶片后，将样板插入测具样板定位销处，对其紧靠，然后即可进行透光检测。叶片测量总体装配图如下：图5.7 正在检测中的汽轮机叶片总体装配图装配图爆炸视图浏览如图图5.8 测具总体装配爆炸示意图6 课题总结61 UG叶片建模的思路 前面我们研究了PROE的叶片建模。现在我们讲下UG的叶片建模，并进行比较。首先型线整理好之后导入到UG中，如图6.1

48、。 图6.1 型线导入型线导入之后不能马上进行曲面建模，必须首先进行曲线的整理，首先将进出汽边圆弧删掉，然后利用桥接工具进行桥接。之后才能通过曲线组进行曲面建模造型，点击“曲线组”工具之后，依次点击各型线，并保持方向一致，然后点击应用即可，如下图6.2。图6.2 型线连接随后进行的就是叶身实体的生成，上一步确定之后就可以看到我们的叶片叶身造型出来。叶根叶冠的造型与Pro/E中的造型方法一样，同样是拉伸剪切很简单，这里不赘述。图6.3 叶身造型6.2 UG叶片加工的思路下面我们分析UG的叶片型面的加工，首先建立加工环境，如图6.4。 图6.4 加工刀具建立然后是零件和毛坯选择，如图6.5。图6.

49、5 毛坯选择下面是选择驱动方式，我们选择区域铣削里面的第一个驱动方式，然后选择自己创建好的程序、刀具和加工方法，如图6.6。图6.6 驱动方式选择然后进行刀轨生成和仿真及其生成程序，仿真我们选择二维动画，如图。图6.7 刀轨刀轨生成图6.8 仿真6.3 Pro/E与UG比较总结经过以上分析比较，得出结论：利用Pro/E软件进行汽轮机叶片的造型是完全可能的，并且在cad软件里面有一定优势。我们在汽轮机叶片的加工中可以综合参考Pro/E软件和UG软件相互结合，相互补充来进行加工参数最优化，达到最高的加工效率和最优的加工质量。本课题的加工建议是将Pro/E与UG结合起来，运用Pro/E进行叶片三维造

50、型，然后运用UG进行数控加工编程仿真，这是一条比较理想的叶片加工思路。致谢：本论文的撰写是在指导老师陈光明老师的指导下定稿完成的。从论文的选题、构思到开题、实验操作到定稿这段时间里，得到了陈老师的悉心指导和帮助，提出了很多宝贵的意见和建议。不仅如此，为更好地完成本课题设计，陈老师给我提供了到无锡工厂实习的好机会，让我不仅有了能完成课题设计的能力和知识，还让我学到了很多在书本上学不到的东西。在此，我对他表示衷心的感谢。同时也很感谢无锡鼎元公司对我的知道和帮助，能提供给我这个宝贵的机会，让我对加工制造有了更深的了解。参考文献：1张大庆,苑素玲,王永芳.基于Pro/E软件的汽轮机叶片造型研究J.华北

51、电力大学,20052黄钟藩,杨龙兴,胡小林.电站汽轮机大叶片制造技术综述J.无锡叶片厂,19963苏莹,郭旭.基于UG的汽轮机叶片数控加工编程M.黑龙江科技信息,20074唐文彦,强锡富.一种新的涡轮叶片型面的自动测量方法J.哈尔滨工业大学,19955陈正群.基于UG NX的汽轮机叶片三维造型研究N.正群设计工作室,20076林德源,陈开路,陈秉忠.汽轮机叶片T形叶根的超声横波探伤J.福建省电力试验研究院7陆军,郭永峰,韩传高,吴前驱.大型汽轮机组叶片叶根特征及其超声波检验方法J.漳泽电力股份公司河津发电厂,20048王朝华.2Cr13汽轮机叶片裂纹磁粉检测工艺选择与应用J.河南电力试验研究院,20049袁晓阳.600MW汽轮机调节级动叶片加工工艺J.东方汽轮机有限公司,200810余忠华,曾复,吴昭同,严拱标.叶片型面的三坐标检测程序自动生成系统M.浙江大学,1996 11张强,李立波.利用UG软件对汽轮机叶片的数控加工N.哈尔澳汽轮机厂12杨志勇,唐胜利.汽轮机扭叶片的虚拟设计M.重庆大学动力工程学,