【涡轮叶片数控加工工艺设计研究7000字（论文）】

涡轮叶片数控加工工艺设计TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1引言 11.2涡轮、叶片概述 11.3涡轮、叶片数控加工的历史、现状 21.4叶片加工发展趋势 3第二章叶片加工 52.1毛坯的制作 52.2工装设计 7第三章工艺设计 103.1工艺设计简介 103.2叶片模型的工艺分析 113.3叶片加工整体工艺 13第四章结论 15参考文献 17第一章绪论1.1引言涡轮叶片是动力设备的关键部件，其结构与材料的不断改进是人类提高能源利用效率、获得高性能装备（发电设备）和产品（如飞机）的关键。由于其处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。因此，其制造技术成为国内外近20年来极为关注的重大技术问题。科学家与工程技术人员一直在不懈地探索叶片设计、材料与制造的科学原理和实现技术。涡轮叶片的性能水平(特别是承温能力)成为热动力设备先进程度的重要标志，从某种意义上讲，也是制造技术水平的显著标志之一。随着我国对能源和动力装备发展的高效节能需求不断增长，叶片制造已经成为我国热动力机械发展的主要瓶颈。数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件，但要达到预期的加工效果，编制高质量的数控程序是必不可少的，在编制加工程序时，选择合理的工艺参数，是编制高质量加工程序的前提。在本课题所采用的加工软件是Mastercam，该技术是近年来工程技术领域中发展最迅速，最引人注目的一项高级技术，它已成为工业生产现代化的重要标志。它对加速工程和产品的开发、缩短产品设计制造周期、提高产品质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。在毕业设计中用Mastercam加工，充分的学习他们的优点，用于涡轮叶片的加工。1.2涡轮、叶片概述涡轮叶片是指涡轮工作叶片和导向叶片。工作叶片的外型结构由缘板、叶身、榫齿、过渡段等组成，内型结构包括纵向肋、横向肋、积叠轴、导流柱。导向叶片由叶身、外缘板和内缘板构成。涡轮是处于燃烧室后面的一个高温部件，燃烧室中产生的高温高压燃气首先经过燃气导向叶片，此时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮工作叶片。涡轮发动机叶片处于最恶劣的环境中，应力最复杂，温度最高的部分，被称为“皇冠之珠”。在涡轮发动机叶片中无论压缩机叶片还是涡轮叶片，数量都是最多的，而发动机则依靠叶片的数量来完成压缩和膨胀的气体，而工作效率最高的具有强大的动力来驱动飞机前进。涡轮叶片是一种特殊的零件。由于其数量大、形状复杂、工艺要求高、加工难度大、易损毁等问题，一直是发动机厂生产的关键。1.3涡轮、叶片数控加工的历史、现状叶片造型方面。现代涡轮叶片是弯曲、扭转、变截面的复杂流线型面，如非可展直纹面叶片。对于这些叶片一般无法解析表达，在造型时主要是依据给定叶片表面的一系列离散数据点，对这些离散数据点进行拟合。常用的拟合方法有贝塞尔法、B样条法和NURBS法等。对于NURBS曲线，不但可以通过修改控制顶点和节点矢量来修改曲线，还可以通过修改权因子来修改曲线，而且这种修改具有良好的几何性质。近年来，由于反问题方法(inversemethod)的发展，相继出现了靠几种简单解析曲线的组合来构成叶型的解析成型方法，如简单圆弧法、多圆弧法和圆锥曲线法等。这种造型方法以一种解析曲线作为基本曲线，并根据气动设计依据建立几何约束条件，最后只需要调节进出口几何角、安装角、最大厚度及前后缘小圆半径等气动设计参数，就能得到叶型。这种造型方法将叶片的成型与气动性能直接联系起来，使人们获取具有预期可控气动性能叶型的愿望成为可能。但是这样的几何造型法目前还在发展中，设计工作量大，而且气动性能不易保证。将传统造型法和气动造型法相结合，采用正反问题方法是今后叶片造型的一个发展方向，这方面国外做的研究工作比较多。例如宝马罗-罗发动机公司(BMWRolls-Royce)的叶片参数化设计系统，利用知识库将气动计算与叶身截面造型相结合;瑞典的沃尔沃飞机公司(VolvoAeroCorporation)研究了如何在气动设计参数不全的情况下，结合有限元优化来实现叶片截面造型。叶片加工方式及刀具路径规划方面。叶片通常是自由曲面，加工方式有行切和环切。近年来，为适应高速切削而产生的螺旋式走刀方式是一种更高质、高效的叶片多轴加工方法。螺旋式走刀方式的特点是，切削轨迹为一段整体光顺的轨迹，不分切削行，只有一次进刀和退刀轨迹，无横向进刀。不管采用哪种加工方式，刀具轨迹计算都是相当重要的，包括切触点轨迹的计算和刀位点的计算在数控加工领域，目前对自由曲面四坐标加工的研究较少，一般仅限于某些特殊曲面，如自由旋转曲面和直纹面。叶片变形控制方面。加工变形是影响薄壁叶片数控加工效率、精度和表面质量的关键性制约因素。采用合理的加工方式也可以达到减小加工变形的效果，如采用螺旋加工方式进行加工。螺旋式走刀轨迹是回绕叶片的加工方法，由于回绕式加工是对称加工，因此可以使翘曲变形大大降低。目前，国外已研制并开发了叶片五坐标螺旋加工专用机床，以及包含在机床数控系统中的专用螺旋加工算法，采用该方法可以快速完成典型叶片的叶身加工，其加工效率和加工质量均明显高于普通机床。1.4叶片加工发展趋势我国的汽轮机叶片加工已经有了良好的技术基础，甚至略高的发动机整体涡轮叶片组也没有技术问题。其他基板盘组或外部风扇也可以遵循美国和英国航线。摩擦成形板组专用焊接叶片工艺广泛应用。我国对异形叶片和大型非金属基涡扇发动机核心部件的研究已达到一定水平。总体上，中国的涡扇发动机拥有世界一流的技术水平，即是领先的技术水平。也就是说，一般在80年代中期的发展速度阶段，并在个人技术已经达到了和一流团队可以处于平等的基础上，甚至高人一等的水平（如沈阳出口的叶片技术）。在《粉末盘女帅：中国发动机涡轮盘材料技术不输国外》书中，中国的粉末高温合金涡轮盘的研究小组报道说。说明我国航空发动机领域的基础研究已经步入可持续发展的轨道。过去20年的持续投资一直是一个小成就。涡扇有个“扇”字，内核里面有个带扇叶的盘子组，负责疏导空气、预压缩等，这个叶子就是“扇叶”，盘子就是“涡轮盘”，早期“扇叶子”和“盘子”是分离的，靠榫头来拼合。到上世纪70年代，美国、英国、苏联和其他涡扇发动机采取了“一体盘”（或整体盘），所以现在被称为“涡轮叶片盘”（简称叶片盘或涡轮盘）的。美国通用公司首先完成了产品，但发动机的推广度并没有太高，后来在80年代，其他项目推动了磁盘的整体发展。我国是否有“一体盘”关系到我们发动机是否能达到1：10的高推比。这个涡轮叶片盘是发动机加工工艺的核心技术，基本要求是“纯粹、均匀、轻巧、密致、耐热、强忍、耐压、耐拉”，这些特性一个不能少，现在还要求2大特点：越便宜越好、易加工。从材料分大约几种：合金（如，镍基、钛基）、钢或合金钢、陶瓷基、复合基（基材的意思，如碳纤维复合基材）。随着材料的变化，和叶片形状的变化（为了流体力学需要，异形设计、叶片扭曲越来越古怪——和舰用螺旋桨一样，加工越来越难，越来越奇形怪状，如一体盘（整体盘）及实心片到整体盘、空心片、异形片）的出现，叶片盘子和发动机涡轮的加工工艺也发生了变化，从之前的榫头链接，到一体化成型。一般来说先各个零部件的材料成型、再毛坯成型、再加工，然后反复再反复，把不同的组件揉合成一个“整体盘”（一体盘），具体有锻、铸、焊、电、磨、粘、织、烧、塑、喷、压等。这类技术也在飞速发展。

第二章叶片加工2.1毛坯的制作2.1.1选取毛坯毛坯的规格大小对工装的设计有直接影响，根据毛坯的规格才能设计出合理的工装。设计加工粗尺寸130x60的涡轮导流叶片，材料为1Cr11Ni2W2MoV下料截取如图所示毛坯图2-1毛坯2.1.2毛坯线切割粗加工由于这种叶片的毛坯比较大，而待加工余量比较多，所以零件加工时会产生振动，为了减小零件加工时的振动，开粗要去除尽可能多的余量，又要避免浪费过多时间，以及刀具的磨损，所以开粗前先利用线切割将毛坯尽可能多的去掉多余部分，然后在考虑怎么将毛坯加工成与成品相类似的形状。2.2工装设计多品种、小批量的生产过程中，在整个生产过程中，工件的安装、清洗、拆卸、排屑和托盘的自动交换是经常发生的。为了提高加工中心的加工效率，加快和提高加工设备的性能具有重要意义。一方面，缩短安装时间，降低消耗是另一个重要方面。夹具是制造厂的工具的一部分。它是保证零件准确定位和有效加工的必要手段。对于加工中心，夹具定位精度高，拆装方便。适用于粗加工、精加工及各种工艺。在加工中心，夹具的任务不仅是夹紧工件，而且还要确定工件的原点，以每个方向的定位面为基准基准。在加工中心的高柔性要求下夹具比普通机床结构更紧凑、更简单，夹紧动作更准确、快速，辅助时间最小。为了正确应用夹具，首先要对加工中心的加工特征有更深刻的认识和把握。同时，还要考虑零件的精度、批量、制造周期和制造成本。根据加工中心机床的特点和加工要求，目前的夹具类型有组合夹具、专用夹具、成组夹具、可调夹具等。选择的一般顺序是在单件生产中使用夹具、螺钉、虎钳等通用夹具。批量生产时，应优先考虑组合夹具。其次，可调夹具可以考虑。最后选择专用夹具和成组夹具。在选择时应考虑各种因素，选择最合理、经济的夹具形式。

第三章工艺设计3.1工艺设计简介工艺设计是指改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质，使之成为合格零件的全过程。加工工艺是工人进行加工的基础。设计过程中最关键的一步，需要在以下几个方面完成的工作：1、定位精基准的选择原则，采用基准重合原则和统一的基本原理、相互借鉴的原则，自我参照原则，粗基准的选择原则，保证加工表面的位置精度的原则，便于夹装原则，使加工余量分布合理。2、表面处理方法的选择：加工方法的选择，根据零件表面的工艺要求和具体的工艺条件，选择最终的加工方法，然后选择相关的一次表面处理方法。同一种表面可用于加工方法不同，但每种加工方法可以获得的加工质量、加工时间和成本是不一样的，工作的工程技术人员，根据具体加工条件（设备、生产工人的技术水平，等）选择最合适的处理方法能满足图纸要求，机械零件加工。随着表面的某些技术要求，一般不仅通过一个过程可以满足图纸的要求，主要用于表面精密零件，往往通过多次加工，以逐步达到加工质量要求。在选择主表面处理方案和加工工艺后，选择次要表面处理方案和加工工序。3、加工阶段。粗加工阶段：提高生产率，切除零件被加工面上的大部分余量，使毛胚形状和尺寸接近成品；半精加工阶段：减少主要表面粗加工中留下的误差，使加工面达到一定的精度并留有有一定的加工余量，并完成次要表面的加工。精加工阶段：切除少量加工余量，保证各主要表面达到图纸要求。光整工阶段：提高尺寸精度和表面粗糙度。过程分散原则，根据过程分散的原则，组织过程，即使每一个过程中包含的处理内容尽可能少，最大的过程是分散的，也就是说，每个过程只包括一个简单的步骤。4、机床设备和工艺装备的选择：所选设备的尺寸应与工件的车身尺寸匹配，精度等级应与处理程序的规定，电机功率应与所需的处理能力相匹配，机器设备自动化程度和生产效率应与工件的生产类型相匹配。工艺设备的选择将直接影响工件的加工精度、生产效率和制造成本，并应根据不同的条件进行适当的选择。在小批量生产条件下，应首先考虑一般工艺设备的选择（包括夹具、工具、量具和设备）；在大批量生产中，应根据加工要求设计制造特殊工艺设备。机床和工艺设备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益，还要考虑产品改造和生产转化的可能性，使其足够灵活。3.2叶片模型的工艺分析工艺分析是加工中心的准备过程。工艺的合理与否，对机床的编程、机床的加工效率和零件的加工精度有着重要的影响。为了建立一个合理、实用的加工程序，要求程序不仅可以掌握编程语言和编程格式，还要了解工作原理、加工中心的特点和结构，同时，还应掌握工件的过程中，确定合理的切削用量和刀具与工件的装夹方法的正确选择。因此，按照一般加工原理，结合加工中心的特点，对加工中心的加工过程进行详细、详细的分析。主要内容有：根据对加工要求的图纸合理性的分析，确定加工中心设备中工件的夹紧方法；加工顺序，刀具进给线和刀具的各个面，夹具和切削参数的选择。叶片的模型经过仔细的分析后，选择粗加工。粗加工叶片时由于铣刀的大余量切削性能，要设置合理的切削参数。如果横盘，由于叶片的加工余量，在垂直方向上的叶片，有很多的余量去除，深度过大则会影响刀具的寿命。造成这种现象的原因是，一部分工具使用的时间太长，头刀，刀叶沿粗糙。经过受力分析，叶片横向挤压力、剪切应力和反力，沿刀具运动方向的三个力使叶子的形状发生变化，从而导致叶片振动和叶片变小，零件振动会越来越大。由于工件的振动，与其他零件发生碰撞，造成的损害，表面粗糙不光滑。随着进一步的处理，我们发现虽然粗加工叶片处理效果和生产效率有了很大的提高，但刀具价格比较高，加工成本仍不尽人意，因此，我们决定使用插入刀代替，根据叶片的大小、工具选择、经过比较硬质合金，发现这个插刀加工是一个不错的选择，首先，由于叶片硬度是比较低的，这可以使得插刀能加工更多的叶片，既能解决成本问题，批量生产工艺，又能降低企业成本，提高收益率。二次刀片易更换刀片，不需切割刀具，节省了夹紧时间，提高了生产效率。试验用球头铣刀率精加工，为了节省整理工具，在开粗单侧为0.3mm的津贴后，（注：也可适当留有一定的余量，但太多的精加工余量后将产生不利影响）。精加工后，将精加工的刀具放置在第四轴上，要注意的是工装要与第四轴同轴，避免加工时的四轴铣削误差。汉川机床的让刀现象比友佳机床要明显的多，精加工叶片要优先在友佳机床上加工。此外，叶片加工时要抖动，所以要适当的减小进给。加工叶根背面要注意的是装夹时注意测量两夹板之间的距离，夹紧时不宜太大的力。3.3叶片加工整体工艺表3-1编制工艺过程卡现代制造技术系机械加工工艺卡产品名称天津机辆轨道交通装备有限责任公司ZN290涡轮叶片图号零件名称整体式涡轮共1页第1页毛坯种类铝锻件材料牌号LD5毛坯尺寸Ø200x100序号工种工步工艺内容备注工具夹具刀具量具1下料锻件卡盘三坐标测量机2加工中心粗加工粗铣叶片专用卡具平底刀3粗铣流道面4精加工精铣叶片平底刀5精铣流道面6清根倒角加工根部清理平底刀7表3-2工序卡零件名称整体式涡轮零件图号夹具名称卡盘设备名称及型号加工中心材料名称及牌号铝锻件硬度75HBS工序名称涡轮加工工序号1图3-1零件模型图工步号工步内容切削用量刀具量具nr/mmVfmm/minapmm编号名称名称1流道粗加工4000300011T01三坐标测量机2叶片粗加工4000300011T01三坐标测量机1流道精加工400030000.22T02三坐标测量机2叶片精加工400030000.22T02三坐标测量机1清根1000020000.13三坐标测量机表3-3刀具卡产品名称或代号零件名称典型轴零件图号序号刀具号刀具规格名称数量加工表面备注1T01Ø8R31涡轮粗加工2T02Ø5R21精加工3T03Ø5R21清根编制审核批准页第四章结论本次设计的主要工作是涡轮的数控加工及机床仿真，从零件的选择到最终的虚拟机床的仿真完成，经历了很多失败，经过改进最终完成了设计。五坐标数控加工是获得复杂曲面和不规则零件的较好解决方法之一，特别是那些由一定的数字理论方程式所描述的并要求有足够精度的曲线和曲面，如整体涡轮叶片，同时，五坐标加工技术的发展和应用与CAD/CAM技术是密切相关的。本设计主要以航空发动机整体涡轮为例，对其几何造型、数控加工工艺等内容进行了分析与研究。从选择零件角度分析，涡轮是一个典型的多轴加工的零件，普通的机床无法完成，这样更能体现出数控加工的优势。对整体涡轮在五坐标数控加工过程中的工艺规划进行了研究。粗加工过程中，根据整体涡轮的形状特点，针对锻件毛坯，提出了类似型腔加工的粗加工方法。并根据这种方法编制了粗加工程序。从零件的造型到导入虚拟机床整个过程都是用UG完成的，让我掌握了UG三维实体造型、刀具轨迹仿真、后置处理、虚拟机床代码仿真功能。使我对数控加工有了更深入的了解。参考文献[1]兰霞,林建军,操金,梁小龙,涂乐锋.高温合金精铸件机加工艺技术研究[J].现代制造技术与装备,2022,58(01):160-162.[2]洪斯玮,张国强.按摩椅涡轮箱四轴加工工艺研究[J].宁德师范学院学报(自然科学版),2021,33(04):370-376.[3]赵志豪,金向明.考虑实际加工偏差的某涡轮性能可靠性研究[J].质量与可靠性,2