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发动机叶片的造型和数控加工大学论文

发动机叶片的造型和数控加工

（陕理工机械工程学院机械设计制造及其自动化专业054班陕西汉中723003）

[摘要]航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转化为机械能的作用。

发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。

叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复杂（三维空间曲面），尺寸跨度大，受力恶劣，承载最大的零件。

它在高温，高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热强钢，钛合金以及高温合金等材料制成：

为满足发动机高性能，工作安全性，可靠性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸，准确的形状和严格的表面完整性。

因此叶片的制造技术是机械制造业中最复杂的技术之一。

叶片型面复杂、质量要求高,在成形过程中常因锻造后的残余应力和温度应力的作用而发生翘曲变形,最终导致报废。

采用等温校正工艺可使翘曲变形减少,叶片型面达到合格要求。

本文采用三维设计软件Pro/E解决模具型腔的造型问题,进行叶片的三维曲面造型，其设计流程为:

创建叶片的三维实体→对叶身进行加放余量→利用实体创建模具型腔→添加模具结构件。

[关键词]叶片叶身型面数控加工

Engineblade'smolding

andnumericalcontrolprocessing

Abstract：

BladeofAero—engineisatypeisoneofenginecoreparts;Itisplayingthesteamenergytransformationforthemechanicalenergyrole.Theengineperformanceisdecidedtoagreatextentbytheleafbladeprofiledesignandthemanufacturelevel.Blade’sinenginefunctionmissionandtheworkcharacteristic,haddecidedtheleafbladeisintheenginetheshapecomplex（three-dimensionalspacecurvedsurface）,thesizespanbig,thestressbad,theloadbearingbiggestcomponents,Itinhightemperature,highpressureandunderthehigh-speedrunrevolves,usualneedalloydegreeveryhighmaterialsandsoonheatstrongsteel,titaniumalloyaswellasheat-resistingalloymake;Inordertosatisfytheenginehighperformance,theworksecurity,reliableaswellastheliferequest,theleafblademusthavetheprecisesize,theaccurateshapeandthestrictsuperficialintegrity.Thereforeleafbladestechniqueofmanufactureisinthemechanicalmanufacturingindustryofmostcomplextechnologies.

Bladeisshapeiscomplexandthequalityrequirementishigh.Thewarpsandtheforgingsmaybediscardedduetotheformedforgingsremainingstressandthetemperaturestress.Butitispossibletousetheisothermaladjustmentprocesstoreducethewarpdistortionandmakethebladeshapetomeetthequalifiedrequirements.Three-dimensionaldesignsoftwarePro/Ewasusedtocarryonthedesigninviewoftheuniformtemperatureadjustmentmold.Thethreedimensionalsurfacemodelingofbladewascarriedoutandtheheatingandcoolingdevicesfortheisothermalsizingdieweresimultaneouslydesigned.It’sdesignflowis:

creatingthethreedimensionalentityoftheblade,addingonmargintotheblade,usingentitytosetupthemoldcavity,puttingonthemoldstructuralelements.

KeyWords:

Blades,NCMachining,BladeShape,

目录

1绪论1

1.1课题背景1

1.2发到机叶片加工方法1

1.2.1仿形法1

1.2.2数控加工方法2

1.3课题研究的目的和意义2

2模具发展概况、发展方向和发展趋势以及Pro/e软件介绍4

2.1中国模具行业发展现状4

2.2中国模具发展的方向4

2.3Pro/ENGINEER软件简介6

2.4PRO/E软件主要模块介绍6

3叶片造型8

3.1Pro/E设计软件绘制叶身8

3.1.1叶片的形状8

3.1.2绘制叶身8

3.2绘制安装板及榫头13

4基于Pro/E的模具设计18

4.1毛边槽的设计18

4.2锻模的设计与造型20

4.2.1创建制造—模具型腔，进入模具造型模块20

4.2.2创建分型面21

5叶片加工工艺分析及模具数控加工仿真24

5.1叶片结构工艺分析24

5.1.1典型的叶片结构分析和机械工艺性评价24

5.1.2叶片加工中的技术要求25

5.2工艺路线的拟订25

5.2.1加工阶段的划分25

5.2.2工艺基准及其选择26

5.2.3毛坯的选择27

5.2.4加工方法的选择27

5.2.5刀具选择28

5.3发动机叶片的模型加工29

5.4模具数控加工仿真31

总结35

参考文献36

致谢37

外文翻译38

1绪论

1.1课题背景

航空发动机叶片是发动机的核心部件之一，它起着将蒸汽的动能转化为机械能的作用。

发动机的性能很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。

叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复杂（三维空间曲面），尺寸跨度大，受力恶劣，承载最大的零件。

它在高温，高压和高速状态下运转，通常需要合金化程度很高的热强钢、钛合金以及高温合金等材料制成，为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片又必须具有精确的尺寸，准确的形状和严格的表面完整性。

因此叶片的制造技术是机械制造业中最复杂的技术之一。

发动机叶片性能要求很高,在工作中起着能量转换的作用,其质量好坏直接影响到发动机的工作效率和运行可靠性[1]。

加工工艺一般采用模锻成形,模锻后用机械加工消除余量,但是这样不仅会破坏工件的纤维般流线,降低其使用性能,而且往往因锻件在锻后冷却过程中产生的翘曲量过大而无法加工成成品。

采用等温校正技术,可以减少锻造变形的残余应力和冷却时的温度应力叠加造成的叶身型面翘曲,达到释放残余应力、使翘曲变形减轻、叶片尺寸合格、保证其外形和性能的双重要求。

本设计主要应用Pro/E软件创建叶片实体,根据叶片实体进行等温校正模具及加热冷却系统的设计。

1.2发到机叶片加工方法

当前飞机发动机从涡喷系列发动机逐步发展到涡扇系列，叶片型面越来越复杂，呈叶身扭曲弯度趋大，叶旋趋宽，叶身趋薄，前掠加大等特点。

此种叶片复杂曲面的形成原理复杂，加工困难，加工精度不易保证。

加工叶片的刀具比一般机械加工选用刀具要考虑更多的因素。

叶片材料由铝合金、不锈钢发展为钛合金高温合金以及新型复合材料，呈现硬度高，韧性大，让刀严重，加工过程中刀具磨损快，加工表面变形程度大等特点，材料切削加工性也决定了新型发动机叶片的价格难度相当大。

1.2.1仿形法

采用仿形法加工发动机叶片，在加工原理上和其他仿形法一样，首先要根据发动机叶片的型线方程来计算，设计和制造靠模板。

然后以靠模板为基准运用仿形原理，加工出符合要求的叶片。

在加工过程中，靠模板随着使用会出现磨损，加之靠模板加工方法本身的精度不是很高，这样导致加工后的叶片误差很大。

所以加工后都需要对叶片进行人工修型，抛光。

这样不但加工效率低而且加工质量也很低。

仿形法一般只能用于加工相对固定的叶轮型面，这对于目前多品种小批量的产品很不适合，相比之下，数控加工成为叶片加工改革的主要方向。

1.2.2数控加工方法

数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它具有的高精度，高柔性，高效率等优点现在已经被人们广泛认可。

随着数控技术在生产中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性变化。

近年来国内外已经有不少厂家用数控刨床，数控铣床，数控车床等数控机床加工出多种型号的发动机叶片。

数控加工的产品种类多，精度高，互换性好，同时加工效率高，操作简便。

因此，使用发动机叶片数控铣削加工，将会具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

1.3课题研究的目的和意义

作为飞机发动机核心部分的叶片，其发展趋势在很大程度上决定了飞机发动机的发展。

因此，发动机叶片的加工具有很大的意义。

主要体现在一下几个方面：

飞机发动机叶片的加工精度直接影响飞机发动机的使用性能。

在叶片加工中，由于加工的问题，即叶片动平衡不理想，这样就会因为叶片的质量偏心而造成冲击现象的出现，使整个发动机的使用寿命减小。

发动机叶片加工表面质量和叶片轮廓曲面质量直接影响发动机工作噪声。

如果在叶片加工时，加工的表面质量不好或者轮廓曲面不是很理想，就会造成叶片之间的气体波动较大，很容易造成较大的气体动力学噪声，直接影响发动机周围的环境。

由此可见，飞机发动机叶片加工对飞机发动机的发展有重要的意义，它直接影响发动机的性能和寿命，也影响发动机将来的发展，尤其在当今世界局势紧张的大环境下，军用飞机发动机叶片的加工工艺的好坏对飞机的作战性能有举足轻重的影响。

这些复杂型面的加工是现代化机械制造业的一项重要课题。

在叶片的研制中，叶型和凸台的加工，是叶片加工关键，它直接关系到叶片型面的一致性和发动机的压气机性能。

用传统的加工方法如大余量抛光，会造成叶片基体烧伤，而且叶片的型面和凸肩的一致性不好，影响发动机性能而如果采用电解加工，电解模具的设计和制造都具有很大的难度，而且不可以保证凸肩形状和尺寸公差。

本课题在三维设计软件对叶片进行造型的基础上，针对叶片廓形的特性，采用数控加工的方法加工叶片，而数控加工作为一种比较先进的加工方法，可以克服手工抛光和电解加工的困难，而且型面和凸肩的一致性好。

叶片的型面和凸肩用数控铣的方法加工的研究加快了叶片的研制进程，叶片数控加工模板的建立为以后航空发动机叶片的数控铣加工提供经验借鉴。

通过对自由曲线曲面造型和数控加工轨迹的研究，不但解决了造型方法和数控编程中的一些技术性问题，而且将在国民经济中产生巨大的经济效益，为进一步提高我国CAD/CAM的技术水平，缩小与先进国家的差距打下基础。

2模具发展概况、发展方向和发展趋势以及Pro/e软件介绍

2.1中国模具行业发展现状

目前，中国17000多个模具生产厂点，从业人数约50多万。

1999年中国模具工业总产值已达245亿元人民币。

工业总产值中企业自产自用的约占三分之二，作为商品销售的约占三分之一。

在模具工业的总产值中，冲压模具约占50%，塑料模具约占33%，压铸模具约占6%，其它各类模具约占11%。

（据不完全统计，2006年国内模具进口总值达到800多亿，同时，有近300个亿的出口）2007年模具产值预计为900亿元，模具及模具标准件出口将从现在的每年2.5亿美元增长到2007年的5亿美元左右。

单就汽车产业而言，一个型号的汽车所需模具达几千副，价值上亿元，而当汽车更换车型时约有80%的模具需要更换。

2006年我国汽车产销量均突破600万辆，预计2007年产销量各突破680万辆，轿车产量将达到260万辆。

另外，电子和通讯产品对模具的需求也非常大，在发达国家往往占到模具市场总量的20%之多。

虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展，但许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。

例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重还比较低，CAD/CAE/CAM技术的普及率不高，许多先进的模具技术应用还不够广泛等等。

特别在大型、精密、复杂和长寿命模具技术上存在明显差距，这些类型模具的生产能力也不能满足国内需求，因而需要大量从国外进口。

2.2中国模具发展的方向

2005年中国大陆制造工业对模具的总市场需求量约为630亿元，今后几年仍将以每年13%以上的速度增长。

对于大型、精密、复杂、长寿命模具需求的增长将远超过每年13%的增幅。

汽车、摩托车行业的发展将会大大推动模具工业的高速增长，特别是汽车覆盖件模具、塑料模具和压铸模具的发展。

家用电器，如彩电、冰箱、洗衣机、空调等，在国内的市场很大。

目前，我国的彩电的年产量已超过5200万台，电冰箱、洗衣机和空调的年产量均超过了3000万台。

家用电器行业的发展对模具的需求量也将会很大。

其他发展较快的行业，如电子、通讯和建筑材料等行业对模具的需求，都将对中国模具工业和技术的发展产生巨大的推动作用。

我国模具行业将向大型、精密、复杂、高效、长寿命和多功能方向发展。

目前，电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电、通讯和军工等产品中，60％－80％的零部件，都要依靠模具成型。

用模具成型的制件所表现出来的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗，是其他加工制造方法所无法比拟。

模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和开发能力。

精度将越来越高。

10年前，精密模具的精度一般为5μｍ，现在已达2－3μｍ。

不久，1μｍ精度的模具将上市。

随着零件微型化及精度要求的提高，有些模具的加工精度公差就要求在1μｍ以下，这就要求发展超精加工。

模具制造是典型的单件小批量生产方式。

数控技术的发展不仅大大缩短了模具制造周期而且大大提高了模具的制造精度，还使模具制造越来越自动化，大大降低了模具制造的成本，而且一些复杂精密的大型模具不在数控设备几乎不能完成。

在日本的模具制造企业，几乎已普遍采用CNC机床、加工中心（MC）或CNC电火花加工设备。

据名古屋金型公司工作人员介绍，由于采用CNC机床、加工中心等先进加工设备，大大缩短了模具的交货期限，降低了生产成本。

公司生产的汽车前后尾灯灯罩注塑模具交货期限为三个月，其中用于CAD和CAM的时间分别各为约100小时，机械加工时间100小时左右，其余时间为抛光和装配。

在这个以生产汽车前后尾灯灯罩注塑模具为主的小型模具厂，在20多台机加工设备中，电火花成形加工设备约占1/3，CNC铣床和加工中心约占2/3，只有1台加工深孔的枪钻为半自动设备。

日本的模具制造企业，很少用到仿形铣床，其原因一是由于仿形铣床加工精度较低，增加了抛光工作量和时间；二是制作仿形件增加了生产费用和时间。

有些模具制造厂电火花成形加工机床的使用量也在减少。

在东芝机械模具厂，几台仿形铣床被用作普通铣削加工，其工作人员指出：

由于高速铣削技术发展很快，而且加工精度、效率不断提高，生产周期缩短，电火花加工制作工具电极不仅需要时间，还增加了生产成本，很可能要被取代在日本模具制造行业，仿形铣削工艺有被取代的趋势。

关于高速铣削，在日本模具制造行业和机床行业都是一个热门话题。

其关键技术一是要求高精度、高转速的机床主轴，二是要求使用适应高速切削、耐高温的铣刀。

名古屋金型公司使用的高速铣削加工中心（三轴数控），它使用一个专用的高速气压轴承铣削头，转速达到20000rpm。

在生产锻件为主的万能工业株式会社，使用瑞士和日本合资生产的MatsuuraFX-5高速CNC铣床（铣刀转速最高可达30000rpm，铣削精度0.01mm）加工锻模，该铣床还配备了专用的CAM软件。

日本OKUMA金属切削机床公司研制生产了五轴高速模具加工中心OKUMAMICR-BI-HP（n=30000rpm，f=30m/min），并为该机床及产品配备了CAD/CAM软件。

我国的模具生产设备有比以前得到了很大的改善，国产制造设备也在不停的更新换代，甚至有些产品已经达到世界先进水平，我国还大量进口了发达国家的先进设备，就是这些设备大大推动了模具制造业的发展。

2.3Pro/ENGINEER软件简介

本世纪的一个重大变革是全球市场的统一，它使市场竞争更加激烈，产品更新更快，但是有限的资源加上消费者对复杂产品的需求日益增加，使你合很难保持市场分额。

在这种背景下，CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）/CAE（计算机辅助测量）技术得到迅速普及和极大发展。

海湾战争结束当年，美国评出的最具影响的十大技术中，CAD/CAM/CAE技术便榜上有名。

在为数众多的CAD/CAM/CAE软件中，主流软件包括种类繁多，PRO/E，UG，CIMATRON，MDT，I－DEAS，MASTERCAM都是个中极品，但PRO/E工业解决方案地位显赫，它是美国PTC公司的拳头产品，技术领先，在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用，是CAD/CAM/CAE领域少有的顶尖“人物”。

Pro/ENGINEER是由美国参数技术公司（PTC）推出，是国际上最先进、最成熟使用参数化特征造型技术的大型CAD/CAM/CAE集成软件。

该软件近年来在我国模具行业和各工厂、研究单位中得到普遍应用，深受广大工程技术人员的喜爱。

Pro/ENGINEER包括三维实体造型、零件装配、加工仿真、NC自动编程、有限元分析、模具设计、板金设计、电路布线、管路装配设计等模块。

可以实现DFM（Design ForManufacturing——面向制造的设计）、DFA（DesignForAssembly——面向装配的设计）、ID（InverseDesign——反求工程）、CE（ConcurrentEngineer——并行工程）等先进设计方法和模式。

其主要特点是参数化特征造型，使用关系数据库，即设计参数有一处修改，别的模块中相应的图形和数据都会自动更新。

这一特点在模具设计中，塑料制品形状、结构、尺寸的改变就会自动更换模具的型腔和型芯的形状、结构、尺寸，从而大大减少工程技术人员的设计工作量。

2.4PRO/E软件主要模块介绍

Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。

Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。

Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：

筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。

这个系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。

这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。

造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。

Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。

它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（人工）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。

Pro/Engineer功能如下：

1．特征驱动（例如：

凸台、槽、倒角、腔、壳等）；

2．参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；

3．通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。

4．支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro／PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。

5．贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。

其它辅助模块将进一步提高扩展Pro／ENGINEER的基本功能。

3叶片造型

3.1Pro/E设计软件绘制叶身

3.1.1叶片的形状

叶片的形状复杂,从外观上看是简单的片状结构,但实际上是由多向空间三维扭转曲面组成的螺旋体。

（如图3.1所示）

图3.1叶片的形状

3.1.2绘制叶身

在叶片造型的过程中，我的依据就是已知的气动数据，首先就是要由这些截面线型值点来拟合叶片的截面线，然后将各截面线在其径向上进行叠加形成叶片型面。

对叶片的造型有以下的要求：

（1）叶片截面线是自由曲线，叶片型面是负责的三维自由曲面，几何精度要求较高；

（2）叶片气动性能要求较高，对曲面光顺性要求较高；

（3）叶片的气动点来自于气动数据，在造型过程中要尽量保证其气动性；

由于在造型时要求的精度较高，在造型时会出现两个问题：

（1）叶片截面曲线造型结果不光顺，传统方法通过插值得到足够多的数据带点来构成截面线，但插值方法不能完全保证缘头区域的截面线的凹凸性不发生突变（即产生拐点），因此会导致叶身曲面在加工时产生啃切或价格不到位；

（2）叶片型面在缘头区域发生扭曲，严重影响曲面质量，由插值方法得到的截面线，在缘头区域给出了较密的数据点，使得在曲线放样的过程中，很难保证在各截面的缘头处点的参数对其，导致缘头区域曲面扭曲的状况。

通过查阅资料可以知道，叶身是有叶背、叶盆、前缘和后缘所构成，创建叶身型面时首先要做出叶背和叶盆的曲线，然后以圆弧的形式分别连接两端构建前缘和后缘，而圆弧的圆心和半径都是已知的数据。

而本课题只具备构建叶背和叶盆型面曲线的气动数据，因此，我选择用样条曲线依次连接叶背和叶盆上的所有点，从而构建整个叶身型面去线，解决前缘和后缘的问题。

（1）创建“零件”和“实体”,进入草绘界面

图3.2进入草绘界面

单击“

”工具下的偏移坐标基准点工具，