基于PROE的汽轮机叶片数控加工工艺及专用检测工具毕业论文.docx

1、基于PROE的汽轮机叶片数控加工工艺及专用检测工具毕业论文本科生毕业论文（设计）题 目: 基于PRO/E汽轮机叶片数控加工工艺 及专用检测工具设计 姓 名: 学 院: 工学院 专 业: 机械式及制造及其自动化 班 级: 学 号: 指导教师: 职称: 20年 月 日目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言 11 本课题研究的内容及意义11.1汽轮机简介21.2汽轮机叶片简介31.2.1汽轮机叶片的结构与分类 31.2.2汽轮机叶片的材料 51.3本课题研究的内容62 汽轮机叶片三维建模62.1 PRO/E软件简介 62.2基于PRO/E软件的叶片三维建模分析72.3汽轮机叶

2、片建模82.3.1汽轮机叶片型面数据点的提取 82.3.2汽轮机叶片叶身建模102.3.3汽轮机叶片叶根建模122.3.4汽轮机叶片叶冠建模132.3.5汽轮机叶片建模总结133 叶片加工工艺分析及方案制订143.1叶片毛坯的选用143.2叶片叶根和叶冠加工工艺设计153.3叶片叶身型面加工工艺设计153.4叶片工艺流程154 叶片的数控加工164.1四轴联动加工中心简介164.2叶片数控加工工艺分析174.3数控编程184.3.1切削参数设定184.3.2刀具设置194.3.3机床设置194.3.4NC序列设置204.3.5轨迹生成和加工仿真214.3.6刀位文件和后置处理225叶片型面的检

3、测及其专用检测工具设计225.1叶片型面检测概述225.2叶片型面专用检具设计235.2.1样板传递原则235.2.2样板选材245.2.3样板设计245.2.4检具的组装25致谢26参考文献26附录A叶片工艺卡片附录B叶片叶身部分刀位文件及NC代码附录 C 叶片型面专用检测工具图纸毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：本人所提交的毕业设计（论文），包括论文、图纸、软件、翻译、制作的产品等成果，均是本人在指导教师的指导下独立完成。凡他人完成的部分或引用的他人已发表的成果均在文中以明确方式标出。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论 文 作 者： （签字） 时间： 2011年 月 日指导

4、教师已阅： （签字） 时间： 2011年 月 日基于Pro/E汽轮机叶片数控加工工艺及专用检测工具设计机械设计制造及其自动化 徐旭灿指导教师 陈光明摘要：本课题主要研究了基于Pro/E的汽轮机叶片三维造型设计、汽轮机叶片加工工艺设计，重点研究了基于Pro/E的汽轮机叶片数控加工技术。本文详细介绍了基于Pro/E的汽轮机叶片的三维建模；阐述了叶片从毛坯粗加工到叶片型面精加工的加工工艺及工艺流程。另本文介绍了叶片叶身型面专用检具的设计。 关键词：汽轮机叶片；Pro/E；数控加工；专用检具；Based on Pro/E for turbine blades CNC machining technol

5、ogy and dedicated detection tool designStudent majoring in Mechanical Design, Manufacturing and Automation XuCan XuTutor Guangming ChenAbstract：The main research topics based on Pro/E software for three-dimensional modeling ofturbine blade and machining process design of turbine blade focuses on CNC

6、 machining technology of turbine blade. The thesis introduces detailed account of how to design the model of turbine blade by Pro/E and states the whole process of blades machining from the rough machining to forming surface fine finishing. Then the design of dedicated detection tool for forming sur

7、face of turbine blade is displayed.Key words: Turbine blade; Pro/E; CNC Machining; dedicated detection tool;引言 汽轮机叶片属于较为复杂的机械零件，其加工中的重点和难点是叶身的曲面铣削。随着制造技术的飞速发展，特别是计算机辅助制造技术和计算机辅助设计技术以及数控加工技术的广泛应用，叶片的制造精度有了大幅提高。本文以强大的CAD/CAM软件PRO/E5.0为基础，详细介绍了汽轮机动叶的三维建模和数控加工工艺及专用检具的设计。1.本课题研究的内容及意义1.1汽轮机简介汽轮机是用具有一定温度和

8、压力的过热蒸汽(工质)为动力，并将蒸汽的热能转换为转子旋转的机械能的动力机械，是现代火力发电厂中应用最广泛的原动机，也可用来直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。汽轮机具有单机功率大、热效率高、运转平稳事故率低、寿命长等优点。在汽轮机中，蒸汽的热能转变为旋转的机械能，一般可通过两种不同的作用原理来实现：一种是冲动作用原理，另一种是反动作用原理。由牛顿第三定律可知，当某物体对另一物体施加作用力时，此物体就必然要受到与其作用力大小相等、方向相反的的反作用力，这个作用力称为冲动力。冲动力的大小取决于运动物体的质量和速度的变化。质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大。受到冲动力作用的物

9、体产生了速度变化，该运动物体就做了机械功。以单级冲动式汽轮机结构为例，如图1。蒸汽在喷嘴中产生膨胀，压力降低，速度增加，蒸汽的热能转变为蒸汽的动能。高速汽流流经叶片时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能转变为轴旋转的机械能。在反动式汽轮机中，蒸汽不但在喷嘴（静叶栅）中产生膨胀，压力降低，速度增高，高速汽流对动叶产生一个冲动力；而且在动叶栅中也膨胀，压力降低，速度在动叶出口相对于动叶进口时增加，汽流必然对动叶产生一个由于加速而引起的反动力，使转图1 冲动式汽轮机工作原理图 子在蒸汽冲动力和反动力的共同作用下旋转1-轴；2-叶轮；3-动叶；4-喷嘴 作功。汽轮机

10、由转动部分和静止部分所组成。汽轮机转动部件的组合体称为转子，它包括主轴、叶轮(或转鼓)、动叶栅、联轴器及装在轴上的其他零件。蒸汽作用在动叶栅上的力矩，通过叶轮、主轴和联轴器传递给发电机或其他设备，并使它们旋转而作功。汽轮机的静止部分包括基础、台板(机座)、汽缸、喷嘴、隔板、汽封、轴承等部件，但主要是汽缸和隔板。汽轮机转子一般分为四类，分别是套装转子、整锻转子、组合转子和焊接转子。套装转子的结构结图2所示。套装转子的叶轮、轴封套、联轴器等部件和主轴是分别制造的，然后将它们热套(过盈配合)在主轴上，并用键传递力矩。主轴加工成阶梯形，中间直径大， 两端直径小，这样不仅有利于减小转子的挠度，而且便于叶

11、轮的套装和定位。套装转子的优点是叶轮和主轴可以单独制造，故锻件小，加工方便、节省材料、容易保证质量、转子部分零件损坏后也容易拆换。其缺点是轮孔处应力较大、转子的刚性差，特别是在高温下工作时，金属的蠕变容易使叶轮和主轴套装处产生松动现象。因此这类转子只适用于中、低参数的汽轮机和高参数汽轮机的中、低压部分，其工作温度一般在400以下。本文例子中的叶片正是套装转子中的末一级动叶片。 图2 套装转子 1-油封环；2-轴封套；3-轴；4-动叶槽；5-叶轮；6-平衡槽1.2汽轮机叶片简介叶片是汽轮机的关键零件,又是最精细、最重要的零件之一。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力

12、、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。它是整个汽轮机能量转换的关键部件，决定着汽轮机的工作效率和安全可靠性。1.2.1汽轮机叶片的结构与分类 汽轮机叶片按用途可分为动叶片和静叶片。动叶片动叶处安装在转子叶轮或转鼓上，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。静叶隔板用于固定静叶片，并将汽缸分成若干个汽室。 图3 汽轮机动叶叶片一般由叶身（图3中3）、叶根（图3中2）和叶冠（图3中1）三个部分组成。叶根的作用是将叶片固定在转子，它的结构应该在保证任何运行条件下叶片都能可靠地固定在转子上的条件下，同时力求制造简单、装配方便。转子的结构形式、叶片的强度和安装工艺要求等决

13、定着叶根的结构形式。叶根通常有以下几种类型：（1）T型：如图4-a，此种叶根结构简单，加工装配方便，工作可靠。但由于叶根承载面积小，故叶轮轮缘弯曲应力较大，故常用于受力不大的短叶片。（2）外包凸肩T型：如图4-b所示为带凸肩的单T型叶根，其外包凸肩能阻止轮缘张开，减小轮缘两侧截面上的应力。（3）双T型：如图4-d所示为带凸肩的双T型叶根，由于增大了叶根的承载面，故它可用于较长的叶片。此种叶根的加工精度要求较高，特别是两承载面之间的尺寸误差大时受力不均匀，叶根强度大幅下降。（4）菌形：如图4-c所示。这种叶根和轮缘的载荷分布比T型合理，因而其强度较高，但加工复杂，故不如T型叶根应用广泛。（5）叉

14、形：图4-e所示为叉形叶根，这种叶根的叉尾直接插入轮缘槽内，并用两排铆钉固定。叉尾数可根据叶片离心力大小选择，被大功率汽轮机末级叶片广泛采用。（6）枞树形：如图4-f，这种叶根和轮缘的轴向断口设计成尖劈形，以适应根部的载荷分布，使叶根和对应的轮缘承载面都接近于等强度，因此，在等尺寸的情况下，枞树形叶根承载能力更高。 图4 叶根类型汽轮机同一级中，用围带、拉筋连在一起的数个短叶片或中长叶片称之为叶片组（成组叶片）；用围带、拉筋将全部叶片连接在一起的称之为整圈连接叶片；不用围带、拉筋连接的叶片称自由叶片。也有用围带、拉筋将整圈叶片连接在一起，形成整圈连接叶片，如图5。围带的作用：增加叶片刚性，改变

15、叶片的自振频率，以避开共振，从而提高了叶片的振动安全性；减小汽流产生的弯应力；可使叶片构成封闭通道，并可装置围带汽封，减小叶片顶部的漏气损失。拉筋的作用：拉筋的作用是增加叶片的刚性，以改善其振动特性。但是拉筋增加了蒸汽流动损失，同时拉筋还会削弱叶片的强度，因此应尽量避免采用拉筋，有的长叶片就设计成自由叶片（如图6）。 图5 整圈叶片 图6 自由叶片叶身是汽轮机的主要通流部分，承担着把蒸汽的动能转变为机械能的任务，要求有较好的气动特性，比如型线、进汽角、出汽角等。叶型（型面）是指叶身部分的横截面形状。型线是指型面的横截面形状的周线。按叶型沿叶高是否变化可把叶片分成等截面叶片（图7-a）和变截面叶

16、片（图7-b）。等截面叶片的截面处处相等，适用于短叶片。变截面的叶片高度增大后可提高叶片的工作效率，同时为了改善叶片的强度条件，自下而上叶片的截面积逐渐缩小，如图8是一种典型的弯扭叶片实体图。 图7 叶片类型 图8 弯扭叶片1.2.2汽轮机叶片的材料汽轮机叶片受高温 高压蒸汽的作用，工作中承受着较大的弯矩，高速运转 中的动叶片还要承受很高的离心力;处于湿燕汽区的 叶片，特别是末级，要经受电化学腐蚀及水滴冲蚀.动 叶片还要承受很复杂的激振力。因此，叶片用钢应满足以下要求: 有足够的室温、高温力学性能和抗姗变性能 有高的抗振动衰减能力高的组织稳定性 良好的耐腐蚀和抗冲蚀能力良好的工艺性能因此1Cr

17、l3、2Crz3等及以此为基含有 Mo、W、Nb、B、Ni等强化元素的12%一13%Cr不锈钢， 有良好的抗振性能和抗腐蚀性能，成为汽轮机叶片的主要材料。但在某些工作温度簇400和要求抗腐蚀 性不高的过热燕汽区工作的叶片，可用一些低合金钢 制作叶片以降低造价，如ZoerMo、ZsMnZv及15MnMoVCu等强化型铬不锈钢。在湿蒸汽区工作的叶片需用抗腐蚀 性高的不锈钢，并随着使用温度的提高及叶片尺寸的 加大要使用有更高高温强度或强度的叶片用钢材料。 Icr13、2Cr13等可用于工作温度簇450C叶片。温度 超过500，需在ICr13型的基础上，加入多元合金 元素Mo、W、Nb、B、Ni等强化

18、的钢。1.3本课题的研究内容汽轮机制造行业是一个与高新技术密切相关的重大装备制造业，它的发展史国家技术进步和经济发展的写照。在整个汽轮机的发展历程中，汽轮机叶片的发展占据着相当重要的地位。因为叶片是汽轮机实现能量转换的关键部件,提高汽轮机工作效率的关键一环。叶片的加工工艺也在不断地与时俱进，而叶片的数控加工工艺一直是机械制造领域中的一个研究热点。随着数控技术的发展和应用，国内外当下的主流的CAD/CAM软件有UG、PRO/E等，汽轮机叶片的数控加工将在经过占据越来越主要的地位，而普通机床也不会退出叶片加工的领域，因为相对数控机床而言使用普通机床的成本更低且加工某些叶根叶冠的效率更高。本文以无锡

19、天时达叶片有限公司的某型号叶片为例，介绍了如何运用PRO/E软件对汽轮机叶片进行精确造型和数控加工。依据工厂现有的生产设备，提出对现有加工工艺进行优化的参考意见，以便节约成本，实现更高的生产效率。同时也设计了叶片型面数控加工的专用检测工具。 2 汽轮机叶片三维建模2.1 PRO/E软件简介Pro/E是美国参数技术公司的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。它具有如下特点和优势：参数化设计和特征功能、单一数据库、

20、全相关性、 基于特征的参数化造型、装配管理、易于使用。其NC加工模块具有强大的加工、后置处理功能。Pro/E NC提供了数控车削、铣削、钻孔和线切割等数控模块，详见表1。表1 PRO/E NC模块模块名称执行功能Pro/E NC-MILL2.5轴铣削3轴铣削和孔加工Pro/E NC-TURN2轴车削和中心线钻孔4轴车削和中心线钻孔Pro/E NC-WEDM2轴车削和4轴线切割数控加工Pro/E NC-ADVANCED2轴到5轴铣削和孔加工2轴到4轴车削及孔加工车铣加工中心上的车削、铣削和孔加工2轴车削和4轴线切割 2.2基于PRO/E软件的叶片三维建模分析 汽轮机叶片的建模主要分为三部分，即叶

21、身型面建模、叶根建模和叶冠建模。其中三部分中最复杂的无疑是叶身型面的建模。若叶身建模完成后可以以叶身两端面为基准进行叶根和叶身的建模。因此首先要解决叶身建模的问题。首先，必须要具备叶身型面的设计数据。一般设计者会给出叶身各个截面的型线，叶身型面一般由直线段、圆弧段和样条曲线段组成。在建模是可以直接导入型面的型线，也可以提取出型线上的坐标点再导入到PRO/E中。在此可以给出两种基本的建模方案，方法一如图9，方法二如图10。本文则以第二种方法为例，介绍叶根建模的整个过程。 图9 方法一 图10 方法二方法一，即直接导入工程图纸和提取型线数据点后再把数据文件导入PRO/E。直接导入工程图到PRO/E

22、的做法应用相当广泛，在叶片建模的中也不失为一种方法。但是，对这两种方法深加研究，就可以发现直接导入工程图有弊端。型线的工程图导入指定的基准面后有两种后续的处理方法。其一是利用PRO/E的曲线编辑功能把一些细微的线段和样条曲线连接起来后再做混合，另一种是在各个制定截面的基准面上利用PRO/E的“使用边”的功能抓取型面边界线条草绘成一个封闭截面。若给定的型面较少，工作量不大，若给定的界面很多，则每个界面都需重新草绘，工作量相当大。合并连接曲线后经常需要再利用PRO/E的曲线光滑命令使曲线更加关顺，否则在混合后的曲面会出现不少的细微的凹凸处。这对后续的曲面加工来说是致命的。导入数据点的方法的前期准备

23、工作相对比较繁琐，尤其是提取数据点和数据的处理都比较麻烦，但是一旦编制成数据文件，导入PRO/E后几乎可以不用做什么处理就可以直接混合生成曲面了。而且在绘图的时候没有多余的线条，相当地简洁。综上所述，两种方法各有优缺点，在工程图的型线较简单、质量较好的情况下使用第一种方法可能比较简单；而在型面比较多，型线又由很多段线条组成的情况下采用第二种方法或许比较好。2.3汽轮机叶片建模2.3.1汽轮机叶片型面数据点的提取 由于给定的叶身型面通常不是由单一的样条曲线组成，若完全按照给定的型线设计会比较麻烦。本文则完全使用样条曲线来替代其中的圆弧和直线，理论上只要直线和圆弧上取得的数据点足够多，是可以完全满

24、足设计精度的要求。提取数据点工作的第一步都是把所要提取的型面型线的坐标原点（中心点）移动到和AUTO CAD世界坐标系重合（如图9）。把型面型线移动到原点是为了把所得的数据点导入PRO/E生产相应曲线后的PRO/E中的世界坐标相吻合，可以不在移动曲线而直接混合产生曲面。（1）样条曲线拟合点的提取图11 叶片型面数据点选中目标曲线，输入“list”命令在按回车键（如图11所示），就可看到AUTO CAD出现文本框（如图12所示）。其中详细地列出了每个控制点的坐标。若控制点过多，无法再一个页面显示完全，可根据提示按回车键知道列出所有的控制点。把控制点复制下来，按PRO/E的*.ibl文件的制定格式

25、保存起来。如图所示。这些离散的数据点处理起来比较麻烦，可以使用批处理删除复制下来的文本中的“x=”、“y=”和“z=”等多余字符，并给每个数据点之前添加一个序号。除此之外，也可以使用Office中宏的功能来处理数据达到制定格式的要求。其中有关PRO/E的*.ibl文件的格式和语句可以参考相关的PRO/E书籍，在此不再赘述。 图12 数据点窗口 图13 ibl格式的文件(2)直线和圆弧数据点的提取直线和圆弧数据点提取的操作基本和以上样条曲线数据提取的步骤类似，在此相同部分就不再赘述，就不同的部分作如下说明。由于在一个平面内定义一条直线只需两个点的坐标，因此使用“list”命令只能得到两个坐标点，

26、即直线的起点坐标和终点坐标。但是仅仅这两个坐标点在导入PRO/E生成曲线时会产生较大的误差。因此，再次首先把直线段等分成20个小线段，再提取这些小线段的起点和终点坐标。由于型面中型线的直线段通常很短，只有2mm左右，20个等分点完全可以满足精度要求。对于圆弧的数据的提取也采用同样的方法，先等分，再提取出等分后的微小圆弧起点和终点坐标。圆弧段通常也相当的短，在此等分成40段。若不能满足精度要求，可以完全加大等分的段数来获得更高的精度。2.3.2汽轮机叶片叶身建模把2.3.1中所提取的数据点保存为spline-blade.ibl文件。在PRO/E中新建零件，把spline-blade.ibl文件导

27、入PRO/E中。具体的操作步骤如下所示：单击窗口右边菜单栏中的【曲线】-【自文件】-【完成】后如图12所示，PRO/E要求选取坐标系，然后选择PRO/E中的原坐标系，出现如图13所示的打开对话框。选择上一步建立的数据文件。PRO/E立即自动建立好如图14所示的空间曲线。图14 建立曲线 图15 选取坐标系 图16 完成曲线建立若上述数据文件中定义的是闭合曲线，则立马就可以开始曲面混合造型。若上述步骤中定义的不是闭合曲线，则需要连接所各个曲线段然后再混合造型。曲线连接的操作如下，选中所建立的曲线特征，右键单击后出来如图17所示的菜单，单击【编辑定义】/【完成】，出现如图18所示菜单，选择【合并】并选取两条需要合并的曲线就可以使两条曲线合并成一条。 图17 编辑定义 图18 合并曲线接下来，使用边界混合命令，按住Ctrl键一次选择从A-A到K-K界面的型线，如图19所示。至此就完成了叶身背面的建模，依照上述步骤再完成叶身内面的边界混合。再对叶身两端的截面进行填充。填充的操作步骤如下，单击【编辑】【填充】，选取叶身的一个端面，完成。如图20所示。 图19 混合曲面 图20 填充叶身两端面填充完叶身两端面，再通过【