本科生畢業(yè)論文（設計）題 目: 基于PRO/E汽輪機葉片數(shù)控加工工藝 及專用檢測工具設計 姓 名: 學 院: 工學院 專 業(yè): 機械式及制造及其自動化 班 級: 學 號: 指導教師: 職稱: 20年 月 日目 錄摘要1關鍵詞1Abstract1Key words1引言 11 本課題研究的內容及意義11.1汽輪機簡介21.2汽輪機葉片簡介31.2.1汽輪機葉片的結構與分類 31.2.2汽輪機葉片的材料 51.3本課題研究的內容62 汽輪機葉片三維建模62.1 PRO/E軟件簡介 62.2基于PRO/E軟件的葉片三維建模分析72.3汽輪機葉片建模82.3.1汽輪機葉片型面數(shù)據(jù)點的提取 82.3.2汽輪機葉片葉身建模102.3.3汽輪機葉片葉根建模122.3.4汽輪機葉片葉冠建模132.3.5汽輪機葉片建模總結133 葉片加工工藝分析及方案制訂143.1葉片毛坯的選用143.2葉片葉根和葉冠加工工藝設計153.3葉片葉身型面加工工藝設計153.4葉片工藝流程154 葉片的數(shù)控加工164.1四軸聯(lián)動加工中心簡介164.2葉片數(shù)控加工工藝分析174.3數(shù)控編程184.3.1切削參數(shù)設定184.3.2刀具設置194.3.3機床設置194.3.4NC序列設置204.3.5軌跡生成和加工仿真214.3.6刀位文件和后置處理225葉片型面的檢測及其專用檢測工具設計225.1葉片型面檢測概述225.2葉片型面專用檢具設計235.2.1樣板傳遞原則235.2.2樣板選材245.2.3樣板設計245.2.4檢具的組裝25致謝26參考文獻26附錄A葉片工藝卡片附錄B葉片葉身部分刀位文件及NC代碼附錄 C 葉片型面專用檢測工具圖紙畢業(yè)設計（論文）誠信聲明書本人鄭重聲明：本人所提交的畢業(yè)設計（論文），包括論文、圖紙、軟件、翻譯、制作的產品等成果，均是本人在指導教師的指導下獨立完成。凡他人完成的部分或引用的他人已發(fā)表的成果均在文中以明確方式標出。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。論 文 作 者： （簽字） 時間： 2011年 月 日指導教師已閱： （簽字） 時間： 2011年 月 日基于Pro/E汽輪機葉片數(shù)控加工工藝及專用檢測工具設計機械設計制造及其自動化 徐旭燦指導教師 陳光明摘要：本課題主要研究了基于Pro/E的汽輪機葉片三維造型設計、汽輪機葉片加工工藝設計，重點研究了基于Pro/E的汽輪機葉片數(shù)控加工技術。本文詳細介紹了基于Pro/E的汽輪機葉片的三維建模；闡述了葉片從毛坯粗加工到葉片型面精加工的加工工藝及工藝流程。另本文介紹了葉片葉身型面專用檢具的設計。 關鍵詞：汽輪機葉片；Pro/E；數(shù)控加工；專用檢具；Based on Pro/E for turbine blades CNC machining technology 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 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 surface of turbine blade is displayed.Key words: Turbine blade; Pro/E; CNC Machining; dedicated detection tool;引言 汽輪機葉片屬于較為復雜的機械零件，其加工中的重點和難點是葉身的曲面銑削。隨著制造技術的飛速發(fā)展，特別是計算機輔助制造技術和計算機輔助設計技術以及數(shù)控加工技術的廣泛應用，葉片的制造精度有了大幅提高。本文以強大的CAD/CAM軟件PRO/E5.0為基礎，詳細介紹了汽輪機動葉的三維建模和數(shù)控加工工藝及專用檢具的設計。1.本課題研究的內容及意義1.1汽輪機簡介汽輪機是用具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽(工質)為動力，并將蒸汽的熱能轉換為轉子旋轉的機械能的動力機械，是現(xiàn)代火力發(fā)電廠中應用最廣泛的原動機，也可用來直接驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等。汽輪機具有單機功率大、熱效率高、運轉平穩(wěn)事故率低、壽命長等優(yōu)點。在汽輪機中，蒸汽的熱能轉變?yōu)樾D的機械能，一般可通過兩種不同的作用原理來實現(xiàn)：一種是沖動作用原理，另一種是反動作用原理。由牛頓第三定律可知，當某物體對另一物體施加作用力時，此物體就必然要受到與其作用力大小相等、方向相反的的反作用力，這個作用力稱為沖動力。沖動力的大小取決于運動物體的質量和速度的變化。質量越大，沖動力越大；速度變化越大，沖動力也越大。受到?jīng)_動力作用的物體產生了速度變化，該運動物體就做了機械功。以單級沖動式汽輪機結構為例，如圖1。蒸汽在噴嘴中產生膨脹，壓力降低，速度增加，蒸汽的熱能轉變?yōu)檎羝膭幽堋８咚倨髁鹘?jīng)葉片時，由于汽流方向改變，產生了對葉片的沖動力，推動葉輪旋轉做功，將蒸汽的動能轉變?yōu)檩S旋轉的機械能。在反動式汽輪機中，蒸汽不但在噴嘴（靜葉柵）中產生膨脹，壓力降低，速度增高，高速汽流對動葉產生一個沖動力；而且在動葉柵中也膨脹，壓力降低，速度在動葉出口相對于動葉進口時增加，汽流必然對動葉產生一個由于加速而引起的反動力，使轉圖1 沖動式汽輪機工作原理圖 子在蒸汽沖動力和反動力的共同作用下旋轉1-軸；2-葉輪；3-動葉；4-噴嘴 作功。汽輪機由轉動部分和靜止部分所組成。汽輪機轉動部件的組合體稱為轉子，它包括主軸、葉輪(或轉鼓)、動葉柵、聯(lián)軸器及裝在軸上的其他零件。蒸汽作用在動葉柵上的力矩，通過葉輪、主軸和聯(lián)軸器傳遞給發(fā)電機或其他設備，并使它們旋轉而作功。汽輪機的靜止部分包括基礎、臺板(機座)、汽缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承等部件，但主要是汽缸和隔板。汽輪機轉子一般分為四類，分別是套裝轉子、整鍛轉子、組合轉子和焊接轉子。套裝轉子的結構結圖2所示。套裝轉子的葉輪、軸封套、聯(lián)軸器等部件和主軸是分別制造的，然后將它們熱套(過盈配合)在主軸上，并用鍵傳遞力矩。主軸加工成階梯形，中間直徑大， 兩端直徑小，這樣不僅有利于減小轉子的撓度，而且便于葉輪的套裝和定位。套裝轉子的優(yōu)點是葉輪和主軸可以單獨制造，故鍛件小，加工方便、節(jié)省材料、容易保證質量、轉子部分零件損壞后也容易拆換。其缺點是輪孔處應力較大、轉子的剛性差，特別是在高溫下工作時，金屬的蠕變容易使葉輪和主軸套裝處產生松動現(xiàn)象。因此這類轉子只適用于中、低參數(shù)的汽輪機和高參數(shù)汽輪機的中、低壓部分，其工作溫度一般在400以下。本文例子中的葉片正是套裝轉子中的末一級動葉片。 圖2 套裝轉子 1-油封環(huán)；2-軸封套；3-軸；4-動葉槽；5-葉輪；6-平衡槽1.2汽輪機葉片簡介葉片是汽輪機的關鍵零件,又是最精細、最重要的零件之一。它在極苛刻的條件下承受高溫、高壓、巨大的離心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蝕和振動以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的共同作用。它是整個汽輪機能量轉換的關鍵部件，決定著汽輪機的工作效率和安全可靠性。1.2.1汽輪機葉片的結構與分類 汽輪機葉片按用途可分為動葉片和靜葉片。動葉片動葉處安裝在轉子葉輪或轉鼓上，接受噴嘴葉柵射出的高速氣流，把蒸汽的動能轉換成機械能，使轉子旋轉。靜葉隔板用于固定靜葉片，并將汽缸分成若干個汽室。 圖3 汽輪機動葉葉片一般由葉身（圖3中3）、葉根（圖3中2）和葉冠（圖3中1）三個部分組成。葉根的作用是將葉片固定在轉子，它的結構應該在保證任何運行條件下葉片都能可靠地固定在轉子上的條件下，同時力求制造簡單、裝配方便。轉子的結構形式、葉片的強度和安裝工藝要求等決定著葉根的結構形式。葉根通常有以下幾種類型：（1）T型：如圖4-a，此種葉根結構簡單，加工裝配方便，工作可靠。但由于葉根承載面積小，故葉輪輪緣彎曲應力較大，故常用于受力不大的短葉片。（2）外包凸肩T型：如圖4-b所示為帶凸肩的單T型葉根，其外包凸肩能阻止輪緣張開，減小輪緣兩側截面上的應力。（3）雙T型：如圖4-d所示為帶凸肩的雙T型葉根，由于增大了葉根的承載面，故它可用于較長的葉片。此種葉根的加工精度要求較高，特別是兩承載面之間的尺寸誤差大時受力不均勻，葉根強度大幅下降。（4）菌形：如圖4-c所示。這種葉根和輪緣的載荷分布比T型合理，因而其強度較高，但加工復雜，故不如T型葉根應用廣泛。（5）叉形：圖4-e所示為叉形葉根，這種葉根的叉尾直接插入輪緣槽內，并用兩排鉚釘固定。叉尾數(shù)可根據(jù)葉片離心力大小選擇，被大功率汽輪機末級葉片廣泛采用。（6）樅樹形：如圖4-f，這種葉根和輪緣的軸向斷口設計成尖劈形，以適應根部的載荷分布，使葉根和對應的輪緣承載面都接近于等強度，因此，在等尺寸的情況下，樅樹形葉根承載能力更高。 圖4 葉根類型汽輪機同一級中，用圍帶、拉筋連在一起的數(shù)個短葉片或中長葉片稱之為葉片組（成組葉片）；用圍帶、拉筋將全部葉片連接在一起的稱之為整圈連接葉片；不用圍帶、拉筋連接的葉片稱自由葉片。也有用圍帶、拉筋將整圈葉片連接在一起，形成整圈連接葉片，如圖5。圍帶的作用：增加葉片剛性，改變葉片的自振頻率，以避開共振，從而提高了葉片的振動安全性；減小汽流產生的彎應力；可使葉片構成封閉通道，并可裝置圍帶汽封，減小葉片頂部的漏氣損失。拉筋的作用：拉筋的作用是增加葉片的剛性，以改善其振動特性。但是拉筋增加了蒸汽流動損失，同時拉筋還會削弱葉片的強度，因此應盡量避免采用拉筋，有的長葉片就設計成自由葉片（如圖6）。 圖5 整圈葉片 圖6 自由葉片葉身是汽輪機的主要通流部分，承擔著把蒸汽的動能轉變?yōu)闄C械能的任務，要求有較好的氣動特性，比如型線、進汽角、出汽角等。葉型（型面）是指葉身部分的橫截面形狀。型線是指型面的橫截面形狀的周線。按葉型沿葉高是否變化可把葉片分成等截面葉片（圖7-a）和變截面葉片（圖7-b）。等截面葉片的截面處處相等，適用于短葉片。變截面的葉片高度增大后可提高葉片的工作效率，同時為了改善葉片的強度條件，自下而上葉片的截面積逐漸縮小，如圖8是一種典型的彎扭葉片實體圖。 圖7 葉片類型 圖8 彎扭葉片1.2.2汽輪機葉片的材料汽輪機葉片受高溫 高壓蒸汽的作用，工作中承受著較大的彎矩，高速運轉 中的動葉片還要承受很高的離心力;處于濕燕汽區(qū)的 葉片，特別是末級，要經(jīng)受電化學腐蝕及水滴沖蝕.動 葉片還要承受很復雜的激振力。因此，葉片用鋼應滿足以下要求: 有足夠的室溫、高溫力學性能和抗姍變性能 有高的抗振動衰減能力高的組織穩(wěn)定性 良好的耐腐蝕和抗沖蝕能力良好的工藝性能因此1Crl3、2Crz3等及以此為基含有 Mo、W、Nb、B、Ni等強化元素的12%一13%Cr不銹鋼， 有良好的抗振性能和抗腐蝕性能，成為汽輪機葉片的主要材料。但在某些工作溫度簇400和要求抗腐蝕 性不高的過熱燕汽區(qū)工作的葉片，可用一些低合金鋼 制作葉片以降低造價，如ZoerMo、ZsMnZv及15MnMoVCu等強化型鉻不銹鋼。在濕蒸汽區(qū)工作的葉片需用抗腐蝕 性高的不銹鋼，并隨著使用溫度的提高及葉片尺寸的 加大要使用有更高高溫強度或強度的葉片用鋼材料。 Icr13、2Cr13等可用于工作溫度簇450C葉片。溫度 超過500，需在ICr13型的基礎上，加入多元合金 元素Mo、W、Nb、B、Ni等強化的鋼。1.3本課題的研究內容汽輪機制造行業(yè)是一個與高新技術密切相關的重大裝備制造業(yè)，它的發(fā)展史國家技術進步和經(jīng)濟發(fā)展的寫照。在整個汽輪機的發(fā)展歷程中，汽輪機葉片的發(fā)展占據(jù)著相當重要的地位。因為葉片是汽輪機實現(xiàn)能量轉換的關鍵部件,提高汽輪機工作效率的關鍵一環(huán)。葉片的加工工藝也在不斷地與時俱進，而葉片的數(shù)控加工工藝一直是機械制造領域中的一個研究熱點。隨著數(shù)控技術的發(fā)展和應用，國內外當下的主流的CAD/CAM軟件有UG、PRO/E等，汽輪機葉片的數(shù)控加工將在經(jīng)過占據(jù)越來越主要的地位，而普通機床也不會退出葉片加工的領域，因為相對數(shù)控機床而言使用普通機床的成本更低且加工某些葉根葉冠的效率更高。本文以無錫天時達葉片有限公司的某型號葉片為例，介紹了如何運用PRO/E軟件對汽輪機葉片進行精確造型和數(shù)控加工。依據(jù)工廠現(xiàn)有的生產設備，提出對現(xiàn)有加工工藝進行優(yōu)化的參考意見，以便節(jié)約成本，實現(xiàn)更高的生產效率。同時也設計了葉片型面數(shù)控加工的專用檢測工具。 2 汽輪機葉片三維建模2.1 PRO/E軟件簡介Pro/E是美國參數(shù)技術公司的重要產品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。它具有如下特點和優(yōu)勢：參數(shù)化設計和特征功能、單一數(shù)據(jù)庫、全相關性、 基于特征的參數(shù)化造型、裝配管理、易于使用。其NC加工模塊具有強大的加工、后置處理功能。Pro/E NC提供了數(shù)控車削、銑削、鉆孔和線切割等數(shù)控模塊，詳見表1。表1 PRO/E NC模塊模塊名稱執(zhí)行功能Pro/E NC-MILL2.5軸銑削3軸銑削和孔加工Pro/E NC-TURN2軸車削和中心線鉆孔4軸車削和中心線鉆孔Pro/E NC-WEDM2軸車削和4軸線切割數(shù)控加工Pro/E NC-ADVANCED2軸到5軸銑削和孔加工2軸到4軸車削及孔加工車銑加工中心上的車削、銑削和孔加工2軸車削和4軸線切割 2.2基于PRO/E軟件的葉片三維建模分析 汽輪機葉片的建模主要分為三部分，即葉身型面建模、葉根建模和葉冠建模。其中三部分中最復雜的無疑是葉身型面的建模。若葉身建模完成后可以以葉身兩端面為基準進行葉根和葉身的建模。因此首先要解決葉身建模的問題。首先，必須要具備葉身型面的設計數(shù)據(jù)。一般設計者會給出葉身各個截面的型線，葉身型面一般由直線段、圓弧段和樣條曲線段組成。在建模是可以直接導入型面的型線，也可以提取出型線上的坐標點再導入到PRO/E中。在此可以給出兩種基本的建模方案，方法一如圖9，方法二如圖10。本文則以第二種方法為例，介紹葉根建模的整個過程。 圖9 方法一 圖10 方法二方法一，即直接導入工程圖紙和提取型線數(shù)據(jù)點后再把數(shù)據(jù)文件導入PRO/E。直接導入工程圖到PRO/E的做法應用相當廣泛，在葉片建模的中也不失為一種方法。但是，對這兩種方法深加研究，就可以發(fā)現(xiàn)直接導入工程圖有弊端。型線的工程圖導入指定的基準面后有兩種后續(xù)的處理方法。其一是利用PRO/E的曲線編輯功能把一些細微的線段和樣條曲線連接起來后再做混合，另一種是在各個制定截面的基準面上利用PRO/E的“使用邊”的功能抓取型面邊界線條草繪成一個封閉截面。若給定的型面較少，工作量不大，若給定的界面很多，則每個界面都需重新草繪，工作量相當大。合并連接曲線后經(jīng)常需要再利用PRO/E的曲線光滑命令使曲線更加關順，否則在混合后的曲面會出現(xiàn)不少的細微的凹凸處。這對后續(xù)的曲面加工來說是致命的。導入數(shù)據(jù)點的方法的前期準備工作相對比較繁瑣，尤其是提取數(shù)據(jù)點和數(shù)據(jù)的處理都比較麻煩，但是一旦編制成數(shù)據(jù)文件，導入PRO/E后幾乎可以不用做什么處理就可以直接混合生成曲面了。而且在繪圖的時候沒有多余的線條，相當?shù)睾啙崱＞C上所述，兩種方法各有優(yōu)缺點，在工程圖的型線較簡單、質量較好的情況下使用第一種方法可能比較簡單；而在型面比較多，型線又由很多段線條組成的情況下采用第二種方法或許比較好。2.3汽輪機葉片建模2.3.1汽輪機葉片型面數(shù)據(jù)點的提取 由于給定的葉身型面通常不是由單一的樣條曲線組成，若完全按照給定的型線設計會比較麻煩。本文則完全使用樣條曲線來替代其中的圓弧和直線，理論上只要直線和圓弧上取得的數(shù)據(jù)點足夠多，是可以完全滿足設計精度的要求。提取數(shù)據(jù)點工作的第一步都是把所要提取的型面型線的坐標原點（中心點）移動到和AUTO CAD世界坐標系重合（如圖9）。把型面型線移動到原點是為了把所得的數(shù)據(jù)點導入PRO/E生產相應曲線后的PRO/E中的世界坐標相吻合，可以不在移動曲線而直接混合產生曲面。（1）樣條曲線擬合點的提取圖11 葉片型面數(shù)據(jù)點選中目標曲線，輸入“l(fā)ist”命令在按回車鍵（如圖11所示），就可看到AUTO CAD出現(xiàn)文本框（如圖12所示）。其中詳細地列出了每個控制點的坐標。若控制點過多，無法再一個頁面顯示完全，可根據(jù)提示按回車鍵知道列出所有的控制點。把控制點復制下來，按PRO/E的*.ibl文件的制定格式保存起來。如圖所示。這些離散的數(shù)據(jù)點處理起來比較麻煩，可以使用批處理刪除復制下來的文本中的“x=”、“y=”和“z=”等多余字符，并給每個數(shù)據(jù)點之前添加一個序號。除此之外，也可以使用Office中宏的功能來處理數(shù)據(jù)達到制定格式的要求。其中有關PRO/E的*.ibl文件的格式和語句可以參考相關的PRO/E書籍，在此不再贅述。 圖12 數(shù)據(jù)點窗口 圖13 ibl格式的文件(2)直線和圓弧數(shù)據(jù)點的提取直線和圓弧數(shù)據(jù)點提取的操作基本和以上樣條曲線數(shù)據(jù)提取的步驟類似，在此相同部分就不再贅述，就不同的部分作如下說明。由于在一個平面內定義一條直線只需兩個點的坐標，因此使用“l(fā)ist”命令只能得到兩個坐標點，即直線的起點坐標和終點坐標。但是僅僅這兩個坐標點在導入PRO/E生成曲線時會產生較大的誤差。因此，再次首先把直線段等分成20個小線段，再提取這些小線段的起點和終點坐標。由于型面中型線的直線段通常很短，只有2mm左右，20個等分點完全可以滿足精度要求。對于圓弧的數(shù)據(jù)的提取也采用同樣的方法，先等分，再提取出等分后的微小圓弧起點和終點坐標。圓弧段通常也相當?shù)亩蹋诖说确殖?0段。若不能滿足精度要求，可以完全加大等分的段數(shù)來獲得更高的精度。2.3.2汽輪機葉片葉身建模把2.3.1中所提取的數(shù)據(jù)點保存為spline-blade.ibl文件。在PRO/E中新建零件，把spline-blade.ibl文件導入PRO/E中。具體的操作步驟如下所示：單擊窗口右邊菜單欄中的【曲線】-【自文件】-【完成】后如圖12所示，PRO/E要求選取坐標系，然后選擇PRO/E中的原坐標系，出現(xiàn)如圖13所示的打開對話框。選擇上一步建立的數(shù)據(jù)文件。PRO/E立即自動建立好如圖14所示的空間曲線。圖14 建立曲線 圖15 選取坐標系 圖16 完成曲線建立若上述數(shù)據(jù)文件中定義的是閉合曲線，則立馬就可以開始曲面混合造型。若上述步驟中定義的不是閉合曲線，則需要連接所各個曲線段然后再混合造型。曲線連接的操作如下，選中所建立的曲線特征，右鍵單擊后出來如圖17所示的菜單，單擊【編輯定義】/【完成】，出現(xiàn)如圖18所示菜單，選擇【合并】并選取兩條需要合并的曲線就可以使兩條曲線合并成一條。 圖17 編輯定義 圖18 合并曲線接下來，使用邊界混合命令，按住Ctrl鍵一次選擇從A-A到K-K界面的型線，如圖19所示。至此就完成了葉身背面的建模，依照上述步驟再完成葉身內面的邊界混合。再對葉身兩端的截面進行填充。填充的操作步驟如下，單擊【編輯】【填充】，選取葉身的一個端面，完成。如圖20所示。 圖19 混合曲面 圖20 填充葉身兩端面填充完葉身兩端面，再通過【編輯】【合并】命令把葉身的內面和背面以及葉身兩端面四個曲面合并成一個，如圖21所示。圖21 合并曲面 再對選中左邊模型樹中的“合并”，進行【編輯】【實體化】。完成以上實體化后得到如下所示的葉身實體效果圖22圖22 葉身效果圖2.3.3汽輪機葉片葉根建模葉片葉身造型完成后，接著就能進行葉根部分的造型。葉根的造型相對來說比較簡單。單擊拉升【拉伸】【實體】，草繪完成后如圖23所示。再以葉根內面或者背面為基準，【拉伸】【實體】【切除材 圖23 葉根造型料】-【定義】草繪葉根槽，如圖24所示。接著【陣列】-選擇【第一方向線】完成葉根槽的構建。如圖25所示。圖24 葉根槽陣列 圖25 葉根效果圖 【插入】【斜度】，選定好【拔模曲面】和【拔模樞軸】，輸入【拔模角度】，如圖26所示。 圖26 葉根拔模 圖27 葉根效果圖【拉伸】【實體】【切除材料】【定義】進入草繪界面，繪制好鉚釘孔截面，完成后如圖27所示。至此葉根部分的建模基本完成。2.3.4汽輪機葉片葉冠建模在拉伸葉冠之前，先以葉根為基準建立葉根的草繪基準面。再在這個基準平面上拉伸出葉根的總體模型。接著以葉根端面為基準，【拉伸】-【實體】-【去除材料】-【定義】，草繪如圖28所示圖28 葉冠草繪 圖29 葉冠拔模最后對所得的葉冠上下兩型面進行拔模，【插入】-【斜度】，選擇好【拔模樞軸】和【拔模曲面】，完成后完成葉冠型面的構建，如圖29。2.3.5 葉片汽輪機葉片建模總結至此，葉片的建模基本完成。此外，還必須根據(jù)設計對葉片根冠和葉身交接處倒圓角，以及葉根兩側面的圓弧段切除。最后完成的建模效果圖如30所示。 圖30 葉片效果圖3 葉片加工工藝分析及方案制訂3.1葉片毛坯的選用工藝的最高原則是在保證加工質量的前提下，取得最高的經(jīng)濟效益。也就是說要依據(jù)工廠現(xiàn)有的設備和工人，合理地發(fā)揮出工廠的產能。現(xiàn)給定的生產條件如下（只列出了相關的加工設備，不適合加工此種葉片的設備未列出）：（1）一臺四軸數(shù)控加工中心（2）4臺立式升降臺銑床XA5032（3）10臺萬能升降臺銑床XA6132（4）兩臺數(shù)控線切割DK7740（5）一臺專用銑床汽輪機葉片加工總的分為兩個階段：毛坯和機加工階段。毛坯的定制一般是在專門的模鍛工廠進行。然后進行一些熱處理步驟，再運到葉片廠進行機加工的階段。葉片的材料的選用在上文已經(jīng)有了交詳細的交代在此就不在贅述。本例中選用的材料為2Cr13。2Cr13為馬氏體不銹鋼，淬火狀態(tài)下硬度高，耐蝕性良好，是一種被廣泛使用的汽輪機葉片材料。但是也是一種較難加工的材料，因此在安排工藝時要特別注意刀具的散熱和磨損，在某些工序中要加入切削液防止刀具燒壞。汽輪機葉片的毛坯一般有兩種-模鍛而成或者用方坯直接銑制。一般葉片不用鑄造，因為葉片工作條件的緣故，葉片對材料的韌性、強度等力學性能要求較高，鑄件通常不可避免地含有縮孔、疏松等鑄造缺陷，不適合做為葉片的加工方法。故本例中葉片采用模鍛的形式。，葉片的毛坯的形狀尺寸較為復雜，不同表面所確定的余量也不盡相同，如葉身曲面的余量為3mm。因此在附件A中有詳細的圖紙。3.2葉片葉根和葉冠加工工藝設計在葉片的加工過程中，合理地選擇工藝基準顯得至關重要，因為葉片的結構相對復雜，而且葉根和葉冠之間的相對位置精度要求較高，尤其是葉根和葉根的裝配表面。根據(jù)工藝設計的統(tǒng)一基準原則，采用葉片葉根進汽邊側面作為精基準定位能比較方便地加工出葉根和葉冠的大多數(shù)表面。因此，盡早優(yōu)先加工此面。根據(jù)工廠的現(xiàn)狀，所有的葉根的加工全部在普通銑床上完成，因為即使精加工普通機床完全能滿足設計的精度要求，不一定非要上數(shù)控銑。在加工葉根和葉冠等體現(xiàn)不出數(shù)控機床高柔性、高精度、高效率的優(yōu)點。且該葉片每年的產量遠超上千件，屬于大批量生產。采用一些專用的銑床有利于提高加工效率。另外考慮到成本問題，所以數(shù)控銑床只用來加工葉身曲面，以此來充分利用工廠寶貴的數(shù)控銑床資源。3.3葉身型面加工工藝設計葉根和葉冠的加工通常混在一起，因為它們之間有裝配位置的要求。而葉身曲面的加工相對來說較為獨立。理論上葉身曲面的要求較高，加工起來難度也是最大的。但是在實際操作中發(fā)現(xiàn)由于葉片的曲面檢測較為困難，通常只用樣板檢測規(guī)定截面的型線，其他截面無法作檢測，所以加工起來的彈性還有很大的。完成葉根基準的精加工后，就能進行葉身曲面的加工。曲面的粗精加工安排在一臺四軸聯(lián)動數(shù)控銑床上進行，而后對曲面進行手工磨。葉身除了用數(shù)控銑床的加工外，還可考慮用仿形銑床，因仿形銑床的成本較數(shù)控銑床低。若不用來作精加工，則能完全滿足葉片粗銑的要求。葉身曲面的數(shù)控銑削完成以后安排一道葉身磨削的工序。因為葉身曲面的粗糙度要達到1.6，這種粗糙度的要求即使是五軸高速洗也是難以精加工出來的，因為即使是五軸高速銑削也會不可避免的留下加工刀痕。而去除加工刀痕必須通過磨削的工序來實現(xiàn)，知識五軸銑削加工出來的磨削余量可能相對來說少一些。但是在滿足零件要求的條件下采用四軸而非五軸主要考慮到的是加工成本的問題。鑒于目前五軸高速銑還未普遍流行，采用五軸銑的方法必須采用外加工的形式，這無疑會增加工廠的生產成本。3.4葉片總體工藝流程表2是葉片的工藝流程路，每個工序都有工序卡片，附錄A中有詳細的工序卡。現(xiàn)就上述工藝流程做詳細說明：（1）線切割葉根：之所以采用線切割葉根的方法，是因為這種叉形葉根若用常規(guī)的銑削加工，工序顯得繁雜，工時耗費得較多。尤其是葉根叉形槽和端面的切削用量相當?shù)卮螅镁€切割代替銑削可提高生產效率的同時降低生產成本。（2）線切割葉冠：線切割葉冠同時加工了葉根的兩側和總長。若用銑削的方法，由于一般情況下在長度方向所留的余量相當可觀，至少得分兩步工序銑總長，并表2 工藝流程表工藝流程表工序編號工序名稱工序編號工序名稱00線切割葉根110精銑葉根槽10粗銑葉根和葉冠背面120精擴葉根槽半圓孔20線切割葉冠130銑葉根鉚釘孔30銑葉根內徑向面140精磨葉身曲面40粗銑葉冠內成型面150鉗修50粗銑葉冠外成型面160清洗、包裝、入庫60磨葉根兩側17070精銑葉根背面18080數(shù)控銑葉身曲面19090精銑葉冠兩側200100精銑葉冠內成型面210且還不算葉冠兩側面的加工。若葉片更大，達到500mm以上，甚至600mm的話在加工過程中就不得不考慮搬運的問題了。由于工件重量較大，相當一部分工時將耗費在搬運上。采用線切割可一步到位地解決這些問題。（3）磨葉根兩側面：磨兩側面是精加工的開始，葉根進汽邊側面作為作為重要的工藝基準，在精加工前優(yōu)先加工出來完全符合基準統(tǒng)一的原則。在此基準下可以很方便地加工根冠的其他平面。（4）銑葉身曲面：把曲面的加工放在很靠后的位置，是因為限于數(shù)控銑床數(shù)量稀少要充分運用。在前面步驟中若發(fā)現(xiàn)工件有不可修正的缺陷就直接舍棄而不再占用數(shù)控銑床，同時也因為曲面的銑削粗精加工在同一個工序中。4 葉片的數(shù)控加工4.1四軸聯(lián)動加工中心簡介在以往的三維零件型面加工過程中多采用三坐標聯(lián)動加工,其特征是加工軸線始終不變,即始終平行于Z坐標軸。對于較為復雜的異形零件,如:螺旋槳葉片、渦輪葉片、復雜模具零件等,往往需要多次裝夾并使用專用工裝夾具,且難以保證加工精度。而在四軸聯(lián)動加工中, 可通過有效控制刀具和曲面切削點法矢夾角的方法,使切削余量相對均勻,并可一次裝夾加工成形,大大提高了加工效率和保證了加工精度。目前的數(shù)控銑床乃至加工中心,一般均提供X、Y、Z這 3 個移動軸聯(lián)動加工的功能,并在數(shù)控系統(tǒng)中預留了A 軸或B 軸聯(lián)動控制的功能。如果在上述機床中增加可聯(lián)動的數(shù)控回轉工作臺( 數(shù)控分度頭) , 即增加了1 個回轉軸,機床即可進行四軸聯(lián)動加工。如圖31所示四坐標立式NC機床是在3個線性平動軸（X、Y、Z）的基礎上增加1旋轉軸（繞X旋轉）。 多軸加工的主要優(yōu)點體現(xiàn)在 ：通過一次裝夾加工復雜的形狀，從而減少因重新裝夾引入的工件誤差；在極大程度上減少加工時間和夾具數(shù)量；能夠用較為自由的刀具姿態(tài)進行加工，可以使用較少、較短的刀具進行加工；可以傾斜刀具進行加工，進行較高效率的切削，而且會使刀具負載更均勻，提高加工效率和刀具壽命；可以使用立體毛坯進行工件加工，無需使用特別鑄造成型的毛坯；加工復雜孔和型腔時，可以節(jié)約大量工裝和時間。 圖31 四軸機床模型4.2葉片數(shù)控加工工藝分析 數(shù)控加工的最終目的是根據(jù)零件設計的工藝要求，編制出控制刀具走刀的路徑文件，然后將文件輸出到如空設備，生產出高質量的產品。整個工藝過程中，數(shù)控編程是其中最為關鍵的一個環(huán)節(jié)。數(shù)控編程最終是計算加工過程中刀具的刀位文件。PRO/E NC提供了多種銑削加工類型，可以根據(jù)零件的結果、加工表面形狀和加工精度選擇適合的方法。PRO/E NC的數(shù)控編程要歷經(jīng)一下7個步驟，其流程如圖31所示。 圖32 PRO/E NC 數(shù)控編程過程的流程圖普通銑床上的工藝規(guī)程卡實際上只是一個工藝過程卡，切削用量、進給量、工序的工步往往等都是由工人自行選定。數(shù)控銑床上加工程序是數(shù)控銑床的指令性文件，加工過程全部按指令自動執(zhí)行。因此數(shù)控銑床加工工藝與普通銑床工藝規(guī)程有較大的差別。數(shù)控銑床加工程序不僅要包括零件的工藝過程，而且還要包括切削用量、進給路線、刀具尺寸以及銑床的運動過程。工藝方案的好壞直接影響銑床的效率和加工質量。由于數(shù)控機床數(shù)控銑床集中加工工序的特點，因此安排在數(shù)控加工中心的一個工序通常為多個工步，使用多把刀具。考慮到此，把葉身曲面的精加工和粗加工放在加工中心的同一個工序里分不同工步完成。（1）粗加工：葉身曲面粗加工的主要是去處毛坯大部分的余量，為精加工做好準備。葉身的粗加工分為背面和內面兩個工步進行。背面用4軸銑削的方式，內面用三軸銑削的方式。（2）精加工：去處粗加工后留下的余量，達到既定的表面質量。該汽輪機葉片葉身曲面比較復雜，加工精度要求較高，用三軸聯(lián)動的加工中心難以在一次裝夾的情況下加工完畢。因此選用四軸加工中心，避免二次裝夾帶來的裝夾誤差。4.3數(shù)控編程4.3.1切削參數(shù)設定 葉片的型線是由直線段、圓弧段、樣條曲線這三種類型線條構成，導入PRO/E后的線條全部轉換為樣條曲線。葉片的的型面以這些樣條曲線混合而成，但是葉片的型面的最小曲率半徑很難直接測量或者計算。但是又涉及到選擇銑刀直徑問題。有一種比較繁瑣的解決方法是，首先大概估計設定一種刀具直徑，然后選用這把刀具，在后來刀具路徑屏幕演示中可以看到走刀路徑。若刀具的走刀路徑?jīng)]有到達葉片內凹面中曲率較大的部位時就可以判斷該刀具半徑過大，需重新選定一個小的刀具半徑。若在屏幕演示時看不出問題，在仿真切削的時候可以通過觀察葉片曲率較大部位有無材料被切除，或者切除是否充分來判斷設定刀具半徑是否過大。經(jīng)過反復試驗，本課題中的葉片適合選用D25R2的立銑刀（如圖33）進行粗加工，因為考慮到粗加工時切除材料的效率，所以沒有選擇指定更小的刀具；精加工用則使用D20的球銑刀（如圖34）。 圖33 立銑刀 圖34 球頭刀另外合理地選擇切削參數(shù)也至關重要，其中背吃刀量在機床、工件和刀具剛度允許的情況下可以直接設定為加工余量，這是提高生產效率的一個有效措施。切削線速度一般根據(jù)刀具廠商提供的說明書中的推薦參數(shù)設定。主軸轉速則根據(jù)切削線速度和刀具指定來進行計算設定。但是切削參數(shù)的設定大多數(shù)情況下依據(jù)工人師傅的經(jīng)驗結合實際的生產情況優(yōu)化選擇。各個參數(shù)之間沒有嚴格的函數(shù)關系，而是根據(jù)加工的要求不斷改動。例如，粗加工時通常選定直徑大的刀具，背吃刀量大，切削速度快；精加工常選擇直徑小的刀具，背吃刀量小，切削速度低，但是表面光潔度較高。4.3.2刀具設置首先在PRO/E中新建一個【制造】，選擇mmns-mfg-nc。加工過程中用到兩類刀：圓柱銑刀（粗加工）和球頭刀（精加工），按【菜單管理器】-【制造設置】-【刀具】建立D25R2、D20這兩把刀（如圖35）。并給兩把刀一次設定刀具位置1、2。此處若沒有設置刀具號生成的數(shù)控代碼中將始終使用一號刀，這將體現(xiàn)在加工仿真的時候就是不管粗精加工始終是一把刀具在加工，而在PRO/E的屏幕演示中則無法發(fā)現(xiàn)這個錯誤。 圖35 刀具設置4.3.3機床設置按【菜單管理器】-【制造設置】-【工作機床】進入到如圖36所示界面。進入NC機床設置，選擇軸數(shù)為“4軸”、機床類型為“銑削”、激活“使用旋轉輸出”后完成退出。加工零點選擇默認坐標。按【退刀/曲面】進入如圖所示的“退刀設置”界面，類型選擇“圓柱”，方向為葉身長度方向（此處是Y軸），值是70（這個圓柱面要完全包括工件，否則可能發(fā)生撞刀事故），如圖37所示。在退刀設置中選擇的類型是“圓柱”是因為葉身的曲面不是單側的曲面，若通過對刀平面來設置對刀，那會使得刀路軌跡比較繁瑣，效率較低。 圖36 操作設置 圖37 退刀曲面設置4.3.4 NC序列設置 根據(jù)前文的數(shù)控加工工藝分析，葉身的NC序列由三組序列組成分別為：葉身背面粗加工NC序列、葉身內面粗加工NC序列、葉身曲面精加工序列。（1）葉身背面粗加工NC序列單擊【菜單管理】【加工】【NC序列】【曲面銑削】【4軸】，可看到默認要設置的選項有“刀具”、“參數(shù)”、“曲面”、“4軸平面”、“定義切割”，單擊“完成”將進入以上選項的依次設定。其中“刀具”根據(jù)工序選擇；“參數(shù)”包含進給速度、進給量、主軸轉速、有無切削液等，可更具切削用量手冊查詢得到，或者根據(jù)刀具廠商提供的參考數(shù)值和經(jīng)驗進行設定；“曲面”的設定就是選擇我們待加工的表面；“4軸平面”，4軸就是指第四根軸的法向平面，也就是選擇刀具繞某個軸轉動而一直要平行的那個平面，在此出就是和葉身的兩端面平行的平面；“定義切割”是定義走刀的方式，如圖38所示是定義的葉身背面粗加工的走刀方式的預覽。圖38 背面工走刀軌跡預覽（2）葉身內面粗加工NC序列 葉身粗加工NC序列的設置步驟與以上的類似，但是由于選擇的加工方式為3軸銑削，其中曲面和參數(shù)的設置略有不同。例如“步長”這個參數(shù)就要設置得比較小可以選擇1mm到2mm，若步長過大加工粗來的表面的余量可能會比較大，不符合精銑的要求。內面粗加工的走刀方式如圖39所示，為沿葉身的長度方向。圖39 內面粗加工走刀方式預覽（3）葉身曲面精加工NC序列 葉身曲面精加工NC序列用4軸銑削的方式。由于使用的是球頭刀，為了達到便面粗糙度要求必須設定較小的步長，但是過小的步長又會導致加工效率降低。走刀方式設置成沿葉身型面型線的軌跡比較合理。4.3.5刀具軌跡和加工仿真完成以上各項設置后就可進行PRO/E的屏幕演示，在屏幕演示中可以看到刀具軌跡。圖40為葉身背面粗加工的刀軌演示；圖41為葉身內面粗加工的刀軌演示；圖42是葉身曲面精加工的刀軌演示。若該走刀路線不合要求，可以再返回【NC設置】-【定義切削】來更改走刀方式。由于精加工的步長較小，刀軌較密集，在圖42中顯示得就是一片紅色。 圖40 背面粗加工刀軌 圖41 內面粗加工刀軌 圖42 葉身曲面精加工刀軌PRO/E中集成了加工仿真模塊（前提是已經(jīng)安裝VERICUT模塊），可以進行NC檢查，模擬刀具材料的切除過程。其中粗加工的仿真圖如圖43（背面）、圖44所示（內面）；精加工的仿真如圖45所示。圖46是葉片精加工完成后的仿真圖，仔細觀察，可發(fā)現(xiàn)加工刀痕非常細微。 圖43 背面銑削仿真 圖44 內面銑削仿真圖45 精加工仿真 圖46 仿真效果圖4.3.6刀位文件和后置處理 在PRO/E的vericut模塊中對NC進行檢查仿真后就可以生產正確的刀具軌跡文件，但是自動編程的對刀具軌跡計算產生的是刀位數(shù)據(jù)CL文件，不能被機床直接識別。必須把CL文件轉換成目標機床能執(zhí)行的數(shù)控程序，然后輸入到數(shù)控系統(tǒng)中才能對工