普通导流叶片设计与加工.docx
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普通导流叶片设计与加工
普通导流叶片设计与加工毕业设计
年级:
2014级
报名号:
007
姓名:
XXX
专业:
机械制造及其自动化专业
2014年6月
内容摘要
在如今的加工制造业中，叶片因其多向受力不均、外形不规则、工艺复杂而被认定为一种加工比较复杂困难的产品。
导流叶片是一种叶形较薄的叶片，因此，这种叶片的加工比较困难，既要考虑叶片加工时的振动，又要考虑实际加工效率问题，所以，设计一种简单实用，装夹方便的工装，对零件的成批量生产具有重要意义。
本文就是针对这种叶片特点来制定的一种加工工艺，用以解决实际加工中的各种问题。
关键词：
导流叶片；加工困难；制造；工装
ABSTRACT
Intoday'smanufacturing,leavesbecauseofitsmultipleunevenstress,irregularshape,complicatedprocessandhasbeenrecognizedasacomplicatedprocessdifficultproducts.Guidevaneisaleaf,leafthintherefore,processingofthevaneisdifficult,notonlytoconsiderthebladevibrationduringprocessing,butalsotoconsidertheissue,soactualmachiningefficiency,designasimpleandpractical,convenientclampingfixture,hasthevitalsignificancetothemassproductionparts.Aprocessingtechnologyofthispaperisaimingattheleafcharacteristicstodevelop,tosolvepracticalproblemsinprocessing.
KEYWORDS:
guidevane;difficultiesinprocessingmanufacturing;tooling;
2.1叶片加工方法10
3.1工艺分析简介17
3.2叶片模型工艺分析19
3.3叶片加工整体工艺21
第4章程序26
4.2加工过程的中间阶段程序26
4.2.1粗加工程序26
4.2.2精加工程序27
引言
航空发动机的历史大致可分为两个时期。
第一个时期从首次动力开始到第二次世界大战结束。
在这个时期，活塞式发动机统治了40年左右。
第二个时期从第二次世界大战至今。
60多年来，航空燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机。
随着航空燃气涡轮发动机的发展，由其改型派生的非航空用轻型燃气轮机迅速成长。
与传统的蒸汽轮机、重型燃气轮机和柴油机相比，航改燃气轮机具有体积小、重量轻、功率重量比大、启动快、功率高、维修方便等特点，在车辆、发电、舰船、泵站等非航空领域得到广泛的应用，对国防建设和国民经济发展发挥了重要的作用，成为航空动力三大支柱产业之一。
航改燃气轮机的工作最早在20世纪40年代开始，经过50年代的不断努力，到60年代逐步成熟进入实用阶段，70年代以后蓬勃发展。
各大航空发动机公司都在大力开发燃气轮机，电力、船舶行业的动力公司也在借用航空发动机技术开发燃气轮机。
目前，世界上已有20多个国家、100余家厂商从事燃气轮机的成套设计、研制、生产、和销售，机组型号达300种以上，总产量超过34000台。
航改燃气轮机的工作原理基本与涡浆/涡轴发动机的相同，通过输出输出轴功率带动车轮、叶轮、船用螺旋桨和发电机工作。
发动机是飞机的心脏，而涡轮叶片则是发动机的重要部分。
第1章绪论
1.1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叶身、缘板、过渡段、榫齿等组成，内型结构包括横向肋、纵向肋、找流柱和积叠轴。
导向叶片由外缘板、叶身和内缘板构成。
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。
涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，被誉为“王冠上的明珠”。
在涡轮发动机中叶片无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀，以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作。
涡轮叶片是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。
1.2涡轮、叶片数控加工的历史、现状
涡轮叶片是在涡轮发动机的定义上提取出来的名称。
涡轮叶片的发展史即为涡轮发动机的发展史。
从古观今，航空动力技术与数控加工技术是遥相辉映，彼此呼应的关系。
1930年空军少校惠特尔申请了专利，于1937年4月研制出世界上第一台离心式涡轮喷气发动机。
1941年5月，推力为航空发动机发展史650daN的改进型惠特尔发动机装在格罗斯特公司的E28/29飞机上进行了成功的首飞。
奥海因在1938年10月试验了采用轴流—离心组合式压气机的HeS3涡轮喷气发动机这是世界上第一架试飞成功的涡轮喷气发动机。
1944年美国制造的F—80和1946年苏联制造的米格—9均采用了涡轮喷气发动机。
飞机速度达到声速以后，为了突破“声障”，在涡喷发动机上加装了加力燃烧室，它可以在短时间内加幅度提高推力。
这是涡轮喷气发动机第一次实际投入使用。
伴随着涡轮航空事业的发展数控技术应运而生。
1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。
由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。
1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由
大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。
这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。
数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。
涡扇发动机诞生于20世纪50年代，首先用于民用飞机，随后扩展到军用飞机。
20世纪60年代出现涡扇化热潮，70~80年代发展提高、广泛应用，90年代以后高度发展，取代涡喷发动机成为军民用飞机的主动力和航空推进技术研究发展的主要方向。
在20世纪80年代后期，掀起了一阵性能上介于涡桨发动机和涡扇发动机之间的桨扇发动机热。
一些著名的发动机公司都在不同程度上进行了预计和试验，其中通用电气公司的无涵道风扇（UDF）GE36曾进行了飞行试验。
1.3叶片加工发展趋势
我国涡轮叶片加工，已经具备了良好的工艺基础了，甚至略高的发动机整体涡轮叶片盘组已经不存在工艺上难题了。
其他基材的盘组或外风扇的，也可以紧跟美国和英国的路线。
工艺上摩擦法成型盘组的单片特种焊接叶片工艺有很广的应用。
我国异形叶片和大盘组及非金属基材涡扇核心组件的研究已经达到了一定水平。
总体上我国涡扇技术有国际一流的东西甚至是领先水平的技术。
也就是说，总体上处于美国80年代中期研制提速的阶段，而在个别技术上已经达到了可以和一流团队平起平坐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，说的是我国粉末高温合金涡轮盘科研团队的故事。
说明我国航空发动机领域基础性研究已经步入持续发展的正轨，过去20年的持续性投入，已经小有斩获了。
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，这个盘子就是“涡轮盘”，那个叶子就是“扇叶”，早期“盘子”和“扇叶子”是分离的，靠榫头来拼合。
到了上世纪70年代，美国英国苏联的涡扇等发动机都采取了“一体盘”（或整体盘），所以现在也有叫“涡轮叶片盘”（简称涡轮盘或叶片盘）的。
美国通用公司首先完成产品化，不过发动机推比提高不多，后来到了80年代等项目促进了整体盘的发展。
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“均匀、纯粹、密致、轻巧、强忍、耐热、耐拉、耐压”，这些特性一个不能少，现在还要求2大特点：
1易加工、2越便宜越好。
从材料分大约几种：
钢或合金钢、合金（如，钛基、镍基）、复合基（基材的意思，如碳纤维复合基材）、陶瓷基。
随着材料的变化，和叶片形状的变化（为了流体力学需要，叶片扭曲或异形设计越来越古怪——和舰用螺旋桨一样，越来越奇形怪状，加工越来越难，如实心片到空心片、整体盘、异形片）及一体盘（整体盘）的出现，发动机涡轮和叶片盘子的加工工艺也发生了变化，从早期的榫头链接，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）具体有铸、锻、磨、焊、电、粘、烧、织、塑、压、喷.等。
这类技术也在飞速发展。
第2章叶片加工
2.1叶片加工方法
叶片是透平机械的“心脏”，是透平机械中极为主要的零件。
透平是一种旋转式的流体动力机械，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。
叶片一般都处在高温，高压和腐蚀的介质下工作。
动叶片还以很高的速度转动。
在大型汽轮机中，叶片顶端的线速度已超过600 ｍ/ｓ，因此叶片还要承受很大的离心应力。
叶片不仅数量多，而且形状复杂，加工要求严格；叶片的加工工作量很大，约占汽轮机、燃气轮机总加工量的四分之一到三分之一。
叶片的加工质量直接影响到机组的运行效率和可靠行，而叶片的质量和寿命与叶片的加工方式有着密切的关系。
所以，叶片的加工方式对透平机械的工作质量及生产经济性有很大的影响。
这就是国内外透平机械行业为什么重视研究叶片加工的原因。
随着科学技术的发展，叶片的加工手段也是日新月异，先进的加工技术正在广泛采用。
叶片的主要特点是：
材料中含有昂贵的高温合金元素；加工性能较差；结构复杂；精度和表面质量要求高；品种和数量都很多。
这就决定了叶片加工生产的发展方向是：
组织专业化生产，采用少、无切削的先进的毛坯制造工艺，以提高产品质量，节约耐高温材料；采用自动化和半自动化的高效机床，组织流水生产的自动生产线，逐步采用数控和计算机技术加工。
叶片的种类繁多，但各类叶片均主要由两个主要部分组成，即汽道部分和装配面部分组成如图9.1。
因此叶片的加工也分为装配面的加工和汽道部分的加工。
装配面部分又叫叶根部分，它使叶片安全可靠地、准确合理地固定在叶轮上，以保证汽道部分的正常工作。
因此装配部分的结构和精度需按汽道部分的作用、尺寸、精度要求以及所受应力的性质和大小而定。
由于各类叶片汽道部分的作用、尺寸、形式和工作各不相同，所以装配部分的结构种类也很多。
有时由于密封、调频、减振和受力的要求，叶片往往还带有叶冠（或称围带）和拉筋（或称减震凸台）。
叶冠和拉筋也可归为装配面部分。
汽道部分又叫型线部分，它形成工作气流的通道，完成叶片应起的作用，因此汽道部分加工质量的好坏直接影响到机组的效率。
2.2毛坯的制作
2.2.1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
2.2.2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的形状。
2．3工装设计
在多品种小批量的生产过程中，工件的安装、拆卸和清洗、托板的自动交换、切屑的排出等在整个制造过程中是频繁发生的。
为了提高加工中心的加工效率，在加工设备上搞高速化和高性能化是一方面，缩短安装时间，降低消耗是另一重要方面。
夹具在制造厂来说属于工装部分，它是保证零件准确定位、有效加工的必要手段。
对于加工中心来说，要求夹具定位精度高、装卸方便，适于粗加工、精加工和各种多工序复合加工的形式。
在加工中心上，夹具的任务不仅是夹紧工件，而且还要以各个方向的定位面为参考基准，确定工件编程的原点。
加工中心的高柔性要求其夹具比普通机床结构更紧凑、简单，夹紧动作更迅速、准确，尽量减少辅助时间。
要想合理应用好夹具，首先要对加工中心的加工特点有比较深刻的理解和掌握，同时还要考虑加工零件的精度、批量大小、制造周期和制造成本。
根据加工中心机床特点和加工需要，目前常用的夹具类型有专用夹具、组合夹具、可调夹具和成组夹具。
一般的选择顺序是单件生产中尽量用虎钳、压板螺钉等通用夹具，批量生产时优先考虑组合夹具，其次考虑可调夹具，最后选用专用夹具和成组夹具。
在选择时要综合考虑各种因素，选择最经济的、最合理的夹具形式。
第3章工艺设计
3.1工艺设计简介
工艺设计是指用机械加工的方法改变毛坯的形状、尺寸、相对位置和性质使其成为合格零件的全过程，加工工艺是工人进行加工的一个依据。
拟订工艺路线是设计工艺规程最为关键的一步，需顺序完成以下几个方面的工作：
1、选择定位基准精基准的选择原则，有基准重合原则、统一基准原则、互为基准原则、自为基准原则、粗基准的选择原则、保证零件加工表面相对于不加工表面具有一定位置精度的原则、合理分配加工余量的原则、便于装夹的原则、粗基准一般不得重复使用的原则。
2、表面加工方法的选择：
在选择加工方法时，首先根据零件主要表面的技术要求和工厂具体条件，先选定它的最终工序方法，然后再逐一选定该表面各有关前导工序的加工方法。
同一种表面可以选用各种不同的加工方法加工，但每种加工方法所能获得的加工质量、加工时间和所花费的费用却是各不相同的，工程技术人员的任务，就是要根据具体加工条件（生产类型、设备状况、工人的技术水平等）选用最适当的加工方法，加工出合乎图纸要求的机器零件。
具有一定技术要求的加工表面，一般都不是只通过一次加工就能达到图纸要求的，对于精密零件的主要表面，往往要通过多次加工才能逐步达到加工质量要求。
主要表面的加工方案和加工工序选定之后，再选定次要表面的加工方案和加工工序。
3、加工阶段的划分：
粗加工阶段将零件的加工过程划分为加工阶段的主要目的是：
（1）保证零件加工质量；
（2）有利于及早发现毛坯缺陷并得到及时处理；（3）有利于合理利用机床设备。
此外，将工件加工划分为几个阶段，还有利于保护精加工过的表面少受磕碰损坏。
半精加工阶段、精加工阶段、光整加工阶段。
工序的集中与分散工序集中原则按工序集中原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量多些，将许多工序组成一个集中工序，最大限度的工序集中，就是在一个工序内完成工件所有表面的加工。
传统的流水线、自动线生产基本是按工序分散原则组织工艺过程的，这种组织方式可以实现高生产率生产，但对产品改型的适应性较差，转产比较困难。
工序分散原则按工序分散原则组织工艺过程，就是使每个工序所包括的加工内容尽量少些，最大限度的工序分散就是每个工序只包括一个简单工步。
采用数控机床、加工中心按工序集中原则组织工艺过程，生产适应性反而好，转产相对容易，虽然设备的一次性投资较高，但由于有足够的柔性，仍然受到愈来愈多的重视。
4、机床设备与工艺装备的选择：
所选机床设备的尺寸规格应与工件的形体尺寸相适应，精度等级应与本工序加工要求相适应，电机功率应与本工序加工所需功率相适应，机床设备的自动化程度和生产效率应与工件生产类型相适应。
工艺装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，应根据不同情况适当选择。
在中小批生产条件下，应首先考虑选用通用工艺装备（包括夹具、刀具、量具和辅具）；在大批大量生产中，可根据加工要求设计制造专用工艺装备。
机床设备和工艺装备的选择不仅要考虑设备投资的当前效益，还要考虑产品改型及转产的可能性，应使其具有足够的柔性。
尺寸及其公差确定零件图上所标注的尺寸公差是零件加工最终所要求达到的尺寸要求，工艺过程中许多中间工序的尺寸公差，必须在设计工艺过程中予以确定。
工序尺寸及其公差一般都是通过解算工艺尺寸链确定的，为掌握工艺尺寸链计算规律，这里先介绍尺寸链的概念及尺寸链计算方法，然后再就工序尺寸及其公差的确定方法进行论述。
3.2叶片模型的工艺分析
工艺分析是加工中心加工的前期工艺准备工作。
工艺制定得合理与否，对程序的编制、机床的加工效率和零件的加工精度都有重要影响。
为了编制出一个合理的、实用的加工程序，要求编程者不仅要能掌握编程语言及编程格式，还要了解加工中心的工作原理、性能特点及结构，同时，还应熟练掌握工件工工艺，确定合理的切削用量、正确地选用刀具和工件装夹方法。
因此，应遵循一般的工艺原则并结合加工中心的特点，认真而详细地进行加工中心加工工艺分析。
其主要内容有：
根据图纸分析零件的加工要求及其合理性；确定工件在加工中心上的装夹方式；各表面的加工顺序、刀具的进给路线以及刀具、夹具和切削用量的选择等。
经过仔细分析叶片模型，选择立起来开粗，选择立起来开粗是经过我们实践验证得出的结论，首先，在加工叶片时，如果叶片横着开粗，由于叶片的待加工量很多，叶片在竖直方向就有很多余量要去除，每次吃刀深度太大，会影响刀具的使用寿命，经过实践证明，即便用上很好的刀具，吃刀深度在0.4mm，刀具依然会磨损很快，造成这种现象的原因是由于叶形部分过长，所用刀具为平头铣刀，刀具沿着叶形部分开粗时，经过受力分析，叶片受到横向的挤压力，剪切力以及向后的的摩擦力，这三种力在刀具沿着叶形运动中不断发生着变化，这导致叶片产生振动，随着叶片不断变薄，振动会越来越大，由于工件的振动，使工件不断与刀尖产生碰撞，导致刀尖受损，并且粗造度很大，看上去表面很不光滑，刀具损坏的程度也很大。
横着开粗不仅对刀具有很到影响，而且加工时间又长，既增加了成本，又严重影响生产效率，对该零件的批量生产是行不通的。
所以选择立起来开粗，当工件立起来开粗时，就可以不选用球头铣刀，选用的是立选刀，经过试加工，效果明显要比横着开粗好，这是因为工件立起来后，铣刀绕着叶形部分铣削，受力均匀，减弱了工件与刀具的碰撞力度，实践证明立起来开粗是行之有效的方法。
随着加工的深入，我们发现，虽然立起来开粗在加工效果和生产效率上得到了很好改善，但由于所用刀具价钱比较高，并且加工1-2件就要换一次刀，在加工成本上依然令人不能满意，为此，我们决定用镶片刀代替立铣刀，根据叶片的尺寸，选用刀杆为φ16镶两片硬质合金的特古特的刀具，经过比较，发现用这种镶片刀进行加工是很好的选择，首先，由于刀片相对比较低廉，每换一次刀片在加工时间上比用立铣刀加工所能坚持的时间还要长，这就很好的解决了批量生产过程中的成本问题，成本降低，企业的收益自然提高。
其次，这种镶片刀每次换刀片很方便，并且不用在去对刀，节约了装夹时间，提高了生产效率。
考率到精加工时要用到球头铣刀，为了节省精加工的刀具，在开粗完成后所留余量为单边0.3mm，（注：
也可适当的多留些余量，但过多的余量会对后面的精加工产生不利的影响）。
精加工时，将精加工工装放在第四轴上，需要注意一点的是要将工装与第四轴同轴，避免加工时造成四轴绕铣时加工误差。
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
产品名称
导流叶片
图号
～.089
材料
数量
1Cr11Ni2W2MoV
工序号
工序名称
工序内容
加工参数
主轴转速
r/min
切削深度
mm
进给量
mm/r
刀具
设备
操作要点
1
铣
将毛坯按尺寸要求加工
2
线切割
将毛坯按尺寸割下
3
铣
叶片开粗所用程序号01.NC刀具号T1
1200
0.4
300
刀杆φ16镶片刀（两片）
汉川
4
叶尖加工所用程序号02.NC刀具号T1
1114
0.5
90
φ10立铣刀
（硬质合金）
友佳
5
叶根开粗所用程序号03.NC刀具号T1
2500
0.25
300
φ10立铣刀
（硬质合金）
6
旋转180°叶根开粗所用程序号04.NC刀具号T1
2500
0.05
300
φ10立铣刀
（硬质合金）
7
叶片半精铣所用程序号05.NC刀具号T2
1600
500
φ10R5球刀
（硬质合金）
8
叶根精铣所用程序号06.NC刀具号T3
1000
0.4
800
R1.5T形刀
（硬质合金）
9
旋转180°叶根精铣所用程序号07.NC刀具号T3
1000
0.25
350
R1.5T形刀
（硬质合金）
10
叶根精铣所用程序号08.NC刀具号T3
1000
0.05
350
R1.5T形刀
（硬质合金）
11
叶根精铣所用程序号09.NC刀具号T3
1000
350
R1.5T形刀
（硬质合金）
12
叶根精铣所用程序号10.NC刀具号T3
1000
0.5
350
R1.5T形刀
（硬质合金）
13
流道精铣所用程序号11.NC刀具号T4
1600
0.4
500
φ10立铣刀
（硬质合金）
14
铣
旋转180°流道精铣所用程序号12.NC刀具号T4
1600
0.4
500
φ10立铣刀
（硬质合金）
友佳
15
叶片精加工所用程序号13.NC刀具号T5
1400
0.5
300
φ10R5球刀
（硬质合金）
16
线切割
线切割将半成品割下并留下余量
17
铣
叶根背面精加工所用程序号14.NC
φ8R1球刀为T1φ10R1球刀为T2
1500
1500
250
300
φ8R1球刀
（硬质合金）
φ10R1球刀
（硬质合金）
汉川
第4章程序
4.1加工过程的开始阶段程序
（由于程序量太大选段09号叶根加工示例）
O0010
G90G80G49G40G21G54
M6T3
G00B140.888M26
X-10.136Y11.974
G43H3Z199.641
S1000M03
M09
Z26.705
G01Z16.705F350.
4.2加工过程的中间阶段程序
4.2.1粗加工程序
X-7.439Y11.844
Y11.847Z16.675
Y11.892Z16.396
Y11.977Z16.127
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