发动机叶片的造型和数控加工

I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IIEngineblade'smoldingandnumericalcontrolprocessingAbstract：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..................................................1III1.1课题背景................................................11.2发到机叶片加工方法......................................11.2.1仿形法...............................................11.2.2数控加工方法..........................................21.3课题研究的目的和意义....................................22模具发展概况、发展方向和发展趋势以及PRO/E软件介绍.......42.1中国模具行业发展现状....................................42.2中国模具发展的方向......................................42.3PRO/ENGINEER软件简介....................................62.4PRO/E软件主要模块介绍...................................63叶片造型...............................................83.1PRO/E设计软件绘制叶身.................................83.1.1叶片的形状............................................83.1.2绘制叶身.............................................83.2绘制安装板及榫头.......................................134基于PRO/E的模具设计..................................184.1毛边槽的设计...........................................184.2锻模的设计与造型.......................................204.2.1创建制造—模具型腔，进入模具造型模块..................204.2.2创建分型面...........................................215叶片加工工艺分析及模具数控加工仿真.....................245.1叶片结构工艺分析.......................................245.1.1典型的叶片结构分析和机械工艺性评价.....................245.1.2叶片加工中的技术要求..................................255.2工艺路线的拟订.........................................255.2.1加工阶段的划分.......................................255.2.2工艺基准及其选择.....................................26IV5.2.3毛坯的选择...........................................275.2.4加工方法的选择.......................................275.2.5刀具选择.............................................285.3发动机叶片的模型加工...................................295.4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陕西理工学院毕业论文第1页共44页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，加陕西理工学院毕业论文第2页共44页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