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0 前 言
葉片是汽輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的重要零件。汽輪機(jī)葉片在火力發(fā)電過程中起到關(guān)鍵的能量轉(zhuǎn)換作用,是汽輪機(jī)的“心臟”。汽輪機(jī)中的葉片數(shù)量很大,一臺(tái)汽輪機(jī)有數(shù)千件大小葉片。據(jù)統(tǒng)計(jì),葉片制造的工時(shí)約占汽輪機(jī)整機(jī)的1 /3,工裝量占整機(jī)的1 /2左右,成本約占整機(jī)的20%～25%。
汽輪機(jī)葉片,尤其是大葉片主要采用螺旋壓力機(jī)精鍛工藝生產(chǎn)。和航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片相比,幾何尺寸大,扭曲更為嚴(yán)重,鍛造的成形力更大,需要超大型壓力機(jī)生產(chǎn)。典型的汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)由葉根、葉身、葉冠3部分組成,有些汽輪機(jī)葉片還帶有圍帶、拉筋和凸臺(tái)。
汽輪機(jī)葉片品種系列多,葉片數(shù)量也比較大,但批量較小。葉片鍛造工藝條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),設(shè)計(jì)任務(wù)繁重,因此迫切需要降低設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。同時(shí)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),又要求企業(yè)減少葉片試制和制造的周期。在UG軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā),能夠快速設(shè)計(jì)出葉片精鍛件的CAD系統(tǒng),這對(duì)汽輪機(jī)葉片鍛造行業(yè)具有十分重要的意義。本文介紹了如何采用UG的開發(fā)工具,設(shè)計(jì)出能達(dá)到該目的的CAD系統(tǒng)。
1 汽輪機(jī)葉片精密模鍛工藝特點(diǎn)與鍛件設(shè)計(jì)
葉片幾何形狀復(fù)雜,精度要求高,鍛造成形困難。和普通的模鍛件相比,葉片的制造工藝和檢測(cè)技術(shù)極為復(fù)雜。葉片材料的合金化程度很高,鍛造溫度范圍很窄,對(duì)鍛造、熱處理工藝參數(shù)很敏感。由于葉身很薄,型面復(fù)雜,導(dǎo)致鍛造時(shí)變形抗力大,水平載荷大。而且操作過程坯料冷卻較快,容易引起鍛造壓力的波動(dòng)。這就要求鍛造設(shè)備具有足夠的打擊能量、適宜的變形速度,以減少鍛件與模具的接觸時(shí)間,而
又適于金屬的流動(dòng)特性和保證一定的生產(chǎn)效率。同時(shí),要求鍛造設(shè)備具有良好的剛度和承受偏心載荷的能力。葉片精鍛件設(shè)計(jì),是葉片工藝和模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。葉片精鍛件設(shè)計(jì)主要包括以下4個(gè)方面內(nèi)容:
1. 1 確定鍛造平衡角
汽輪機(jī)葉片的葉身均為扭曲面,葉身截面(型面)的弦長(zhǎng)線與產(chǎn)品設(shè)計(jì)坐標(biāo)軸( x - y)的夾角稱為扭角。顯然,葉身各個(gè)型面的扭角大小不同,一般從近葉根到近葉冠的扭角由大逐漸減小。由于葉身呈扭曲狀,在葉片鍛造時(shí)則會(huì)產(chǎn)生水平作用力,它將導(dǎo)致鍛模錯(cuò)移,影響葉片鍛件成形的精度。為此,在設(shè)計(jì)葉片鍛件分模面時(shí), 應(yīng)將葉身型面坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)合適的角度,以減小水平作用力,該旋轉(zhuǎn)的角度θ即為葉片鍛造平衡角[1 ]。在確定葉片鍛造平衡角時(shí),工程設(shè)計(jì)通常以葉身接近葉根、中部、葉冠3處型面扭角的平均值做為鍛造平衡角。然后取接近葉冠型面的扭角α進(jìn)行驗(yàn)證,要求α在48°～52°,如圖1所示。
圖1 汽輪機(jī)葉片鍛造平衡角及余塊
1. 2 葉身型面余量、余塊
葉片鍛件的余量與材料性質(zhì)、尺寸大小、加熱方法、鍛造設(shè)備有關(guān)。精鍛葉片的葉身無機(jī)械加工余量,但考慮到加熱過程中的氧化、脫碳,應(yīng)保留一定的化銑或拋光量,在葉身型面四周均勻的加上一定余量。通常精鍛葉片型面余量為1mm左右;模鍛葉片型面加工余量達(dá)3mm以上。常用加放余量的方法有2種:在鍛造方向加余量和在法向加余量。通常葉片扭曲較小采用前者,反之則采用后者。當(dāng)葉片鍛件旋轉(zhuǎn)平衡角θ后,有的葉身型面端部會(huì)出現(xiàn)倒勾而無法脫模,則需加上余塊。在葉片鍛造時(shí),葉根配合處難以鍛出,也需加上余塊 2 ]。
1. 3 葉身型線修整
葉片葉身部分進(jìn)、出汽邊都很薄,鍛時(shí)金屬要向外流動(dòng)形成飛邊,在這些部位容易出現(xiàn)充不滿、折疊以及劃痕、裂紋等缺陷。因此對(duì)這些部位要作一定的延伸和加厚修整,以免上述缺陷產(chǎn)生。另外,由于葉片鍛造時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向水平力使鍛件產(chǎn)生水平錯(cuò)移,會(huì)導(dǎo)致進(jìn)汽邊的背弧減薄;因此,在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)葉片鍛件時(shí),必須首先對(duì)葉身進(jìn)、出汽邊的型線進(jìn)行修整,這是葉片精鍛件設(shè)計(jì)工作量最大,影響葉片鍛件質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
1. 4 葉根造型與建庫
汽輪機(jī)葉片葉根的結(jié)構(gòu)型式通常有3種:即燕尾型、樅樹型、銷釘型。在無錫葉片廠的實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)用最多的是燕尾型、直線樅樹型和弧線樅樹型葉根。如以UG軟件對(duì)3種類型葉根進(jìn)行實(shí)體造型,建立相應(yīng)的庫,則可方便葉片鍛件的葉根設(shè)計(jì)。
2 CAD二次開發(fā)與UG軟件平臺(tái)
CAD二次開發(fā)技術(shù)給企業(yè)的CAD應(yīng)用水平帶來了新的挑戰(zhàn)。將企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心技術(shù)與CAD系統(tǒng)集成,是各個(gè)企業(yè)今后CAD技術(shù)發(fā)展的方向,本文研究課題即屬于該領(lǐng)域范圍。上世紀(jì)70年代初,美國伯特利- 哥倫布實(shí)驗(yàn)室最早研制出名為BLDFORG的葉片鍛模CAD /CAM系統(tǒng),當(dāng)時(shí)采用主應(yīng)力法模擬葉片鍛造過程,優(yōu)化工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì),取得了較好的效果。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)自上世紀(jì)80年代以來,對(duì)航空葉片鍛造的CAD系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究,獲得了多項(xiàng)成果。由于汽輪機(jī)葉片鍛造更為復(fù)雜,有關(guān)其CAD系統(tǒng)的研究尚未有報(bào)道。UG軟件是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的緊密集成的、面向制造業(yè)的CAD /CAM /CAE高端軟件之一,廣泛應(yīng)用于航空、汽車等工業(yè)領(lǐng)域。選擇UG軟件作為本文CAD平臺(tái),主要是由于UG軟件強(qiáng)大的曲面造型功能,以及可方便和數(shù)控加工機(jī)床結(jié)合的功能。UG軟件不僅功能強(qiáng)大,而且還提供了豐富的CAD本地化(客戶化)的開發(fā)手段,它們統(tǒng)稱為UG/Open。pen
中包括如下4個(gè)套件:
2. 1 GR IP
GR IP語言是UG軟件的專用圖形交互語言。利用GR IP語言進(jìn)行編程,可以把企業(yè)的專用知識(shí)與UG系統(tǒng)融合。它具有簡(jiǎn)單、快捷的特點(diǎn),是一種面向工程師的語言,靈活運(yùn)用GR IP語言,可以很大的方便CAD過程[ 3 ]。
2. 2 AP I
UG/Open AP I是面向程序員的C /C + +語言編程接口,利用AP I可以把面向?qū)ο缶幊痰娘L(fēng)格引入二次開發(fā),開發(fā)出具有強(qiáng)大功能的CAD二次開發(fā)系統(tǒng)。AP I要求開發(fā)人員具有良好的編程能力 4 ]。
2. 3 U I Styler
利用U I Styler可以制作出具有UG風(fēng)格的對(duì)話框,然后利用AP I語言為對(duì)話框添加回調(diào)功能。
2. 4 Menu Scrip t
利用Menu Scrip t可以為編制出來的程序生成菜單和工具條。
3 汽輪機(jī)葉片精鍛件CAD系統(tǒng)框圖
葉片精鍛件的CAD過程如圖2所示。采用UG軟件進(jìn)行葉片精鍛模具設(shè)計(jì),關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出合理的精鍛件實(shí)體。本文基于無錫葉片廠葉片精鍛件的設(shè)計(jì)要求,開發(fā)了具有實(shí)用價(jià)值的葉片精鍛件CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)中葉片精鍛件CAD框圖的簡(jiǎn)圖如圖3所示[ 5 ] 。在圖3所示的系統(tǒng)中,以UG軟件為平臺(tái), 采用GR IP語言編制出相關(guān)的程序,利用Menu Scrip t語言開發(fā)出菜單和工具條。輸入?yún)?shù)為:葉身各截面型線的原始數(shù)據(jù)、葉片精鍛工藝分析得到的工藝參數(shù)及葉根、葉冠實(shí)體有關(guān)數(shù)據(jù)信息。
圖2 葉片精鍛工藝及模具設(shè)計(jì)的CAD流程圖
圖3 葉片精鍛件CAD流程圖
4 程序運(yùn)行實(shí)例
4. 1 葉身型線CAD設(shè)計(jì)
葉身設(shè)計(jì)是葉片精鍛件設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn),也是葉片精鍛工藝設(shè)計(jì)工作量最多的環(huán)節(jié)。葉身設(shè)計(jì)要綜合考慮葉片的鍛造轉(zhuǎn)角、葉身型面余量加放以及葉身型線進(jìn)汽邊和出汽邊修整等問題,其中葉身型線修整最為關(guān)鍵。通常工廠設(shè)計(jì)葉身型線的方法,是在確定鍛造轉(zhuǎn)角之后,鍛壓工藝CAD人員通過機(jī)械式的人機(jī)交互,點(diǎn)取UG軟件內(nèi)部命令,逐個(gè)完成葉身各截面的余量加放和進(jìn)汽邊、出汽邊的型線修整。目前工廠現(xiàn)行的這種葉身型線設(shè)計(jì)方法,不僅需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期,而且還容易產(chǎn)生設(shè)計(jì)差錯(cuò)。采用本文研制的葉身型線CAD程序,則可以方便的通過運(yùn)行程序,輸入產(chǎn)品的幾何參數(shù)和工藝參數(shù),一步便可快速完成整個(gè)型面的設(shè)計(jì),包括余量加放和進(jìn)汽邊、出汽邊的型線修整。圖6為通過對(duì)葉片精鍛件葉身各個(gè)截面型線修整,利用UG軟件內(nèi)部命令得到的葉身精鍛件實(shí)體造型。圖7為葉身型線修整CAD流程圖。
圖6 利用本文研制的CAD系統(tǒng)葉身精鍛件實(shí)體造
圖7 汽輪機(jī)葉片葉身型線修整CAD流程圖
4. 2 葉根的實(shí)體建模
利用UG表達(dá)式功能和自定義特征功能,可以建立實(shí)用的葉根庫。利用葉根庫,可以方便地調(diào)用不同類型的葉根特征,進(jìn)行參數(shù)修改, 完成葉根的實(shí)體建模。圖8 為建立的3 種不同類型的葉根特征庫。通過布爾運(yùn)算,疊加葉身實(shí)體和葉根、葉冠實(shí)體就可以得到葉片精鍛件實(shí)體。
圖8 3種不同類型葉根實(shí)體特征
5 結(jié) 論
(1)本文研制的汽輪機(jī)葉片精鍛件CAD 系統(tǒng),是基于UG/Open GR IP和Menu Scrip t語言開發(fā)而成,完全融入了無錫葉片廠實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,操作起來具有良好的可行性和實(shí)用性,達(dá)到了汽輪機(jī)葉片精鍛件設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。
(2)采用該系統(tǒng)進(jìn)行汽輪機(jī)葉片精鍛件設(shè)計(jì),可以把目前工廠需要一周的設(shè)計(jì)工作量減少到只需半天以內(nèi)便可完成。大大降低了鍛壓工藝技術(shù)人員的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,顯著縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,從而提高了工廠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)
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出版社, 2002.
[ 4 ] 董正衛(wèi),田中立,付宜利. UG/OPEN AP I編程基礎(chǔ)[M ]. 北京:
清華大學(xué)出版社, 2002.
[ 5 ] 王開全. 汽輪機(jī)葉片精密模鍛技術(shù)CAD與CAE研究[D ]. 燕
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