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 Engine blade s molding and numerical control processing Abstract Blade of Aero engine is a type is one of engine core parts It is playing the steam energy transformation for the mechanical energy role The engine performance is decided to a great extent by the leaf blade profile design and the manufacture level Blade s in engine function mission and the work characteristic had decided the leaf blade is in the engine the shape complex three dimensional space curved surface the size span big the stress bad the load bearing biggest components It in high temperature high pressure and under the high speed run revolves usual need alloy degree very high materials and so on heat strong steel titanium alloy as well as heat resisting alloy make In order to satisfy the engine high performance the work security reliable as well as the life request the leaf blade must have the precise size the accurate shape and the strict superficial integrity Therefore leaf blades technique of manufacture is in the mechanical manufacturing industry of most complex technologies Blade is shape is complex and the quality requirement is high The warps and the forgings may be discarded due to the formed forgings remaining stress and the temperature stress But it is possible to use the isothermal adjustment process to reduce the warp distortion and make the blade shape to meet the qualified requirements Three dimensional design software Pro E was used to carry on the design in view of the uniform temperature adjustment mold The three dimensional surface modeling of blade was carried out and the heating and cooling devices for the isothermal sizing die were simultaneously designed It s design flow is creating the three dimensional entity of the blade adding on margin to the blade using entity to set up the mold cavity putting on the mold structural elements Key Words Blades NC Machining Blade Shape 目 录 1 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 2 发到机叶片加工方法 1 1 2 1 仿形法 1 1 2 2 数控加工方法 2 1 3 课题研究的目的和意义 2 2 模具发展概况 发展方向和发展趋势以及 PRO E 软件介绍 4 2 1 中国模具行业发展现状 4 2 2 中国模具发展的方向 4 2 3 PRO ENGINEER 软件简介 6 2 4 PRO E 软件主要模块介绍 6 3 叶片造型 8 3 1 PRO E 设计软件绘制叶身 8 3 1 1 叶片的形状 8 3 1 2 绘制叶身 8 3 2 绘制安装板及榫头 13 4 基于 PRO E 的模具设计 18 4 1 毛边槽的设计 18 4 2 锻模的设计与造型 20 4 2 1 创建制造 模具型腔 进入模具造型模块 20 4 2 2 创建分型面 21 5 叶片加工工艺分析及模具数控加工仿真 24 5 1 叶片结构工艺分析 24 5 1 1 典型的叶片结构分析和机械工艺性评价 24 5 1 2 叶片加工中的技术要求 25 5 2 工艺路线的拟订 25 5 2 1 加工阶段的划分 25 5 2 2 工艺基准及其选择 26 5 2 3 毛坯的选择 27 5 2 4 加工方法的选择 27 5 2 5 刀具选择 28 5 3 发动机叶片的模型加工 29 5 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 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 这样不但加工效率低而且加工质量也很低 仿形法一般只能用于加工相对固定的叶轮型面 这对于目前多品种小批量的产品 很不适合 相比之下 数控加工成为叶片加工改革的主要方向 1 2 2 数控加工方法 数控技术是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用 它具有的高精度 高柔 性 高效率等优点现在已经被人们广泛认可 随着数控技术在生产中的广泛应用 传 统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性变化 近年来国内外已经有 不少厂家用数控刨床 数控铣床 数控车床等数控机床加工出多种型号的发动机叶片 数控加工的产品种类多 精度高 互换性好 同时加工效率高 操作简便 因此 使用发动机叶片数控铣削加工 将会具有良好的经济效益和广阔的市场前 景 1 3 课题研究的目的和意义 作为飞机发动机核心部分的叶片 其发展趋势在很大程度上决定了飞机发动机的 发展 因此 发动机叶片的加工具有很大的意义 主要体现在一下几个方面 飞机发动机叶片的加工精度直接影响飞机发动机的使用性能 在叶片加工中 由 于加工的问题 即叶片动平衡不理想 这样就会因为叶片的质量偏心而造成冲击现象 的出现 使整个发动机的使用寿命减小 发动机叶片加工表面质量和叶片轮廓曲面质 量直接影响发动机工作噪声 如果在叶片加工时 加工的表面质量不好或者轮廓曲面 不是很理想 就会造成叶片之间的气体波动较大 很容易造成较大的气体动力学噪声 直接影响发动机周围的环境 由此可见 飞机发动机叶片加工对飞机发动机的发展有重要的意义 它直接影响 发动机的性能和寿命 也影响发动机将来的发展 尤其在当今世界局势紧张的大环境 下 军用飞机发动机叶片的加工工艺的好坏对飞机的作战性能有举足轻重的影响 这 些复杂型面的加工是现代化机械制造业的一项重要课题 在叶片的研制中 叶型和凸台的加工 是叶片加工关键 它直接关系到叶片型面 的一致性和发动机的压气机性能 用传统的加工方法如大余量抛光 会造成叶片基体烧伤 而且叶片的型面和凸肩 的一致性不好 影响发动机性能而如果采用电解加工 电解模具的设计和制造都具有 很大的难度 而且不可以保证凸肩形状和尺寸公差 本课题在三维设计软件对叶片进行造型的基础上 针对叶片廓形的特性 采用数 控加工的方法加工叶片 而数控加工作为一种比较先进的加工方法 可以克服手工抛 光和电解加工的困难 而且型面和凸肩的一致性好 叶片的型面和凸肩用数控铣的方 法加工的研究加快了叶片的研制进程 叶片数控加工模板的建立为以后航空发动机叶 片的数控铣加工