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0 前 言
葉片是汽輪機、航空發動機和燃氣輪機的重要零件。汽輪機葉片在火力發電過程中起到關鍵的能量轉換作用,是汽輪機的“心臟”。汽輪機中的葉片數量很大,一臺汽輪機有數千件大小葉片。據統計,葉片制造的工時約占汽輪機整機的1 /3,工裝量占整機的1 /2左右,成本約占整機的20%～25%。
汽輪機葉片,尤其是大葉片主要采用螺旋壓力機精鍛工藝生產。和航空發動機葉片相比,幾何尺寸大,扭曲更為嚴重,鍛造的成形力更大,需要超大型壓力機生產。典型的汽輪機葉片結構由葉根、葉身、葉冠3部分組成,有些汽輪機葉片還帶有圍帶、拉筋和凸臺。
汽輪機葉片品種系列多,葉片數量也比較大,但批量較小。葉片鍛造工藝條件復雜,設計周期長,設計任務繁重,因此迫切需要降低設計人員的設計強度。同時激烈的市場競爭,又要求企業減少葉片試制和制造的周期。在UG軟件平臺上進行二次開發,能夠快速設計出葉片精鍛件的CAD系統,這對汽輪機葉片鍛造行業具有十分重要的意義。本文介紹了如何采用UG的開發工具,設計出能達到該目的的CAD系統。
1 汽輪機葉片精密模鍛工藝特點與鍛件設計
葉片幾何形狀復雜,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技術極為復雜。葉片材料的合金化程度很高,鍛造溫度范圍很窄,對鍛造、熱處理工藝參數很敏感。由于葉身很薄,型面復雜,導致鍛造時變形抗力大,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。這就要求鍛造設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間,而
又適于金屬的流動特性和保證一定的生產效率。同時,要求鍛造設備具有良好的剛度和承受偏心載荷的能力。葉片精鍛件設計,是葉片工藝和模具設計的關鍵。葉片精鍛件設計主要包括以下4個方面內容:
1. 1 確定鍛造平衡角
汽輪機葉片的葉身均為扭曲面,葉身截面(型面)的弦長線與產品設計坐標軸( x - y)的夾角稱為扭角。顯然,葉身各個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,在葉片鍛造時則會產生水平作用力,它將導致鍛模錯移,影響葉片鍛件成形的精度。為此,在設計葉片鍛件分模面時, 應將葉身型面坐標軸旋轉一個合適的角度,以減小水平作用力,該旋轉的角度θ即為葉片鍛造平衡角[1 ]。在確定葉片鍛造平衡角時,工程設計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進行驗證,要求α在48°～52°,如圖1所示。
圖1 汽輪機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、尺寸大小、加熱方法、鍛造設備有關。精鍛葉片的葉身無機械加工余量,但考慮到加熱過程中的氧化、脫碳,應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。當葉片鍛件旋轉平衡角θ后,有的葉身型面端部會出現倒勾而無法脫模,則需加上余塊。在葉片鍛造時,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、出汽邊都很薄,鍛時金屬要向外流動形成飛邊,在這些部位容易出現充不滿、折疊以及劃痕、裂紋等缺陷。因此對這些部位要作一定的延伸和加厚修整,以免上述缺陷產生。另外,由于葉片鍛造時產生的側向水平力使鍛件產生水平錯移,會導致進汽邊的背弧減薄;因此,在設計汽輪機葉片鍛件時,必須首先對葉身進、出汽邊的型線進行修整,這是葉片精鍛件設計工作量最大,影響葉片鍛件質量的重要環節。
1. 4 葉根造型與建庫
汽輪機葉片葉根的結構型式通常有3種:即燕尾型、樅樹型、銷釘型。在無錫葉片廠的實際生產中,應用最多的是燕尾型、直線樅樹型和弧線樅樹型葉根。如以UG軟件對3種類型葉根進行實體造型,建立相應的庫,則可方便葉片鍛件的葉根設計。
2 CAD二次開發與UG軟件平臺
CAD二次開發技術給企業的CAD應用水平帶來了新的挑戰。將企業參與市場競爭的核心技術與CAD系統集成,是各個企業今后CAD技術發展的方向,本文研究課題即屬于該領域范圍。上世紀70年代初,美國伯特利- 哥倫布實驗室最早研制出名為BLDFORG的葉片鍛模CAD /CAM系統,當時采用主應力法模擬葉片鍛造過程,優化工藝參數和模具設計,取得了較好的效果。國內西北工業大學自上世紀80年代以來,對航空葉片鍛造的CAD系統進行了較深入的研究,獲得了多項成果。由于汽輪機葉片鍛造更為復雜,有關其CAD系統的研究尚未有報道。UG軟件是當前世界上最先進的緊密集成的、面向制造業的CAD /CAM /CAE高端軟件之一,廣泛應用于航空、汽車等工業領域。選擇UG軟件作為本文CAD平臺,主要是由于UG軟件強大的曲面造型功能,以及可方便和數控加工機床結合的功能。UG軟件不僅功能強大,而且還提供了豐富的CAD本地化(客戶化)的開發手段,它們統稱為UG/Open。pen
中包括如下4個套件:
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語言進行編程,可以把企業的專用知識與UG系統融合。它具有簡單、快捷的特點,是一種面向工程師的語言,靈活運用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可以把面向對象編程的風格引入二次開發,開發出具有強大功能的CAD二次開發系統。AP I要求開發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風格的對話框,然后利用AP I語言為對話框添加回調功能。
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 汽輪機葉片精鍛件CAD系統框圖
葉片精鍛件的CAD過程如圖2所示。采用UG軟件進行葉片精鍛模具設計,關鍵是要設計出合理的精鍛件實體。本文基于無錫葉片廠葉片精鍛件的設計要求,開發了具有實用價值的葉片精鍛件CAD系統。該系統中葉片精鍛件CAD框圖的簡圖如圖3所示[ 5 ] 。在圖3所示的系統中,以UG軟件為平臺, 采用GR IP語言編制出相關的程序,利用Menu Scrip t語言開發出菜單和工具條。輸入參數為:葉身各截面型線的原始數據、葉片精鍛工藝分析得到的工藝參數及葉根、葉冠實體有關數據信息。
圖2 葉片精鍛工藝及模具設計的CAD流程圖
圖3 葉片精鍛件CAD流程圖
4 程序運行實例
4. 1 葉身型線CAD設計
葉身設計是葉片精鍛件設計的技術難點,也是葉片精鍛工藝設計工作量最多的環節。葉身設計要綜合考慮葉片的鍛造轉角、葉身型面余量加放以及葉身型線進汽邊和出汽邊修整等問題,其中葉身型線修整最為關鍵。通常工廠設計葉身型線的方法,是在確定鍛造轉角之后,鍛壓工藝CAD人員通過機械式的人機交互,點取UG軟件內部命令,逐個完成葉身各截面的余量加放和進汽邊、出汽邊的型線修整。目前工廠現行的這種葉身型線設計方法,不僅需要很長的設計周期,而且還容易產生設計差錯。采用本文研制的葉身型線CAD程序,則可以方便的通過運行程序,輸入產品的幾何參數和工藝參數,一步便可快速完成整個型面的設計,包括余量加放和進汽邊、出汽邊的型線修整。圖6為通過對葉片精鍛件葉身各個截面型線修整,利用UG軟件內部命令得到的葉身精鍛件實體造型。圖7為葉身型線修整CAD流程圖。
圖6 利用本文研制的CAD系統葉身精鍛件實體造
圖7 汽輪機葉片葉身型線修整CAD流程圖
4. 2 葉根的實體建模
利用UG表達式功能和自定義特征功能,可以建立實用的葉根庫。利用葉根庫,可以方便地調用不同類型的葉根特征,進行參數修改, 完成葉根的實體建模。圖8 為建立的3 種不同類型的葉根特征庫。通過布爾運算,疊加葉身實體和葉根、葉冠實體就可以得到葉片精鍛件實體。
圖8 3種不同類型葉根實體特征
5 結 論
(1)本文研制的汽輪機葉片精鍛件CAD 系統,是基于UG/Open GR IP和Menu Scrip t語言開發而成,完全融入了無錫葉片廠實際設計經驗。該系統設計合理,操作起來具有良好的可行性和實用性,達到了汽輪機葉片精鍛件設計的技術要求。
(2)采用該系統進行汽輪機葉片精鍛件設計,可以把目前工廠需要一周的設計工作量減少到只需半天以內便可完成。大大降低了鍛壓工藝技術人員的設計強度,提高了設計的準確性,顯著縮短了產品設計周期,從而提高了工廠的市場競爭力。
參考文獻
[ 1 ] 張志文. 葉片鍛造[M ]. 西安:西安交通大學出版社, 1987.
[ 2 ] C. R. Boer, H. Rydstad, G. Schroder. ProcessModeling ofMetal
Forming and Thermomechanical Treatment[M ]. Berlin: Sp ringe -
Verlag, 1986.
[ 3 ] 王慶林. UG/Open GR IP實用編程基礎[M ]. 北京:清華大學
出版社, 2002.
[ 4 ] 董正衛,田中立,付宜利. UG/OPEN AP I編程基礎[M ]. 北京:
清華大學出版社, 2002.
[ 5 ] 王開全. 汽輪機葉片精密模鍛技術CAD與CAE研究[D ]. 燕
山大學, 2004.
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