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汽轮机叶片模锻工艺CAD与模锻过程有限元分析



国内图书分类号:TG
316.3

867 1 72

国际图书分类号:621

工学硕士学位论文

汽轮机叶片模锻工艺CAD 与模锻过程有限元分析

硕士研究生: 师: 导
副 导 师:

曹竞成

任运来教授
高新教授 工学硕士 材料加工工程

申请学位级别: 学科、专业:
所在单位:

机械工程学院
燕山大学

授予学位单位:

摘要

摘要
叶片是电站汽轮机的重要零件,在汽轮机的能量转换过程中起关键作用, 是汽轮机的“心脏”,叶片的质量直接关系到汽轮机的工作效率。因此,提高 叶片的设计水平和制造水平是一项重要的工作。本文针对叶片锻造工艺设计 的技术要求,在总结了工厂经验的基础上,以Unigraphics(NX)为丌发 平台,应用参数化的思想,对叶片精锻模具CAD二次开发做了进一步深 入的研究。另外,采用DEFORM一3D软件,对叶片模锻过程进行了三维有 限元模拟。主要内容如下: 本文分析了叶片模锻设计中平衡角的各种确定方法,在工厂长期对叶 片锻件叶身设计的基础上,总结出四种精锻叶片型线修整方法的方法,并 对叶片锻件三维实体造型进行了研究。 针对叶片锻件叶身设计的型线修整方法,本文在UG平台上应用UG 的通用开发语言UG Open/GRIP,采用参数化的思想开发了型线修整GRIP 程序。 本文以UG软件作为平台,采用开发语言UG/Open GRIP和人机交互 的开发方法,开发出了叶身型线数据点自动读取输出程序。 本文以叶片成形为三维非稳态塑性变形问题,利用商用有限元软件

DFORM.3D对叶片成形作了有限元模拟,研究了叶片锻件整体以及各个典
型截面的金属流动情况:通过对各个典型截面的应力场、应变场的分析, 得出叶片模锻过程的成形规律;总结了叶片模锻成形的变形规律。

关键词汽轮机叶片:锻造;UG/Open GRIP;实体造型:CAD;DEFORM-3D 金属流动

燕山大学工学硕士学位论文

Abstract
Turbine blades
are core

components in turbine,which play important roles
are

in energy Iransformation,called the‘‘heart”of turbine.The quality of blades directly related
to

the work

efficiency


of

turbine.Therefore,to

improve the of

design and manufacture level is

important thing.According

to the needs

factory,applying parametric method,special development of CAD for the blade forging die is systematically studied summing up the expertise
on

the basis of

UG(NX)in
is
as

this thesis after

offactory.The main

content

below:

The methods of definition the equilibrium

angle in

die forging

design

have

been

analyzed.Four

sorts

of airfoil section trimming methods of precision
up
on

and

average forging

have been summed

the basis of

factory.The

blade forge

piece 3-d sculpting is also been studied. According to the key

difficult,section

curve

trimming,in forging

design,a

procedure Was developed adopting developing procedure the
user,

language-UG Open/GRIP.This and bring
convenience to

Can reduce the

blade forging design period

Using UG as



flatroofi adopting developing language—UG Open/GRIP

and the alternating method,the automatic reading and outputling procedure of the Cure string data points has been developed. Assuming the deformation of blade in forging was plastical deformation


3-d

non—steady using

problem,FEM

simulation

was

performed

commercially available FEM software package-DEFORM一3D.The metal flow

ofthe blade collectivity and every classical sections
of
stress

have been studied.Analyfis in blade

and and

strain

in

different classical sections

forming Was

performed

the forming rule WaS obtained.The blade forging

deformation

rule has been SllmlTIarized.

II

Abstract

Keywords turbine blade;forging;UG/Open GRIP;entity sculpting;CAD;

DEFORM-3D;metal flow

ttl

燕山大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《汽轮机叶片模锻工艺CAD 与模锻过程有限元分忻》,是本人在导师指导下,在燕山大学攻读硕j一学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除己注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要受 献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的注律结果将完全
由本人承担。

作者签字冁吱

隰Ⅻ年譬异}7lL?

燕山大学硕士学位论文使用授权书
《汽轮机叶片模锻工艺CAD与模锻过程有限元分析》系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究
成果归燕山大学所有,本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相

关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文’
可以公布论文的全部或部分内容。

保密口,在
本学位论文属于

年解密后适用本授权书。

不保密刨
(请在以上相应方框内打“√”)

作者签名:\智丧忒

日期:,们b年上,月,7同

导师签名:形毒丛

日期:弘9占年f月77FI

第1章绪论

第1章绪论
1.1

引言
叶片广泛应用于航空发动机、汽轮机、燃汽轮机和压缩机等,起能量

转换的关键作用,被认为是汽轮机、航空发动机的心脏。叶片是汽轮机中 使用最多的~类零件,一台汽轮机有数千件叶片,叶片的质量直接关系到

汽轮机的工作效率。叶片制造的工时约占汽轮机整机的l/3,工装量占整
机的1/2左右,成本占整机的20%~25%,叶片在电站汽轮机中的重要性 是不言而喻的IlJ。因此,提高叶片的设计水平和制造水平是一项重要的基 础工作。由于叶片的品种多、数量大、材料先进、型面复杂、内部质量和 外部质量要求高,而且机械加工难度大,所以人们针对叶片这一类特殊零 件,投入大量的人力、物力,发展了各种叶片成形技术和工艺。由于锻造 成形工艺能够改善零件的微观组织结构,提高其机械性能,所以在叶片成 形中获得了广泛的应用11叫。 图1.1为1050mrn大叶片,该叶片应用于电站330MW/600Mw汽轮机 低压缸,叶片成品净重48kg/片,总长1190mm,叶根为直型榫齿形,宽

图1.1

典型的汽轮机叶片实物图
Typical turbine blade

Fig.1?1

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度为360mm,有叶冠(自锁),叶身(型面)有凸台。

汽轮机叶片形状的复杂性和其材料的难变形性导致其锻造工艺性差,
流动规律难以掌握。在缺乏系统的、精确的分析条件下,实际生产中不得 不多次反复试制,多消耗原材料来换取产品的合格率,致使叶片锻件材料

利用率低,产品成本耐31。目前,计算机科学日新月异,计算机图形理论
逐步完善,基于这些新理论和新技术,从叶片锻造成形工艺的现状出发, 结合相关科学技术的研究成果和实际生产中的需求,指出了叶片锻造成形

技术的发展方向。叶片锻造过程的计算机模拟技术、智能技术在叶片锻造
工艺设计中的应用前景以及叶片锻模CAD/CAM,对提高工厂叶片锻造工

艺与模具设计能力和准确性,增强企业的竞争力具有重要的现实意义【41”。

1.2国内外叶片锻造技术概况
1.2.1叶片锻造技术的发展
汽轮机叶片是锻造生产中最难成形的零件之一,原因在于汽轮机叶片 的型面复杂,截面宽厚比大,而且各截面之间有一定的转角。我国叶片锻 造成形的传统工艺是普通模锻。普通模锻的设计余量比较大,生产出来的 叶片往往“肥头大耳”,需要经过进一步的机械加工才能获得理想的外观尺 寸。电力工业的飞速发展对叶片的使用性能提出了更高的要求,不仅要求 叶片外观质量好,尺寸精确,而且还要求叶片的内部组织达到标准、金属

流线分布合理。传统的模锻工艺很难满足上述要求,国外已具有大批量生
产叶片精锻件的能力,如英国的罗一罗(Rolls—Royce)公司设计制造的叶片, 除了榫头局部进行少量机械加工外,叶身型面、榫头内缘面、叶身阻力凸 台都不需要机械加工,保证了完整的锻造金属流线。这种先进叶片锻造技 术不仅节省金属材料,减少机加工工时,也大大降低了叶片制造成本,而 且在很大程度上提高了叶片的使用性能和寿命[6-s]。 时代的需要和国内外同行业的差距给我国汽轮机叶片锻造工艺提出了

挑战,同时也带来了发展的契机。为了实现叶片的精锻,我国相关研究单 位同电力企业及机械部的有关单位紧密合作,在借鉴国外先进技术的基础


第1章绪论

上展开了大量的研究,围绕着叶片的精锻技术研究,我国采用引进和自我 开发相结合的办法,拥有了一些精锻设备和工装.如无锡叶片厂1981年引 进美国西屋电气公司电站汽轮机叶片制造技术,引进由德国 HASENCLEVER公司制造的SPKAll200型离合器式螺旋压力机,采用先 进的精密模锻工艺,为汽轮机行业提供大型叶片锻件;西安航空发动机公 司的精锻叶片生产线,其工艺和设备均具有较高水平。目前,我国已具有 生产中小型精锻叶片的能力,并且实现了精锻叶片的出口。这表明我国叶 片精锻技术已具有较高水准,但在对锻件尺寸、几何形状、组织性能的主 动控制能力方面同国外相比,仍有一定差距。 近十几年来,随着我国现代化建设的迅速发展,特别是吸收了国外同 行的生产经验和技术,引进国外先进生产设备,叶片锻件的生产技术获得 了明显的发展和提高。但是由于生产工艺和设计手段依然落后,在很大程 度上影响了我国叶片精锻水平。因此,为提高我国叶片生产的整体水平, 实现叶片精锻工艺设计计算机化,采用先进的数值模拟方法预测分析成形 过程.以降低设计成本,缩短设计周期,提高生产效率,已成为目前我国 叶片制造业的当务之急。随着科学技术的发展及微机的普及与推广,计算 机辅助设计(ComputerAided Design,简称CAD)在汽轮机叶片制造业中 已经被越来越广泛的采用。

1.2.2叶片模锻工艺的特点
汽轮机叶片主要采用半精锻或精锻方法生产。根据产品交货状态要 求,无锡叶片厂生产汽轮机叶片的类型分为:精锻叶片,模锻叶片和成品 叶片。一般而言,所谓精锻是指锻件叶身部分余量小,少于0.3 mrn:公差 小,约为1/3模锻公差,叶身表面不再需要切削加工,而只需要进行精抛 光或化学铣削。叶片叶身很薄,型面复杂,锻造时变形抗力大。而且,操 作过程坯料冷却较侠,容易引起锻造力的波动。这就要求锻造设备具有足 够的打击能量、适宜的变形速度.以减少锻件与模具的接触时间,而又适 应金属的流动特性和保证一定的生产速率。同时,要求锻造设备具有好的 刚度和承受偏心载荷的能力以及尽可能小的弹性变形。



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叶片锻件对表面质量、内部组织、流线分布都要求十分严格,这就需 要有良好的锻造工艺及相应的辅助工艺,如加热保护、表面喷丸、温度控 制、模具润滑等等,对各种辅助工序的安排也必须是严格的、合理的。 叶片材料的合金化程度很高,变形温度范围窄。和普通的模锻件相比, 叶片的模锻制造工艺与检测技术要复杂和困难的多,对锻造、热处理工艺 参数很敏感。过高或过低的锻造、热处理温度,都将给叶片的组织和性能 带来明显的影响,因而给锻造和热处理过程造成很大的困难。 由于汽轮机叶片的质量要求极为严格,叶片的检测技术与质量控制在

精密锻造时显得特别重要。由于汽轮机叶片尺寸复杂,检测项目繁多,对
于最终产品的各种技术要求,包括型面厚度公差、分散度、型面形状公差、 扭曲公差、弯曲公差、缘板内侧面的相对位置公差、叶根和叶冠的角度以 及锻件错移公差等,在叶片锻造工艺的各个流程都要进行精确的检查,确 保叶片质量12J。

1.2.3精锻叶片工艺特点
所谓精锻叶片是指叶身型面少余量(<=0.3mm),紧公差(1/3模锻公差), 表面一般不必进行机械加工,而只需抛光,叶根则按常规模锻余量,进行 机械加工后交给用户的叶片。 叶片精锻是近年发展十分迅速的一种叶片精密成形方法,它是在一般 叶片模锻基础上逐步发展起来的一种少无切削加工新工艺。与一般模锻相 比:它能获得表面质量好,机械加工余量少和尺寸精度高的锻件;取消或 部分取消了切削加工工序,从而提高材料利用率;可以使金属流线沿零件 轮廓合理分布,其疲劳性能、腐蚀性能优异,大大提高了叶片的承载能力: 降低生产成本。 采用精密锻造技术生产的不锈钢、铝合金、钛合金和镍基合金叶片, 具有相当高的精度。~般叶片的叶身型面和叶根内缘面不需要机械加工, 只需留有抛光或化学铣削余量,其所留余量,也远较采用普通锻造方法生 产的叶片毛坯少而且均匀【9 ̄13】。 叶片精锻由于采用了合理的模具设计和先进的工艺技术,能够保证金



第1章绪论

属具有良好的成形条件和合适的变形程度,获得沿叶身形状分布的流线和 均匀细小的晶粒,增加了强度。同时,由于金属沿着模具的形状流动.叶 身型面和缘板内侧面及其与型面转接部分不需要机械加工,使外露出来的 端向晶粒最少,流线不被破坏,减少了应力腐蚀和裂纹,提高了疲劳强度、 冲击强度和抗腐蚀性能。 在各种类型的叶片生产中,由于叶片形状复杂,材料的利用率都比较 低。用方钢铣削汽轮机叶片,材料利用率只有7%~15%,普通模锻叶片, 材料利用率只有25%~40%,这些叶片的材料除了锻造过程中较大的毛边 消耗外,大量消耗于为机械加工所留的余量。精锻叶片的材料利用率可以 达到50%以上。 采用精密锻造技术,还可以简化叶片机械加工的过程,特别是难加工 材料和型面薄的叶片。汽轮机叶片材料一般为不锈钢甚至钛合金,材料加 工性能差。叶片型面薄而复杂,加工极易变形,采用精锻,可以解决这些 问题。表1.1为叶片精锻与模锻的技术比较。
表I-I叶片精锻与模锻的比较
Table 1-1 Comparison ofprecise forging and die forging

比较项目 内在质量 表面质量 生产工时 生产设备 工装数量 生产周期 材料利用率 制造成本 综台成本

精锻 金属流线连续 保留锻造表层,耐磨抗腐蚀性能好 假设热锻工时为l 不需要型面加工机床 只需磨削工具 4~5个月
>40%

模锻 金属流线被切断 表层被去除 需增加型面加工工时9 需增加单头型面加工机床5~6台 需大量机加工装 6~7个月

25叫O%


高 低

采用叶片精锻技术,大大降低了叶片生产的总体成本。虽然叶片精锻 所用的模具费用和锻造费用,和普通锻造相比提高约5倍左右,增加了锻


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件的成本。但是对整个制造过程而言,由于大量节省了材料,缩短了生产 周期,大大减少了机械加工费用,而且精锻叶片的使用寿命长,所以其总
体成本比普通的大余量锻造要低的多。

由于叶片精锻的技术经济效益明显,目前,国内外叶片生产厂家都在
积极研究叶片精锻方法,有的已经用精锻方法生产出叶片。如英国罗尔斯 一罗伊斯(Rolls--Royos)公司可以精锻120毫米长度以下不带冠叶片, 英国唐卡斯特.罗克.布瑞基公司的精锻叶片单面余量小叶片为0.25毫米以

下,长500毫米以上的大叶片为0.5毫米【mM】。
随着我国电力工业的快速发展,我国汽轮机叶片生产企业进行了多方 面的技术研发和技术引进,如:无锡叶片厂、国营红旗机械厂、南京五一 一厂,分别用螺旋压力机、曲柄压力机、摩擦压力机精锻各种类型的叶片。

1.2.4成品叶片的工艺特点
成品叶片是指模锻后,由本厂加工叶片锻件至零件图要求,直接交给
用户。

叶片锻件的叶身型面必须达到成品(精锻件)型面型线公差要求以及零

件表面质量要求,这种交货方式要求的达到可以采用两种制造工艺方法,
一种是型面精锻工艺,该精锻工艺方法是指通过一系列精锻工艺措施的采

纳。使叶身型面直接锻造至叶片成品的公差带范围,表面仅仅通过化学抛
光和光饰处理达到表面质量要求。 另外一种方法,也是无锡叶片厂通常采用的方法,即叶片锻造采用半

精锻工艺方法,叶身型面留有一定的少量单面余量,通过抛磨使叶身型面
达到成品的公差要求和表面质量要求。

1.3汽轮机叶片锻造工艺流程
1.3.1精锻叶片锻造工艺流程
下面以无锡叶片厂Q1050L型精锻叶片为例,介绍精锻叶片锻造工艺 流程。叶片各种参数:

零件重:42kg,材料重:95kg,材料利用率:44.21%,下料尺寸:西lgO


第1章绪论


476+3
工艺流程如下: (1)原材料复检验 (2)锯坯下料 (3)车外圆 (4)超声波探伤 (5)自由锻制坯采用中、高温电炉,750kg空气锤。坯料加热900

℃,保温80分钟一高温炉1150 0C土10"C,保温55分钟一锻造一二火加热 保温30分一锻后退火一检验 (6)表面清理手动砂轮磨表面缺陷一喷砂去FeO,也可用喷丸。 (7)检查验收 (8)模锻叶片锻件模具安装预热(190,.-250。C)一加热(电炉900"(2, 保温60分,高温1150。C士10 4C,保温30分),装件一11200T螺旋压力机 锻打,连击两次,预选能量E=90%,采用水剂石磨均匀喷涂一再加热(保 温15分)一11200T锻打,连击两次,预选能量E=80~85%一切边(1200T 切边压力机)一再加热一热整形(1
1200

T压力机)一锻后砂冷,24小时内

及时回火一打标记一锻后回火(中温炉) (9)检查用测具、样板 (10)表面清理喷丸、砂,手磨 (11)磁粉探伤抽一炉(>=20片),叶身内叶型,叶根转接处去FeO 后探伤,如有裂纹则叶片整体进行探伤;如发现缺陷,打磨后才能进入 下道工序 (12)热处理加表面清理 (13)手工校正在50T校正压力机上进行 (14)检查 (15)去应力回火 (16)表面清理 (17)选取试件每炉抽2片进行理化检验,每炉批随机抽取l片进 行附加试验


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(18)理化性能检查试件经粗抛、精抛,确定合格的叶片,在规定 处取样进行理化检查 (19)切割或铣余块以及底面 (20)检查 (21)磁粉探伤方法同(11) (22)粗抛
f23)检查 (24)打中心孔 (25)检查

以三个中心孔定位,在测具上检测,按照精锻件图验收

(261铣进出汽边 f27)去附加应力
(28)精抛

(29)检查按照精锻件图验收 (30)磁粉探伤 附加机械性能试验和成品金相分析

(31)打标记打字或腐蚀,将叶根的钢印转刻到叶型上 (321检查 f33)半成品入库
1.3.2

模锻叶片锻造工艺流程

下面以H668B型模锻叶片为例,介绍其模锻工艺流程。叶片各种参数: 零件重:6.54kg,材料重:26.0kg,材料利用率:24.15%.材料牌号: 2Crl3,材料规格: 工艺流程如下: (1)原材料复验按订货技术协议执行 (2)下料 (3)车外圆 单面车1.0mm,若出现黑皮应打磨干净

咖120

(4)加热中温900"C±10℃,保温40分钟,高温1160"C±10℃,保 温20分钟



第1章绪论

(5)制坯自由锻,始锻温度1160"(2±10"C,终锻温度大于850"C,锻 件不得过热、过烧,锻件表面不得有裂纹、折叠 (6)检验按锻坯图要求进行检验 (7)坯料清洗与表面涂料 0.15mm,涂层均匀 (8)加热中温900。C±10。C,保温40分钟,高温1160"C±10"C,保 温20分钟,可以锻造 (9)预锻锻前模具预热,180~240。C,水剂石墨喷涂、润滑模具模膛, 每次锻造时清除模膛中氧化皮,锻造能量预选E=55%,锻造温度l 160"C (10)切边锻后立即切边,温度高于900。C,切边后立即迸高温炉 (1 1)高温加热温度1160。C士10"C,保温8~10分 (12)锻造锻前清除表面氧化皮,锻造能量预选E=65~70%,锻造温 度1160℃ (13)切边切边后立即整形 (14)检验按锻件图进行检查 (15)热处理退火 (16)喷砂清除叶片表面氧化皮 (17)打磨打磨叶片表面缺陷,残存飞边、毛刺 (18)检验按锻件图进行检查 (19)热处理 (20)检验按技术协议进行理化检验 (21)去处叶根余块加工叶根余块时注意不能碰伤叶型 f22)检验 (23)室温整形锻模整形前对锻模局部修正 (24)检验 (25)热处理去应力 (26)检验 (27)抛磨 以内缘面定位点作纵向定位,保证内背弧型线有抛磨余 坯料预热100~150。C,涂层厚度0.10~

量,叶冠、叶根处有余量来调整叶片位置


燕山大学工学硕士学位论文 (28)检验

(29)入库

1.4叶片锻造工艺研究进展
早在七十年代初,D.G.Iles等就对航空发动机Olympus593叶片精锻工 艺进行了研究,并给出了控制叶片尺寸偏差的具体事例。美国哥伦布Battle 实验室用主应力法研制了用于涡轮叶片和压气机叶片锻模设计和数控加工 的计算机程序系统,其中用于锻模CAD的BLDFORG程序,能够分析和 设计涡轮叶片或压气机叶片的模锻过程,确定锻造过程各个阶段的变形力、 合理的坯料尺寸和设备吨位、为模具的数控加工提供几何信息。 我国的叶片技术起步较晚,基础也比较薄弱。由于大多数叶片的型面是 比较复杂的三维扭转曲面,几何要求精度高,设计制造难度大,而且生产准 备周期长,工作量大。而CAD/CAM技术正是在提高生产效率、改善设计 制造质量、降低生产成本、减轻劳动强度等方面具有传统设计制造方法无

法比拟的优越必性。近年来,在叶片生产的计算机辅助设计以及分析方面,
国内学者做了很多工作。八十年代中期,北京航空工业部第六二一研究所

根据T.Altan等提出的叶片精锻工艺CAD程序的功能框图,研制出可用于
计算叶片精锻工艺某些参数的初步软件,并用三维刚粘塑性有限元法对叶

身成形过程进行了模拟;西北工业大学朱谨也曾对航空发动机叶片精锻工 艺即模具设计的CAD过程进行了试探性的研究。 由于叶片形状的复杂性,三维模拟方面的研究很少。D.Y.Yang基于刚
粘塑性材料模型,并考虑摩擦的影响,对涡轮叶片等温锻造进行了三维刚 粘塑性有限元模拟分析,但在模拟中假设模具上的榫头与叶身处采用直角 相连,这种简化假设导致所进行的三维有限元分析模拟与实际生产还有一 定距离。国内有西北工业大学詹梅、刘郁丽对带阻尼台的航空叶片及单榫

头叶片采用自行开发的3D--PFS有限元系统进行了模拟;上海交通大学方 洪祥对汽轮机长叶片的有限元建模及模型修正进行了研究[17】。
近年来,随着计算机技术的不断进步和有限元方法的完善,计算机数

值模拟本质上可以虚拟试验现实,将大量反复的试验工作在计算机上完成。
10

第1章绪论

且叶片已基本上形成了一类具有明确几何形状的零件系列,用计算机数值 模拟技术来模拟叶片锻造成形规律,预测成形缺陷折叠和充不满产生的部 位,并通过改进工艺或改变毛坯的形状和尺寸消除成形缺陷是完全可能的。

1.5课题情况与本文主要研究内容
近年来随着我国电力工业迅速发展,作为汽轮发电机重要零件的汽轮 机叶片需求量猛增,同时国内外市场的竞争也越加激烈。在此情况下。加 快对现有生产技术进行改造,尽快采用先进的计算机数字技术,提高叶片 生产的技术水平就显得尤为重要。课题来源于燕山大学与国内发电设备制

造业最大的汽轮机时片专业生产厂无锡叶片厂的合作项目——《汽轮机时
片锻造工艺技术软件系统》。 计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术是近三十年来迅速发展起来 的一门新技术。它一经产生就显示了强大的生命力,推动了几乎一切领域的 设计革命.CAD/CAM技术的发展和应用水平已成为了一个衡量国家科技 现代化和工业现代化水平的重要标志之一【18,19]。由于叶片是几何形状比较 容易定义的一类零件,因此在国外,CAD/CAM技术较早的就应用于叶片锻 造的设计与制造。 本文在燕山大学材料加工工程研究生彭志、王开全的研究工作的基础

上,以大型CAD/C舢ⅢCAE一体化软件UG(NX)作为开发平台,对“汽
轮机叶片精锻CAD/CAM/CAE系统”项目有关研究内容进行了完善。UG 软件强大的复合建模技术、特征技术、参数表达式技术、零件家族技术、 以及其二次开发工具UG Open/GRIP、MenuSeript、UIStyler等为课题的顺 利完成奠定了基础。此外,本文还采用有限元软件,对汽轮机叶片的模锻 成形过程进行分析。本文的主要研究内容如下: (1)对工厂叶片锻件设计过程进行总结,归纳出修整叶身型线的基本方 法以及工艺计算分析方法,为CAD开发提供了理论依据。

f2)采用UG软件作为CAD的工具,对时片锻件进行了三维的实体造
型,使得锻模设计和后续的叶片锻造数值模拟成为可能。 (3)以UG软件为平台,根据不同的修整型线的方案,应用GRIP开发

燕山大学工学硕士学位论文

语言,用参数化的方法编制型线修整开发程序,建立了操作的交互界面。 (4)根据设计工作中的实际需要,开发了型线数据点自动读取输出程 序,减轻了重复劳动,提高了设计效率。 (5)以叶片锻造为复杂的三维非稳态塑性变形问题,利用商用有限元软 件DEFORM一3D对叶片锻造进行三维数值模拟,探讨叶片锻造的成形规律, 研究不同位置典型截面的成形特点,并对叶片锻造的载荷一行程曲线进行 分析,总结了叶片模锻各个阶段的变形规律。

12

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算

第2章
2.1

叶片锻件图设计及工艺参数计算

引言
叶片锻造工艺设计首先要求根据产品图设计锻件,即叶片锻件图的设

计。叶片锻模设计过程中,先要进行锻件的设计,这是进行后续模具设计 的基础。必须首先建立叶片的零件实体模型,生成冷锻件实体和热锻件实 体,然后确定相应的参数,才能设计出合理的精锻模具。根据产品图并结 合技术协议确定叶根、叶冠的加放余量(通常单面5mm,叶根底部7-10ram. 叶冠15~20)及叶身型线内、背弧的包络量及英裙应位置的检测具的设计要 求和对它们的检查要求,在此基础上设计出叶片的锻件图。

2.2叶片锻造平衡角的确定
在汽轮机扭曲叶片的锻造工艺中,采用首先通过对锻坯的预制坯。然 后进行敞开模锻成形锻造的工艺方法时,工艺分析中叶片锻造转角的确定 是叶片锻造成形的关键,也是叶片锻造模具型腔设计时考虑的前提条件。 如图2-i所示,时片各截面型线翅角变化较大,在对汽轮机时片进行工艺

一。—1 。 ’。 — 。‘ — —。 。 。’— 。’— 1+‘’。 ’。— 。— — ‘。 。1’— 。— —’。‘’。 ’一— 一
盈2-l斗片各藏匿型线
Fig.2-1 Strings ofblade sections lj

中的锻造成形分析时,为了有利干叶片锻件各部分形状在锻造时按照金属

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材料流动规律充足成形,而对叶片锻件的扭曲叶身型面进行锻造方向的合 理选择,其方法是通过对叶身截面绕型线坐标中心的旋转。 汽轮机叶片型面变化很大,各型面的扭角相互不等,叶冠处材料薄而 扭角最大,叶根处扭角最小,扭角变化较大的升片给锻造生产带来很大困 难。因此锻造这种强度高、形状扭曲大又薄的锻件必然需要很大的变形载 荷。同时也会产生更大的水平错模力。变形载荷和水平错模力的共同作用 使得模块和设备产生弹性变形,而这个弹性变形正是影响锻件尺寸精度的 主要因素。因此,设计锻模时应将叶片旋转到一个恰当的角度,使得锻造 时的载荷和错模力尽可能小,如图2-2所示。由于叶片形状尺寸各异,有 些叶片可以使锻造时理论上的水平错模力为零,而有些叶片由于锻造分模 面的要求,不可能为零,只能尽可能地dJ2们。

图2-2平衡角示意图
Fig.2-2 Get equilibrium angle

所谓叶片的锻造转角,就是扭曲叶片在锻造时,为了使叶片的各部分 形状按照锻造金属流动规律成型,而有意地在工艺设计时使叶片计型的锻

造方向与原理论坐标方向转过一角度,这一转角即为锻造转角12】。
在工艺设计分折时应考虑以下几个因素,以便合理选择锻造转角: (1)锻造应力的大小要考虑叶片在锻造时的模具型腔的进出汽边两侧 受力均匀,避免过大的侧向分力。

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算

(2)锻造转角选择应考虑时模具寿命的影响。由于锻造转角在考虑这些 其它因素的同时而未能顾及叶根转角处位置时对模具寿命的影响,往往在 叶根型腔大而深处成为容易引起模具沿纵向开裂的应力源。 (3)锻造转角的选择应配合锻坯形状的选择。对精锻叶片来说,在考虑 上述因素的同时,还应配合精锻工艺,作出更为全面的考虑。
2。2.1

叶片锻造转角的确定步骤

(1)从输入叶片型线数据经计算机生成CAD图形的理论型线中,抽取 三个典型截面的完整型线:靠近叶根端、叶顶端和叶身中润截面: (2)以三个典型截面重叠的原点为基点,结合叶片锻造转角确定原则的 考虑进行旋转分析后,初定锻造转角; (3)根据初定锻造转角进行工艺分析 叶型扭曲较大时应该作综合考

虑。既要考虑进出气边最高点处的充足成形,又要考虑进气边背弧“倒勾” 余块不宜过大(如图2.2所示);靠叶顶截面叶型较宽,出气边较薄时,应 该使出气边适当往平坦方向旋转而加大锻造转角的角度臼:精锻或者少余 量叶片锻造时,应该适当加大锻造转角口值;锻坯采用扁坯形式时,可以 适当将8角度取偏小值,扭曲度不大的叶片,且出气边容易充足时.特别 是锻坯采用圆坯形式时,应该适当加大锻造转角8值; (4)在锻造转角确定中验证角a的应用在靠近叶顶截面型线的出气边 作趋向延伸的对称中心线,该中,心线与分模面方向轴线的夹角就作为锻造 转角确定中考虑的验证角Ⅱ。根据从工厂以往扭曲叶片锻件在锻造转角确 定时对n角的验证情况进行积累统计,验证角旺一般控制在48 9~52。之
间,如果小于48 9时,应该在锻造工艺中考虑一定的措施,特别是锻坯的

形状和在模具中的定位或其他相应的进气边阻尼措施等,但是绝不允许小
于45。:

(5)输入叶根、叶冠、凸台等各个典型截面,进一步进行锻造转角的修 整和确定。

2.2.2计算法确定平衡角
计算法分三种,分别如下;,
15

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(1)将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面的夹角相加,求其平均值。

0:竺堡=!墨


(2)将靠近叶根的截面和靠近叶冠的截面以及叶身中部的夹角相加,求 其平均值。

0:竺塑±竺生±竺墨


(3)将叶身各个截面的扭角相加,求其平均值。

0-=!!±竺2±:::±竺!


实际设计中一般采用第(2)种方法。它简捷、明了,易于设计人员操作, 而且考虑到靠近叶冠的截面出气边最薄,一般加上一个验证过程,即图2-2 中,角度Ⅱ要求:480≤a≤520,以保证出气边能够充满。

2。2.3矢量作图法确定平衡角
因为锻模基准平面与打击力相垂直,利用打击力等于金属变形抗力的 原理,通过矢量作图求出打击力的方向,这样也就求出了锻模基准的方向, 其具体方法如图2—3所示,在叶身上标注了四个型面,各型面弦长线与x轴 之间的夹角分别为口一、ae、a c、a。,为了更准确地计算出平衡角0,首 先将叶片分成与型面数目相同的若干部分,这里是分成四个部分。各个部 分的面积为R,各面积上的中心线即型面线处,分别计算每一部分锻压成 形时所需的变形力P。


只2(1+O.5")o-E(N)
C】

(2—1)

式中

O-——叶片成形时的变形抗力(MPa) f.——各部分的宽度,也就是型面的弦长(mm)

c,——各部分的厚度,即型面的最大厚度(mm)
F——各部分的面积,即弦长与边长的乘积

P,一各部分所需的变形力(N)

16

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算



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=二—。

图2-3矢量作图法求平衡角
Fig.2-3
Get equilibrium angle from vector graphics

按上式计算叶身各部分的变形力之后(即只,岛,耳,昂),用适当的缩 尺比把各变形力表示在各相应的型面图上。变形力的方向与型面弦长线相 垂直,然后再将这些变形力由P。开始逐条平行移到一个坐标系上,各变形

力彼此首尾相连接。最后,把R的箭头与坐标原点0连一条直线,所连
直线与坐标纵轴Y之间的夹角便是所求的平衡角012l。

2.3叶身型面余量的加放及叶身型线的修整
2.3.1

叶身型面余量加放

生产实践表明,无论是钢或耐热合金,当加热没有采取防护措施时, 在锻件表面不可避免的产生缺陷层,有时厚度可能达到lmm以上,若采

取了防护措施可减少缺陷层的厚度,但缺陷层总是不可避免的。叶片毛坯
终锻变形时叶身型面可能出现压坑、划伤等缺陷,如工序周转过程中,难 免有碰伤,因此必须留有余量。常用加放余量的方法有两种: (1)加锻造方向余量这是一种简便方法,在叶身型面扭角较小的情况

下,叶身余量可以用模锻时的欠压量来保证,即加放Y向余量。在给定的
17

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坐标点Y坐标上加放余量△,但型面曲率稍大时会出现不均匀的余量…。

(2)加法向余量这是一种加放均匀余量的作图法。叶片的型面特征用
离散点表示,以坐标点为圆心,△为半径作一系列的圆弧.然后连接公切 线,即包络线。如图2-4所示的解析法加放余量中,在叶片某一型面上一 系列点中取一点mo(工。,Y。)。在mo的法线方向上加余量△得到m。(一,Y,)。 由图2.4中几何关系可知:
COS8=



一=‰干小黼 2儿±夕惫i万矿

7蕊再2 y再丽

(2-2)

‘背弧取负号,内弧取正号) ‘背弧取正号’内弧取负号’

图2.4余量加放示意图
Fig.2-4 Illustration ofoffset


blade string

2.3.2叶身型线修整
由于汽轮机叶片形状的特殊扭曲,通常叶片的产品图是通过给出叶身 一系列截面的离散坐标点来精确的表示叶身,而叶根叶冠则用普通的几何 方法。叶身部分的进出汽边由于很薄,锻后形成飞边较大,在这些部位容 易出现充不满和折叠以及划痕和裂纹等各种缺陷,这样就有必要在叶身部 分的型线做一定的延伸和加厚修整,以使可能的缺陷产生在叶身之外。所
18

第2章叶片锻件图设计及上艺参数计算

以,设计汽轮机叶片锻件时,一定要首先对叶身进出汽边做修整。 叶身型线的修整过程,是叶片锻造模具设计过程中的重点,也是难点. 其具有如下特点: (1)设计过程复杂,设计工作量大一个普通的汽轮机大叶片,叶身部 分的截面表达可能有10~20个左右,而每个截面又分为进汽边和出汽边,

对每个位置都必须遵循一定的设计程序。根据生产实际统计,采用UG软
件对一般叶片进行设计,周期大约是20天,而型线修整就需要5天左右。 (2)设计难以标准化设计中容易存在这样的问题,即对同一型线,不 同的设计人员修整后的结果都不一样,导致设计的差异性。 (31设计准则多种多样,难以掌握 由于叶身形状的扭曲,靠近叶根部

位的型线和靠近叶冠部分的型线在几何上相差很大,对不同扭曲度的叶片, 要有不同的设计方法,这对于设计人员来说操作难度较大。 根据工厂生产实际叶片的分类和对设计工作中应用的修型线的方法的 总结,可以把叶身型线修整的方式分为两大类,即精锻叶片型线修整和模 锻叶片型线修整。下面以精锻叶片靠近叶根型线修整为例,详细说明型线 修整的操作过程,其他型面型线以此类推。
2.3.2.1

靠近叶根型面进气边型线修整方法

如图2—5所示,靠近叶根型

面部分,叶片扭曲翘起较高,为了防止出现倒勾影响出模,必须设置一定 的拔模斜度,一般取为70,具体修整过程如下: (1)作背弧线的偏移(offset)线1,距离dl=I.5~3mm; (2)作进气边小圆的offset线2,距离d2----25~30 ITlln; (3)作进气边小圆的offset线3,距离d3=5~8 rain: (4)作内弧偏移线的延伸线4,与线3相交; (5)通过线3、线4的交点作水平线5: (6)作线5的otiset线6,距离d4=2~5
inl]l;

f7)作线l的70的相切线与线6相交于b点(背弧端点),过b点作垂 线与线5相交于a点(内弧端点): (8)作背弧的450切线8; (9)以450线切点为起始点,以70线与线1切点为终点作线性包络线9:
19

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(10)作线4和水平线5的转接角R3~R5。

图2-5靠近叶根进气边的修整方法
Fig.2?5

Trimming method ofentrance side ofblade

near

root

2.3.2.2靠近叶身中部型面进气边型线修整方法示意图

如图2-6所示,

靠近叶身中部随着扭曲逐渐变得较为平坦,当叶身最大厚度处于修整范围 以内时,要考虑从最大厚度处进行修整。

图2-6
Fig.2?6

叶身中部型面进气边的修整办法
neat

Trimming method ofentrance side ofblade

the middle

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算
2.3.2.3

靠近叶冠型面进气边型线修整方法示意图

如果最大厚度位于修

正圆范围内时,修整线起始点取在最大厚度与背弧型线的切点处,如图2.7 所示。

图2.7靠近叶冠进气边的修整方法
Fig.2—7

Trimming method ofentrance side ofblade

near

top

2.3.2.4型面出气边的型线修整方法示意图

出气边修整时要注意,背弧与

修整范围圆所截得尺寸S,必须大于修整以后与背弧垂直的小圆外切线所 截得尺寸T,如图2-8所示。

图2-8型线出气边的修整方法
Fig.2—8

Trimming method ofexit side ofblade

21

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模锻叶片型线修整也有相应的四种方式。模锻型线修整时,只需要保 证一定的弦向的延伸量和保证圆角使模具不至于有尖角存在就足够了,而 厚度方向的尺寸要求不高。由于叶片精锻的诸多优越性,模锻叶片的生产 方式在工厂上的应用越来越少了,模锻叶片的型线修整方法也比较简单, 在此不再详细叙述。
2.4

叶片锻件实体造型
作为汽轮机的核心零件,汽轮机叶片长期工作在高温、高压、高速的

状态下,使用环境非常恶劣。任何设计和制造中的缺陷都可能导致工作效

率的降低、斗轮甚至是整个机组的损坏,带来重大经济损失。为此,在叶
片的设计、分析和制造中较早地就应用了CAD/CAM技术,来解决一些传 统的设计和制造手段所无法或很难解决的问题。如叶片汽道型面的辅助几 何设计、数控加工编程,叶片的几何特性的计算、有限元结构动力分析等。 而这些工作的开展,都需要以建立完善的叶片几何模型为基础。 在几何造型技术中,根据不同的设计对象和应用的不同,可采用线框、 曲面和实体等造型方法。如型线样板的设计和加工一般只需一维线框模型,

而叶片汽道型面的二轴数控加工则需要汽道型面的曲面模型、而对叶片计
算质量、惯性知等几何特性时,就需要建立实体模型。由于几实体模型中 包含了设计对象的所有几何信急,当在各种应用中需要线框或曲面信息,

可直接从实体模型中提取。因此,建立叶片的实体模型是解决各种设计、
分析和制造问题的关键【21】。 由于一般CAD/CAM软件中的实体造型功能比较适合形状比较规则 的零件造型,而叶片的实体造型中涉及到复杂度很高的自由曲面构造,并 且要解决好封闭自由曲面与其相邻面之间的变半径倒圆及曲面至实体的转 换等问题,有相当大的难度。因此,在叶片的实体造型过程中,对造型软

件的选择及造型技巧的处理显得尤为重要网。
CAD技术发展迅速,传统的基于二维的平面设计方法,已经落后于先 进的三维造型设计方法。叶片形状复杂,特别是叶身部分,由扭曲的曲面

组成,用二维设计方法,数据量大,容易出现差错,而采用三维造型方式,

第2章叶片锻件图设计及_[艺参数计算

则可直接生成NC加工代码,大大降低了数据处理的难度。采用三维造型 设计,还可以大大缩短设计周期,在充分研究二维CAD设计过程后,进

行三维CAD研究,是十分必要和可行的[23啪】。
汽轮机叶片锻件三维实体设计是指利用UG NX三维设计软件根据叶 片的锻件图生成叶片的冷锻件实体,再由冷锻件实体结合材料的热涨系数 产生热锻件实体,为后续的锻模三维设计打下基础。
2.4.1

叶身型线及锻造转角

由产品图数据生成叶身各截面型线,根据汽轮机叶片的成品叶身型线 扭曲程度确定锻造转角,目的是让金属塑性流动合理,便于叶片各部分充 满,进出汽边侧向力尽可能平衡,同时要兼顾锻造投影面积尽可能小及叶 身出汽边不要翘得太高,如图2-9所示。 r——————————————————一—————————————————————————————__———————一1



。,

,-二

图2?9旋转过锻造转角后的各截面型线
Fig,2-9
Strings with equilibrium angle ofeach blade sections

2.4.2叶身型线修整及叶身造型
叶片叶身是由不同的截面形状贯穿而成,对于叶片锻件要根据叶身是 采用抛磨方式还是铣削方式去除余量以达到成品叶身要求,截面型线修整 的方法不~样。采用铣削方式去除叶身表面余量,在锻造方向坐标系下进 行截面型线修整,以内弧线为准,延伸内弧线进、出汽边到进、出汽边的
23

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包络圆,以内弧线与包络圆的交点作为此截面型线上模分模线的起点。上 模分模线确定后,相应下模分模线就确定,仅要考虑合适的桥部厚度,再

修整背弧型线,这样一个截面型线由内弧线、背弧线、进汽边桥部线及出
汽边桥部线组成。叶身型线修整和实体造型, 如图2—10、图2-1l所示。

……一一………。:::二=2=…一——一’

《.一
㈣~一
Fig.2-10

\/, 、^

——………———————::——。=二.=——二———一——…
图2一10截面型线修整
Trimming strings of each blade sections

≮一、、

一蕊。

按照典型截面型线修整方法修整好叶身所有截面后,用Curve编辑功
能把每个 身实体。

图2-II叶身实体
Fig.2?1 1 Body part ofa blade

24

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算

2.4.3叶片冷锻件叶根及叶冠实体
根据冷锻件图利用Sketch草图命令,先画出叶根、叶冠典型截面草图。 然后,利用草图位置约束和尺寸约束得到叶根、叶冠典型截面准确图形,

最后利用拉伸或者穿越命令分别生成叶根、叶冠实体,把叶根、叶冠实体

旋转到锻造查旦要坌型佳些堕塑!吐垂坌夔亘!塑国!:!三塑圈—型3所示。

。!j黜 ‘:。. . . . . . . . .。 一
图2-12叶根实体
Root part of Fig.2—1 2


blade

图2.13叶冠实体
Fig.2-13
Coronal part ofa blade

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2.4.4叶片冷锻件实体
根据叶身、叶根、叶冠分模面趋势造出叶身与叶根转接面的工艺余块, 叶身与叶冠转接面的余块,把叶身、叶根、叶冠以及工艺余块实体通过布 尔运算合并生成冷锻件实体,如图2,14所示。

图2—14叶片冷锻件实体
Fig.2—14 Coolforgingpieceofablade

2.4.5叶片热锻件实体及桥部飞边

图2.15叶片热锻件加飞边实体
Fig.2-15 Hot forging piece and border ofa blade

第2章叶片锻件图设计及工艺参数计算

由冷锻件实体乘以叶片材料的热涨系数就得到热锻件实体,由热锻件 实体在叶片热锻件实体的锻造坐标系横N(x轴)及纵N(z轴)分型面的端面 分别拉出飞边实体,如上图2.15所示。 上面通过采用UG软件对汽轮机叶片锻件进行三维设计,为后续的锻 模设计打下基础,为叶片锻造塑性成形的数值模拟提供了先决条件。

2.5本章小结
本章主要对叶片锻件图设计中的关键步骤及工艺参数的计算过程进行 了研究,得出了以下结论: (1)合理的锻造转角,可以降低锻造时的水平力,从而提高模具和压力 机的寿命,确定锻造转角有计算法和矢量作图法。 (2)为了保证锻件的质量,锻造时必须给锻件加一定的余量,Y向加余 量只适合于叶身扭角较小的情况,一般都需要采用法向加余量的办法。为 了避免在较薄的进出气边出现锻造缺陷,必须对叶身型面进行修整,延长 和加厚型面,根据工厂实际总结了精锻叶片和模锻叶片型线修整的方法。 (3)采用UG软件对叶片锻件实体进行了三维造型,为锻模设计和后续 的叶片锻造数值模拟提供了条件。

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第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发
3.1叶片cAD设计简介
在叶片锻件的设计过程中,根据传统做法,一个新叶片产品的开发过 程总是分为设计与制造两大部分,叶片锻模属单件生产,设计和制造往往 是一一对应,所以模具设计人员的工作特别繁重。传统的叶片模具设计因 循人工设计方法,工作繁重,模具设计所占工时约为模具总工时的20%左

右,模具设计工作量大、周期长,任务急。随着计算机辅助设计(CAD)技
术的快速发展,叶片锻造工艺及模具的设计,也由上世纪七十年代及以前 的人工作图法,及八九十年代的AutoCAD平面设计,过渡到有强大实体

造型和曲线曲面功能的三维软件UG上来。采用对UG软件二次开发的办
法,可以大大提高通用软件的功能效率,方便于设计。UG软件是广泛应 用于航天工业的高级三维CAD软件,其在我国的应用也越来越广泛。国 内不少厂家也已经购买了UGII软件,而对其的开发使用也迫在眉睫。图

3.1为本文研究课题——基于UG软件二次开发的叶片精锻CAD系统示意
图。本系统的型线类型判断和修整程序及型线数据点自动读取输出程序, 可以较好的完成重复的型线修整的任务,提高设计效率。 3.2

uG(Nx)软件简介
Unigraphics(简称UG)软件起源于美国麦道飞机工业公司,是当前世界

上最先进和紧密集成的、面向制造行业的CAD,CAM/CAE高端软件之一。 UG软件是一个集成化、全面、一体的软件,它包括设计、加工、分析和 最流行的产品数据管理(PDM),给企业提供~个全面的解决方案。其实 体建模核心Parasolid是高精度的边界表示实体建模工具。其最大的特点是

支持并行工程,在对变化的工程过程的产品修正信息,进行协调和管理时 增加多用户协调和产品数据管理功能【27。J。
UG的主要功能模块有:计算机辅助设计模块(CAD),计算机辅助工

第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发

程模块(CAE),钣金模块(SheetMetal),二次开发编程工具(Programming),

数据交换模块(Translator),信息管理模块(IMAN)掣3¨21。UG软件的
CAD模块最主要的特点是基于约束的特征建模和显式几何建模集成在一 起称为复合建模,可以在基于特征的环境下发挥传统实体、曲面和线框造 型的长处。包括特征建模(Feature Modeling)、自由形状建模(Freeform
Feature

Modeling)、用户自定义特征(User Defined Feature)和三维转化二

维模块等【33,34J。

图3-1叶片精锻CAD系统示意图
Fig.3-1 Illustration ofblade precision forging CAD system

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3.3

uG软件二次开发简介

每个公司在引入了CAD/CAM软件后,都希望能用好自己CAD/CAM,

软件。但是,通用的CAD/CAM软件的功能虽然解决了它们的大部分需求,
许多专业问题,例如贯彻本公司的标准、专用的设计方法和算法、产品管 理已经数据处理等方面,解决起来比较困难,会遇到不少麻烦,CAD/CAM

的应用水平不高。把本企业的专业知识、专利、规范等,与通用的CAD/cAM
软件集成,使之成为一个高效、易用的应用系统,可以说,这些应用系统 就是他们研制核心产品、参与市场竞争的法宝。总之,CAD二次开发的目 的就是基于支撑软件、设计出一套软件系统或称之为设计工具来辅助具体 的使用p5I。 UG不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配合工程图设计等 功能,还提供了UG/OPEN GRIP和UG/OPEN API程序设计模块、UG/OPEN MenuScdp和UG/OPEN UIStyler两个辅助开发模块;同时具有良好的高级 语言接口,使得UG的造型功能和计算功能有机地结合起来,便于用户开 发符合自己要求地cAD系统【3“。
3.3.1

UG软件的二次开发工具介绍

UG/OPEN是一系列UG开发工具的总称。它们随UG一起发布,以开 放性架构面向不同的软件平台提供灵活的开发支持。uG/OPEN的所有文 件,包括开发工具、头文件、库均存放在以下目录中:x:\EDS(UG主目录)
\UGOPEN、UG/OPEN。

UG/OPEN二次开发工件包括如下套件: (1)UG/OPEN GRIP专用的用户图形交互语言,它是UG软件包中的 一个模块,是UGS公司提供的一个用于UG二次开发的软件工具UG/OPEN GRIP语言用来创建类似FORTRAN一样的程序,与Unigraphics系统集成。 (2)UG/OPEN UIStyler专用的用户界面制作工具,此模块提供了强大

的制作Unigraphics风格窗口的功能。提供了让开发人员创建Unigraphies
风格对话框的可视化环境,并能生成UG/OPEN UlStyler文件和c代码,

第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发

从而使用户在使用UG/OPEN UIStyler产生的对话框使,不必考虑图形界 面(GUI)的实现。
(3)UG/OPEN API又称为U下UNC,是UG的高级二次开发编程语言。

作为Unigraphics与外部应用程序之间的接口,UG/OPEN APl使一系列函 数的集合。通过UG/OPENAPI编程,用户几乎能够实现所有的Unigraphics 功能,开发者可以通过用c/c++语言来调用这些函数,从而达到实现用户 化的需要[37,38]。 (4)U(3/Menu
Script

界面菜单编辑语言。是UG/OPEN的一个重要组

成部分,它提供用户创建并编辑Unigraphics的下拉菜单及工具条。它的应 用包括两部分;首先,通过编辑纯文本的Menu文件(菜单脚本文件)刨 建并修改Unigraphics的主菜单及下拉菜单,而不用C语言的程序;其次, 利用UG/OPEN API提供的MenuScriptAPI函数及子程序用C语言开发定 制菜单选项的Unigraphics应用,这些选项对应的回调函数也是用C语言
编写的。
3.3.2

型线修整方法的UG/OPEN GRIP二次开发

UG/Open GRIP(GRAPHICS INTERACTIVE PROGRAMMnqG)是

UG软件包中的一个模块,是UGS公司提供的~个用于UG二次开发的软
件工具。UG/Open GRIP语言用来创建类似于FORTRAN一样的程序,与

Unigraphics系统集成。由于GRIP与UO的紧密集成,所以利用GRIP程 序,可以完成与UG的各种交互操作。例如,调用一些实体生成语句,创 建几何体和制图实体,可以控制UG系统参数,可以存取UG数据库,提 取几何体的数据和属性,可以编辑修改已存在的几何体参数,另外还可以 编制交互的用户对话框等。 UG软件的二次开发语言UG/OPEN GRIP,与一般的通用语言一样, 有完整的语法规则,程序结果,内部函数,已经与其它通用语言程序的相 互调用等。GRIP语言同样需要经过编译、链接后,生成可执行程序,爿‘ 能运行。应用GRIP语言来开发一些专用程序,与Unigraphics的交互运行- 完成某些专业上需要的特定的功能。例如,在UG上与其他的应用程序集

31

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成时,解决数据的采集与传输;在做常规的结构设计时,用GRIP程序, 使重复性工作程序化,大大减轻工程师的重复劳动。
3.3.2.1 UG/OPEN

GRIP语言的使用使用GRIP,就是应用GRIP语言,

建立GRIP程序,解决生产实际中经常碰到的问题。建立GRIP程序,通
常需要四个主要步骤。

(1)编写GRIP源程序可以在GRIP高级开发环境(GRADE——G^p
Advanced Development

Environment)t9,用Edit功能,新编或修改GRIP

源程序,自动存盘为+.grs,或在记事本(Notepad)编写,存盘为4.grs。GRIP 源程序,除必须有主程序外,还可能包含若干子程序,子程序可以单独进 行编写和链接,然后与主程序链接。

(2)编译GRIP源程序在GRIP编译器中输入源程序名(?.grs)。如果编
译出现错误,则在屏幕窗口显示错误型线,或将错误信息输出到指定的文 件中。供用户查询,并向用户指示错误发生的位置和错误的类型,提示用 户修改源程序,继续调试源程序。如果编译显示没有错误,则生成一个新 文件?.gri,然后进入下一步。 (3)链接把编译成功的GRIP程序(包括主程序和子程序)进行链接。 生成可执行的程序,自动命名为?.grx。如果链接出现错误,在屏幕或输出 文件中,显示错误信息,提示用户复查和修改。

(4)执行执行GRIP程序必须先进入Unigraphics,在Unigraphics环境
下运行,或使用MenuScdpt,傲成菜单调用,或在API程序中调用GR/P 程序【301。

3.3.2.2叶身型线修整的流程汽轮机叶片模锻工艺及模具设计中,对叶
片叶身各个截面型线进行修整,是设计工作中的技术难点,其工作量也最 大。叶片的叶身有很多截面型线。修整型线时必须对截面一个个进行。UG 中采用对部件分层的办法来表示~个由许多组件组成的零件。由于程序开 发采用UG为平台,所以程序开发必须依照UG操作的一些习惯。设置工 作图层.可以调整工作视图,暂时隐藏其它非工作截面,更方便于搡作。 所以,程序一开始就必须设置视图和工作图层。而在修整以后,重新调整

工作图层,方便设计人员重新选择截面。型线流程图如图3,2所示。
32

一.

茎:童垂三22竺些竺!竺堡生三盗茎茎

图3-2型线修整流程图
Fig.3_2

Flow chart ofstring trimming

3.3.2.3

型线修整GRIP程序的编制

根据对工厂实际设计中应用的型线

修整方法的总结,可以把型线修整分为两大类:精锻叶片叶身型线修整和 模锻叶片叶身型线修整。在此基础上,分别编制了8种典型型线的修整程 序。下面以某典型型线修整程序为例,简要介绍编制的过程及方法。
¥¥

¥¥程序名称:xxx_m
¥¥日期:XXX.4.2

1.gas

¥¥功能:对模锻叶片的第一型面进行修整

33

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¥¥

entity/spOO),cir(3),pt(20),In(20),fill,¥

number/vl(3),v2(3),ang,st,at,r,¥
numb,sty,…,ysp(200),zsp(200),¥

¥¥初始化一些数据,设计默认值
data/rI,5,h,5,...,ang,...

¥¥

¥¥选择样条曲线

ident/晴选择要修整的两条样条’…
messg/temp,’locate the origin'

gpos/晴输入圆心点’,xp,印,印,rspl
pt(1)=point/xp,YP,zp

elf(1)=circle/center,pt(1),radius,r

In(6)=line/pt(7),atangl,90+ang

halt

采用OPEN/GRIP语言进行编程,可以直接调用实体生成语句生成所 需要的实体,实体(ENTITY)用来描述UG中的图形元素及其相关性质, 常见的GRIP实体有:坐标系、点、直线、曲线、平面、解析曲面、曲面、

实心体、各种集合(组、子图形、组件)、制图、属性、草图等。数组(一兀n忸ER)
用来定义程序种各个变量的放置,可以根据需要设置多个数组。数据(DATA) 用来初始化定义所需的数据,即程序中设置的默认值。POINT是定义点实 体的主词,后面为三维点坐标(xp,YP,zp)。LINE是定义直线实体的主词. 后面为宜线上点的坐标。定义直线较为常用的还有在LINE语句中,加上 辅词,通过辅词可以定义直线与另一直线平行(P:ARLEL)、相切(TANl’o)、
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第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发

垂直(PERPTO)等。在本程序设计当中,用GRIP语言调用了许多的实体

生成命令,作为设计当中计算的辅助线。例如用c限cLE语句作出小圆及
偏移的圆,用直线相切命令作出背弧的切线,通过找交点命令找出切点。 用CRVTRM命令延长内弧,找到内弧与小圆的交点等。 在程序的编制过程中,为了方便用户使用,还加入了大量的人机交互

语句,使用起来十分方便,同时也易于操作。例如“idenff晴选择要修整的
两条样条’…”,“gpos/’请输入圆心点’,xp,yp,zp,rspI”等。如图3.3所
示。

图3-3分类选择对话框
Fig.3-3

Dialog box ofclass selection

型线修整的第一步就是要确定所要修整的是哪一个截面型线,而程序 不可以做到自动识别,必须通过调用IDENT语句,调用分类选择对话框来 进行选择截面。

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图3.4参数输入对话框
Fig.3-4
Dialog box ofparameter input

采用GRIP当中的PARAM语句,可以方便的生成参数输入对话框, 实现参数的输入。输入的参数,在程序内部用语句赋值给变量。参数的输 入,是运用程序进行设计的主要人机交互环节,只要输入了参数后,就可 以直接生成修整的型线。 如图3-4所示,在程序中,利用初始化语句,给一些参数设定默认值, 就可以完成这项功能。例如,小圆偏移半径一般为5mm,大圆偏移半径为 25ram,拔模斜度一般为70,分模面桥部厚度一般为5mm,这些都可以设 置成默认值,从而节省了时间,提高了设计效率。

3.3.3叶片型线修整程序运行实例
下面以无锡叶片厂某型号叶片叶身中部型线为例,利用开发的程序进行 型线修整。 程序运行步骤如下: (1)在UG中通过SPLINE命令绘制出这两条截面型线,如图3.5所示。

36

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(3)型线修整实现操作规范化

由于程序对每一种修整方式进行了机

械式的定义,所以避免了人工修整时的随意性,容易得到规范统一的型线 修整结果。

图3-6程序执行中的型线
Fig.3-6
The section
curve

string under transaction

图3-7修整完的型线
Fig.3—7 The section
curve

string transaction finished

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第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发

3.3.4叶片型线数据点自动读取输出程序
根据无锡叶片厂的生产实际,在叶片截面型线修整完成以后,需要将 型线某一段,即某一区间的数据点,按规律读取,并整理成数据文件。在 以往的设计工作中,根据现实需要,采用人工绘制取点直线,再人工逐点 读取点数据,汇编成数据点文件备用。采用人工绘制取点直线,再逐点读 取数据,整理成数据点文件的方法,不仅工作量大,费时间,效率低下, 而且在读取过程中,还可能发生错误,对生产非常不利。 针对设计工作中的这种情况,本着减少重复劳动,提高效率,减少错 误,缩短设计时间的原则,我们开发了“叶片型线数据点自动读取输出程 序”。本程序同样是基于UG软件的二次开发语言uG/OPENGRIP,主要 利用实体数据存储功能EDA,符号EDAfEntity
Data Access

Symbols,)是

GIuP提供的一类用于存取UG数据库中的各种实体的数据的功能语句。程 序中利用EDA语句,可以打开UG的数据库,实现数据的传输。 下面以上述修整好的截面型线为例,利用该程序进行点数据的输出。 (1)在UG环境下直接运行该程序,弹出选择对话框,按照提示信息选 择背弧或内弧,如图3.8所示。

图3-8选择对话框
Fig.3-8 Dialog box ofselection

(2)此处以内弧为例。选择内弧,弹出参数对话框。按照设计需要,分 别确定起始点横坐标,输出点横坐标间距,需要数据点个数。此处设起始 点横坐标(.50),取点步距2mm,取点个数为40,如图3-9所示。

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图3-9参数输入对话框
Fig.3-9

Dialog box ofparameter input

(3)单击确定后,自动生成取点系列直线,如图3—10所示。

图3.10程序运行结果
Fig.3-10 Result after program finished

(4)从信息中可见,所需的40个数据点的三维坐标(X,Y,z),依次列 出。将信息保存,并直接可以采用Excel表格的形式打开,便于编辑,如 图3.11所示。

第3章基于UG的叶片CAD设计二次开发

图3-1l程序运行结果
Fig,3—1 1 Result after program finished

通过使用“叶片型线数据点读取输出程序”,切实减少了设计人员的 重复劳动,缩短了时间,提高了工作效率。

3.4本章小结
本章论述了叶片精锻CAD系统的框架及UG软件参数化二次开发的 方法。设计以UG软件为平台,针对叶片锻造模具设计中的叶身型线修整、

4l

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叶身型线数据输出等问题进行了研究,得出如下结论: (1)开发过程中,对UG二次开发的步骤及其语言进行详细研究。 (2)根据型线鲣整翡各种方法,采用参数化绘图的思想,拨出控制型 线修整的相关驱动参数,运用OPEN/GRIP语言编程工具编制出易于操作 的型线修整程序,可以缩短设计周期。 (3)根据设计工作中实际的需要,开发了型线数据点自动读取输出程 序,提高了设计效率。

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析
4.1

引言
叶片是电站汽轮机中形状复杂,材质和性能要求高,工艺性差的一类

量大面广的重要零件,它在汽轮机中起着能量转换的关键作用。叶片锻造 工艺的发展方向是采用精锻工艺进行生产。发展叶片锻造技术,首先有必 要对叶片的成形过程进行流动分析,以便充分了解和掌握叶片模锻成形规 律.从而在消耗最低的条件下,以最简便的方式实现叶片锻造过程.确定 最佳工艺参数、成形极限等。而采用有限元数值模拟方法无疑是一种理想 的研究手段:具有普遍性、快捷性和准确性,可以在计算机上虚拟实现成 形过程并反复演示、计算和优化,而且还可得到大量任意时刻的变形场帚

信息,这是其它手段所无法比拟的13”21。
对叶片锻造过程而言,采用三维刚粘塑性有限元进行模拟分析,是合 适的求解分析方法。虽然目前二维有限元模拟技术已经较为成熟,国内外
已先后开发了许多商用软件,如ALPID、MARC、AUTOFORM等,但这

些软件多适用于二维问题或者简单三维问题的分析。对于复杂三维金植塑 性成形问题,由于模具型腔几何描述、动态边界条件及网格重划、工模具 问的摩擦等技术问题的处理尚不很成熟,因此直接定位到叶片的三维有限 元模拟尚存在一定的难度,或还有大量工作需要完成【431舢J。到目莳为止, 叶片的分析几乎均是将其简化为二维平面应变问题,即假设沿叶身方向没 有会属的流动,截取若干个截面进行有限元模拟分析。这样必然带来误筹, 甚至与实际结果相去甚远。在叶片的实际成形过程中,沿叶身方向有金属 流动。而且由于叶片形状复杂,叶身厚度薄且不均匀,从叶根部到叶尖还 有一定的扭曲,其变形相互影响,因而叶片的实际变形为三维大塑性变形 问题。目前只有J.H.Argyris等考虑了热影响,用三维有限元法分析了叶片 从初始毛坯到最终产品的整个变形过程。另外,D.Y.Yang基于刚塑性模型, 并考虑工模具间的摩擦,对涡轮叶片进行了三维有限元模拟。但在这两种
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对叶片进行三维有限元的模拟过程中,模具上榫头和叶身过渡处采用直角 连接,这种简化使其与实际还具有较大的距离145q91。 在时片的实际锻造过程中,由于叶片形状的复奢性,沿时身不同方肉 都有金属的流动,若将其简化为二维平面应变问题,与实际情况是不相符 的。只有对叶片锻造过程进行三维有限元模拟才能获得其锻造过程中的精 确信息。从而为叶片锻造工艺提供切实可行的参数,因此,对电站汽轮机 叶片进行符合实际的三维有限元模拟具有重要的现实意义。 近年来,随着计算机技术的不断进步和有限元方法的完善,计算机数 值模拟本质上可以虚拟试验现实,将大量反复的试验工作在计算机上完成。 而且叶片已基本上形成了一类具有明确几何形状的零件系歹fj,用计算杌数 值模拟技术来模拟叶片锻造成形规律,预测成形缺陷折叠和充不满产生的 部位,并通过改进工艺或改变毛坯的形状和尺寸消除成形缺陷是完全可能
的‘50。5”。

4.2体积成形的刚塑性有限元法
g JJ(粘)塑性有限元法忽略了金属变形中的弹性效应,依据材料发生塑

性变形对应满足的塑馑力学基本方程,以速度场为基本量,彤成有限元列 式。这种方法虽然无法考虑弹性变形问题和残余应力问题,但可使计算程 序大大简化。在弹性变形较小甚至可以忽略时,采用这种方法可达到较高 的计算效率。刚塑性有限元法是由李(c.H。Lee)和小林史朗于1973年提 出来的。这种方法忽略了塑性变形中的弹性变形,因此在小变形时,其计 算精度不如弹塑性有限元法。但由于塑性加工问题变形量较大,弹性变形 比塑性变形小很多,因此采用这种方法仍能得到较好的结果156I。刚塑性有 限元采用列维.米席新(Levy-Mises)率方程和米席斯屈服准则。求解未铝 量为节点位移速度[53-55】。
4.2.1

基本假设

金属塑性成形过程中,材料的变形十分复杂,在对其进行数值模拟肘,
有必要作出一些必要的假设和近似: (1)不考虑材料的弹性变形;

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

(2)不考虑体积力(重力和惯性力等)的影响: (3)材料均匀且各向同性; (4)材料的变形服从Levy—Mises流动理论: (5)材料不可压缩,体积保持不变; (6)假设模具为剐体。
4.2.2

塑性力学基本方程

刚塑性材料在塑性变形时,应满足下列塑性力学基本方程 (1)平衡微分方程
o¨。0

(4-1)

(2)几何方程(协调方程)
?



£口={(uiJ+uj,-)
(3)本构关系

(4-2)

(4-3)

A:三兰
2仃

(4-4)

其中:

仃:为塑性区应力偏量。

(4)Mises屈服条件

三吒盯产舻
其中:K=一1仃,盯为具体材料的流动应力。 √3
对于刚塑性材料:盯=d(s) (5)体积不可压缩条件
s。‘£¨20 1一


(4-5)

(4-6)

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(6)边界条件边界条件包括应力已知面sF上的力边界条件和速度已 知面S。上的速度边界条件。分别为: 盯ijn,=只(在力面SF上)
坼=M

(4-7)

(在速度面s。上)

(4-8)

4.2.3刚塑性有限元基本原理--Markov变分原理
刚塑性材料的变分原理是刚塑性有限元法求解的理论基础,它根据能 量泛函取驻值时确定的真实速度场求解场变量。 刚塑性材料的变分原理可以表述为:设变形体的体积为v,表面积为

S,在力面SF上给定面力E,在速度面s。上给定速度Vi,则在满足几何
条件式(4.2),体积不可压缩条件式(4—6)和边界条件式(4-7)和(4—8)的一切允 许速度场中,使泛函:
兀2

ld

-一二




d矿。上,只K dS

(4-9)

取极小值所得的速度场必为满足要求的精确解。 当泛函取驻值时,其一阶变分为零。对(4-9)取变分可得:
占石2

i仃5 dy‘l。F占巧dS 20(4-10)


由塑性力学的基本方程可知,对金属的塑性变形问题,其解必须满足 边界条件和体积不变条件。然而在实际求解过程中,要找到同时满足这两 个约束条件的速度场是很困难的。因此在用变分法求解金属塑性加工问题 时,常常通过某种方法将体积不变条件引入泛函表达式中,作为对体积变 化的一个约束项,同时得到一个新的泛函。对于体积不可压缩条件,常见

的处理方法由Lagrange乘子法、罚函数法和体积可压缩法【5¨81。
4.3

Deform软件介绍
美国SFTC公司为全球最早的金属成形模拟分析软件公司,长期致力

于金属成形模拟分析技术的研究和发展。藉由与工业界的紧密配合,不懈 地研发、完善和推广DEFORM TM软件,使其世界范围内被广泛地应用 于众多大型工业的金属成形、热处理和机加工的模拟仿真中。
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第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

DEFORM为世界公认的用于模拟和分析材料体积成形过程的大型权 威软件,模拟和分析自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制、摆辗、平锻、辗 锻等多种塑性成形工艺过程;进行模具应力、弹性变形和破损分析:模拟 和分析冷、温、热塑性成形问题:模拟和分析多工序塑性成形问题:适用 于刚性、塑性及弹性金属材料,粉末烧结体材料,玻璃及聚合物材料等的 成形过程,确保模具设计与制造的可靠性。 DEFORM一3D功能与2D类似,但它处理的对象为复杂的三维零件、 模具等。不需要人工干预,全自动网格再剖分。前处理中自动生成边界条 件,确保数据准备快速可靠。DEFORM一3D模型来自CAD系统的面或实 体造型(STL/sLA)格式。集成有成形设备模型,如:液压压力机、锤锻 机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型(如胀压 成形)。DEFORM一3D是模拟3D材料流动的理想工具。它不仅鲁棒性好, 而且易于使用。DEFORM一3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中 多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。系统中集成了在任何必要时能 够自行触发自动网格重划生成器,生成优化的网格系统。在要求精度较高 的区域,可以划分较细密的网格,从而降低题目的规模,并显著提高计算 效率。 DEFORM一3D图形界面,既强大又灵活。为用户准备输入数据和观察 结果数据提供了有效工具。DEFORM一3D还提供了3D几何操纵修正工具. 这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM一3D延续了DEFORM系统几 十年来~贯秉承的力保计算准确可靠的传统。在最近的国际范围复杂零件 成形模拟招标演算中,DEFORM一3D的计算精度和结果可靠性,被国际成 形模拟领域公认为第一。相当复杂的工业零件,如连杆,曲轴,扳手,具有 复杂筋一翼的结构零件,泵壳和阀体,DEFORM一3D都能够令人满意地例行 完成。因此本文使用DEFORM--3D软件对叶片模锻过程进行三维有限元 数值模拟。 4.4

叶片模锻的力学模型的建立和模拟条件
叶片锻件的叶身厚度尺寸较小,弦向尺寸大,从叶冠到叶根的扭曲严
47

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重,且叶身的纵向和横向截面都是变化的,叶片形状的复杂性,使得叶片 锻造过程成为一个非常复杂的三维非稳态大塑性变形过程,为了获得更加 真实的变形和更加精确的有关叶片工艺和模具设计的相关信息,建立几何 模型时,尽量考虑多种因素,以便得到对成形过程符合实际的描述。由于 叶片叶身部分扭角不一致,在变形过程中会出现扭歪现象,因此,对叶片

锻造过程采用三维有限元模拟分析是非常必要的15%31。
前处理过程中,对坯料采用四面体等参元进行力学模型的离散化,该 坯料为经过多次有限元模拟所获得的可实现叶片锻造过程的合理毛坯。根 据叶片的几何特征,将位于A-A截面,叶身部分的B.B截面,C.C截面和 D-D纵向截面作为分析叶片模锻成形过程规律的具有代表性的典型截面, 如图4.1所示。
4.4.1

有限元模型的建立

本文对坯料采用三维四面体等参元进行离散化,如图4.1所示,坯料 被离散成由3274个节点相联的13243个单元的变形体,其表面多边形数为 3770个。如图4-2所示,上模和下模都设置为刚性体,模具温度设置为
300。C。

图4-1
Fig.4-1

QSK32-3L坯料初始网格 QSK32-3L billet
initial meshes

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

图4-2
Fig.4—2

QSK32.3L上下模具
top die and bottom die

QSK32-3L

4.4.2数值模拟的条件
叶片材料采用1Crl3,模拟在1050。C等温条件下进行,采用刚塑性材

料模型。材料从DEFORM软件中的材料库中选取,在该材料库中,定义
了从20。C到1100。C,应变速率从O.1到90时的材料硬化曲线.图4.3为 1050。C下1Crl3材料的的硬化曲线。




g 最 型





0.2

0.4

0.6

0.8



应变 ——●一esp=90.0000

—|-esp=l

0000

—。-r

esp=O 1000

图4-3
Fig.4-3

1Crl3的材料硬化曲线
Rigidifaction
culve

oflCrl3

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模拟过程中,上模以2mm/s的速度压下,下模静止不动。由于叶片锻 造过程中存在速度分流点的问题,因此,摩擦模型采用反正切函数摩擦力 模型,其具体表达为:
,’
f,

Z=一mk二arctan("')t

UO

“.11)

式中:蜘为常数,一般取为模具速度的l∥~10巧倍:btS为工件与模具接
触面上的相对滑动速度;k为材料剪切流动极限;f为速度方向的单位矢量; 锻造过程采用水荆石墨润滑,m为摩擦因子,取O.3 E3 91。
4.5

有限元模拟结果与分析
利用所建立的有限元力学模型和选取的工艺参数,对QSK32.3L叶片

的锻造过程进行三维刚塑性有限元模拟,得到了不同压下量叶片锻件典型 截面内的变形网格图、速度场、应力场和应变场等场变量的分布情况以及 载荷一行程曲线等结果。通过对变形结果的分析,获得了叶片模锻的成形 规律。

4.5.1坯料的整体变形
图4-4(a)一(d)所示是不同压下量时,叶片毛坯的整体变形情况。该图清 楚地表现了叶片模锻过程中坯料形状的变化过程。

(a)压下量10mm

(b)压下量20ram

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

(c)压下量30ram

(d)压下量40ram

图4.4不同压下量毛坯的变形
Fig.4.4

Deformed billet under various reductions

4.5.2典型截面网格变形及金属流动情况
4,5.2.1典型截面A-A的网格变形及金属流动情况
图4.5所示是不同压

下量时,叶根部分A.A截面的有限元模拟网格的变化和金属填充情况。由 下图可以看出,随着变形程度的增加,材料向上下左右四个方向流动以充 满叶根部分的型腔,并且型腔的上下面先充满。左右两侧的型腔随着变形 逐渐充满。在变形过程中,金属与上下模具的接触状态由点接触逐渐向面 接触过渡。可以看出,叶根部分的材料在变形过程中流动较小,说明叶根 部分较易充满。

5l

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(a)压下量10ram

(b)压下量20ram

(c)压下量30n'ml

(d)压下量40mm

图4—5不同压下量下截面A-A网格变形及金属流动
Fig.4—5 Deformed meshes and metal flow ofA.A

4.5.2.2典型截面B—B的网格变形及金属流动情况

图4-6所示是不同压

下量时,靠近叶根部分的叶身典型截面B.B的有限元模拟网格的变化和金 属填充情况。由图可以看出,锻造开始时,B.B截面内,金属与上下模具 之间的接触点较少,随着变形的增加,靠近坯料自由表面的金属开始向上 下方向流动,逐渐与上下模具接触,使得金属与上下模具之间接触区域逐 渐变大,直至金属与上下模具型腔表面全部接触。在变形过程中,金属的
52

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

流动不太均匀,在坯料的中心部位,网格的变形较大,而两侧较小。

(a)压下量10mm

(b)压下量20ram

(c)压下量30mm

(d)压下量40mm

图4-6不同压下量下截面B—B网格变形及金属流动
Fig.4-6

Deformed meshes and metal flow ofB-B

4.5.2.3典型截面C.C的网格变形及金属流动情况

图4?7所示是不同压

下量时,靠近叶冠部分的叶身典型截面C—C的有限元模拟网格的变化和金 属填充的情况。由图可以看出,截面C-C的网格变化和金属流动情况与靠 近叶根部分的叶身典型截面B.B基本是相似的。不同在于截面C—C处叶身 的扭角大小和方向与截面B.B处叶身的扭角的大小和方向都不相同,而且 C.C截面处型腔的高度与B.B截面处型腔的高度也不相同。

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(a)压下量10mm

(b)压下量20mm

(c)压下量30ram

(d)压下量40ram

图4—7不同压下量下截面C.C网格变形及金属流动
Fig.4—7

Deformed meshes and metal flow ofC-C

4.5.2.4典型截面D-D的网格变形及金属流动情况

图4.8所示的是在不

同压下量时,纵向截面D.D的有限元模拟网格的变化和金属填充情况。由 图可以看出,在纵向截面内,由于毛坯沿叶身纵向的长度接近于模腔的该 方向长度,因此,随着变形程度的增加,纵向金属材料的的压挤作用较大, 纵向变形不大。 上述模拟结果表明了叶片锻造过程三维变形的基本情况,变形在整个 锻件内的分布是不均匀的。相同的压下量下,毛坯的不同截面发生的变形

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

是不相同的,存在较大差异;同时,不同的压下量时,各个截面的变形程 度也不相同。这表明叶片锻造过程是金属非稳态的塑性流动过程。总之, 在叶片锻造过程中,随着变形程度的不断加大,金属材料充满叶根和工艺 凸台的同时,沿叶身和纵向流动,充满整个叶身。

(a)压下量10mm

(b)压下量20mm

(c1压下量30mm

(d)压下量40ram

图4-8不同压下量下截面D-D网格变形及金属流动
Fig.4-8

Deformed meshes and metal flow ofD-D

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4.5.3典型截面的等效应力和等效应变的分布
4.5.3.1典型截面A.A的等效应力和等效应变的分布图4-9和图4.10所
示分别是不同压下量时,叶片叶根部分典型截面A—A的等效应力和等效应 变的分布情况。由图4-10等效应变的分布可知,在变形刚开始时,变形最 大的区域集中在叶根左上侧和右下侧与模具接触的区域,变形最小的区域

在叶根的水平左右两边。随着变形程度的不断增加,变形最大的区域转变 为叶根的水平左右两侧边缘区域。综合整个截面的变形可知,叶根的部分
的变形较小。 对整个锻造过程分析可知,在变形初期,等效应力最大的区域靠近叶

根的心部以及叶根左上侧与模具最早接触的区域,等效应力最小的区域在
叶根左右两侧的边缘区域。在变形的最后阶段,等效应力的最大区域分布

在叶根的左右两侧边缘飞边区域。

(a)压下量lOmm

(”压下量20mm

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

(c)压下量30ram

(d)压下量40mm

图4-9不同压下量下截面A.A内等效应力的分布
Fig.4.9
The distribution ofeffective stress ofA_A under various reductions

(a)压下量10ram

(b)压下量20ram

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(c)压下量30ram

(d)压下量40mm

图4-10不同压下量下截面A.A内等效应变的分布
Fig.4-10
The distribution ofeffective strain ofA-A under various reductions

4.5.3.2典型截面B-B的等效应力和等效应变的分布

图4—11和图4.12

所示分别是不同压下量时,叶片靠近叶根部分叶身典型截面B.B的等效应 力和等效应变的分布情况。

(a)压下量10mm

(b)压下量20mm

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第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

(c)压下量30mm 图4—11
Fig.4-11

(d)压下量40mm

不同压下量下截面B-B内等效应力的分布

The distribution ofeffective stress ofB—B under various reductions

(a)压下量10mm

(b)压下量20ram

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(c)压下量30ram

(d)压下量40ram

图4一12不同压下量下截面B-B内等效应变的分布
Fig.4-12 The distribution ofeffective strain ofB—B under various reductions

由上述模拟结果可知,B.B截面的变形分布是很不均匀的,靠近自由 表面处节点其场变量的分布值较小,位于截面中心部分的节点场变量的分 布值较大。叶身处变形最大的部位发生在叶身的心部区域,而且,随着压

下量的不断增大,叶身截面内的变形量逐渐增加。坯料和上下模具接触的
上下表面区域,由于表面单元受到较大的摩擦力作用,该区域的变形较小。 位于坯料中心部位靠下的区域,单元体受到的水平力较小,主要受锻造方 向的压缩作用,压缩变形很大,水平方向有较大的扩张变形。位于外侧的 自由表面,变形较小。

通过对叶片锻造过程的三维数值模拟分析表明,叶身部分的不同截面
在不同的变形程度下,其各场变量的值大小是不同的,但是沿叶身部分的 截面内场变量的分布规律基本一致,因此叶身部分典型截面C.C内应力应

变场的分布情况不再重复叙述。

4.5.4叶片模锻过程成形规律
分析上述的模拟结果可以得知:叶片模锻过程是一个复杂的三维非稳 态塑性流动过程。其金属流动成形规律主要表现在如下的几个方面:
60

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析

(1)叶根部分在变形初期,坯料与上下模具的接触较少,只有局部的
金属发生流动。随着变形程度的不断加大,坯料与模具的接触面逐渐增大。 当型腔基本充满后,金属的剧烈变形主要集中在左右两侧的飞边部分。 (2)叶身部分 叶身部分的变形可以分为三个区域。和上下模具表面接

触区域,由于摩擦力的作用,变形较小;位于坯料中心部位靠下的区域, 水平方向的压应力较小,主要受锻造方向的压缩作用,水平方向有较大的 扩张变形:位于两侧的自由表面,变形较小。在整个锻造过程中,金属向 右侧型腔流动的速度要大于向左侧型腔流动的速度,这是由于右侧型腔高 度略大于左侧型腔的高度。 (3)沿锻件轴向,各个截面内变形的分布很不均匀,叶根部分变形较小, 而叶身部分发生了很大的变形,变形最大的部位在叶身心部区域。 (4)相同的压下量下,截面上的网格变形程度不相同;不同压下量下,

各个截面网格的变形也不同。这表明叶片的锻造过程是一个非稳态的塑性
流动过程。

4.5.5叶片模锻过程载荷一行程曲线
图4.13所示为QSK32.3L叶片模锻过程的载荷一行程曲线。
l 00E+04 900E+03 8 00B}03 700E+03

三6.00E+03

差5
描4

00E+03 00E+03

3.00E+03 2 00E+03 l 00E+03 0 00E+00 0 10 20 30 40 50 60 70 80

行程(Ⅻ)
图4.13
Fig.4-13 Load
vs

叶片锻造过程载荷一行程曲线
stroke
curve

for the forging process ofblade

6I

燕山大学工学硕士学位论文

由载荷一行程曲线得出,叶片锻造过程大致可以分为三个阶段:

第一阶段为坯料镦粗阶段。坯料放入下模型腔,上模对坯料进行压缩,
坯料被镦粗,金属向两侧流动,其横向尺寸增大,部分的金属被挤入叶根

模腔形成叶根形状。由曲线可知,这个阶段所需的成形载荷较小;
第二阶段为填充模腔阶段。随着变形程度的逐渐增大,所需的成形载 荷逐渐增加,金属开始大量的填充模腔: 第三阶段为锻件成形、锻造完成阶段。在这个阶段,模腔完全被金属 充满,但是模具并没有打靠。随着上下模具的进一步压合,叶片锻件在分 模面附近高度上的金属继续流向周围,形成飞边。此时,变形金属在垂直 受压方向有最大的投影面积,加上金属桥部非常薄,金属要流过这个缝隙, 需要极大的压力,所以在这一阶段,所需的成形载荷上升到最大。 由上述曲线看到,在行程为60~70ram区间时,在行程一载荷曲线上 出现了载荷突然下降再上升的反复。这是因为此时的锻件金属承受很大的 成形载荷,坯料网格发生了畸变,DEFORM模拟软件对畸变的网格进行了 自动重划分,场变量的传递出现了不连续的现象。 在工厂实际生产该QSK32.3L型汽轮机叶片过程中,采用的锻压设备 为离合器式螺旋压力机,螺旋压力机上的锻件,是用被传动装置加速到最 大速度的工作部分的动能使锻件变形的,这个速度在工作行程期间减小到

掣6¨9】。该设备上安装有打击力显示装置,可以清楚得看出叶片成形的最
大成形力,根据工厂现场记载的数据显示,QSK32—3L型汽轮机叶片此时 的打击力为9.2MN,而通过模拟得出的成形载荷为8.636563MN,考虑到 温度和摩擦等因素的影响,模拟结果与实际生产较好的吻合。 在进行叶片锻模设计和工艺设计时,首先考虑的是,在锻造过程中金 属能否充满模腔;其次,充满模腔的情况下如何使成形过程中所消耗的材 料比较小【_m’7l】。模拟叶片锻造过程中材料在模腔中的流动情况,分析变形、

应力、应变等的变化情况,得出叶片精锻成形规律,为工程技术人员设计
最优化的叶片锻造工艺提供了有力的支持。

第4章叶片模锻过程三维数值模拟及分析 4.6

本章小结
(1)利用DEFORM.3D软件对叶片锻造过程进行了三维数值模拟,揭示

了叶片模锻过程的成形规律。 (21通过对叶片锻造过程的模拟分析表明:叶根部分变形相对较小,而 叶身部分发生的变形最大,最大部位在叶身的中部。 (3)通过对模拟结果进行处理,得到了不同压下量下的各典型截面内的 应力、应变场分布及金属填充情况。 (4)通过对模拟结果的数据进行整理,得到了载荷一行程曲线,并通过 曲线,整体分析了各个变形阶段过程的规律,得到了成形载荷,

燕山大学工学硕士学位论文

结论
本文结合无锡叶片厂的生产实际经验,针对叶片锻造模具设计CAD 问题,以UG软件为平台,对叶片模锻CAD二次开发和锻件图设计中的 三维实体造型进行了研究。此外,采用DEFORM.3D软件对叶片模锻过程 作了有限元模拟,以研究叶片锻造成形过程中金属流动情况和成形规律, 获得研究结论如下: (1)本文分析了叶片锻造转角的几种确定方法,应用最多的是计算法, 总结了工程上锻造转角的确定步骤和叶片叶身法向加放余量的方法。 (2)本文针对叶片锻件图设计中的型线修整问题,在工厂实际经验的基 础上,分别总结了精密锻造和普通模锻叶片型线修整的规律,得出了型线 修整的通用方法,规范了型线修整的过程。 (3)本文以UG(NX)为工具,对汽轮机叶片锻件三维实体进行了设计, 根据叶片的锻件图生成叶片的冷锻件实体,再由冷锻件实体结合材料的热 涨系数产生热锻件实体,为后续的锻模三维设计打下基础。 (4)本文以UG(NX)为软件平台,采用UG Open/GRIP开发语言,结合 参数化设计的思想,开发了叶片叶身型线修整的人机交互程序。利用该程 序,可以把3~5天的型线修整工作,缩短为只需1个小时,大大提高了设 计效率,也提高了设计的精度和准确性。 (5)本文以UG(NX)为软件平台,采用UG Open/GRIP开发语言,利用 人机交互的方法,开发了叶身型线数据点自动读取输出程序,减轻了设计 人员的重复劳动,提高了设计效率和准确度,并在实际中应用。 (6)本文以叶片锻造为三维非稳态塑性变形问题,利用商用有限元软件

DEFORM-3D,对叶片的模锻过程进行了三维有限元分析,研究了叶片总
体以及各个典型截面的金属流动情况。 (7)本文通过对有限元模拟结果的分析,得出了叶片锻造的成形规律, 与该叶片实际锻造生产较好吻合,为叶片模锻工艺优化设计提供有力支持。

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燕山大学工学硕士学位论文

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
1在攻读硕士学位期间,协助导师承担了无锡叶片厂和燕山大学合作的《汽轮机叶 片锻造工艺技术CAD/CAM/CAE软件系统》研究课题。 2王开全,高新,任运来,曹竟成.汽轮机叶片精密模锻件CAD软件系统研究.第九届全 国塑性加工学术年会论文集,2005.8

致谢

致谢
本文是在任运来教授、高新教授两位导师的悉心指导与关心下完成的. 在此表示深深的谢意。 两位导师渊博的知识,为学生开阔了研究视野,丰富了专业知识;两 位导师宝贵的实践经验,为学生分析和解决问题提供了关键的帮助:在论 文撰写过程中,两位导师提出了许多宝贵的意见和建议。两位导师谦逊无 私、朴实真诚的品质以及一丝不苟的科学态度,令学生终生难忘。在此, 衷心祝愿两位导师身体健康,工作顺利。 课题得到了无锡叶片厂的大力支持与合作,特别要感谢邵燃副厂长、 曹凯玲所长、倪明明高工、李湘军、张国新、陈伟等同志的热心帮助,使 课题得以进行。 论文完成期间,得到了史艳国老师和硕士研究生张磊、王小芳、杜秀 科、徐金志、王林、李孟光、阎宏涛等同学的关心和帮助,在此表示由衷 的感谢。 最后,感谢家人的理解与支持。

71

燕山大学工学硕士学位论文

作者简介
曹竞成,男,汉族,1981年11月26日出生于江
苏省泰州市。 1999年9月至2003年7月就读于燕山大学机械 工程学院材料成形及控制工程专业,获工学学士学位。 2003年9月至今就读于燕山大学机械工程学院材

料加工工程专业,攻读硕士学位。

汽轮机叶片模锻工艺CAD与模锻过程有限元分析
作者: 学位授予单位: 曹竟成 燕山大学

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相似文献(1条) 1.学位论文 孙曙宇 汽轮机叶片锻造成形有限元数值模拟研究 2008
汽轮机叶片是汽轮机的核心零部件,起能量转换的关键作用。出于对产品性能的要求以及制造成本方面的考虑,越来越多的厂家采用了热锻工艺进 行生产。但由于叶片形状复杂,所用材料变形抗力大,使得采用传统方法难以揭示叶片金属流动规律性。因此,借助有限元数值模拟技术,研究叶片成 形规律,对其锻造工艺设计及优化具有重要的理论意义和实用价值。 叶片的生产成本在很大程度上取决于锻造模具的使用寿命,通过数值模拟,掌握模具的受力情况和温度变化,分析获得模具失效起因和易失效部位 等信息,籍以制定相应的对策和措施来提高模具的使用寿命。本文选用美国SFTC公司推出的金属塑性成形模拟软件DEFORM.3D作为实验平台。基于方便 用户灵活控制工作流程和进一步扩展软件功能的目的,对DEFORM软件的文本模式运行进行了探讨,论文主要内容及成果如下: 利用DEFORM-3D软件对叶片锻造成形过程进行了数值模拟,结合高温塑性变形理论,研究了模锻叶片的成形特点以及始锻温度对叶片成形过程的影 响。通过对叶片在1100℃、1150℃和1200℃始锻时,变形金属的温度、应力一应变、动态硬化软化特征、锤击效率和模具工作状态的对比分析,确认始 锻温度为1200℃时,坯料金属的流动性最好,叶片成形所需的锤击数最少,热一机因素对模具工作状态的影响与始锻温度1150℃时无异。 在叶片成形过程中,模腔局部高温和高应力的共同作用是造成模具过早失效的重要原因之一。通过数值模拟实验,找出了模膛最易失效处为与叶身 一叶根过渡部位对应的区域,并提出针对性的预防措施。 对DEFORM软件在text-only(文本)模式下的应用进行了探讨,得出该模式下DEFORM主程序根据存储在脚本文件中的相关命令,可以依次调用自己的 功能模块来完成工件成形的前处理与数值模拟。同图形用户界面模式相比,用户可以根据实际需要,利用该模式下的脚本命令,开发出自动调用 DEFORM前处理功能模块的用户子程序。叶片锻造是一个非常复杂的非稳态塑性变形过程,通过数值模拟技术对叶片成形规律以及模具工作状态进行研究 行之有效,且有着传统实验方法无可比拟的优势。另外为了便于用户灵活控制DEFORM软件以及有针对性地进行二次应用开发,对DEFORM文本运行模式的 研究有着十分重要的现实意义。

引证文献(1条) 1.钟杰.胡楚江.郭成 叶片精密锻造技术的发展现状及其展望[期刊论文]-锻压技术 2008(1)

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