0　前　言
　　叶片是汽轮机、航空发动机和燃气轮机的重要零件。汽轮机叶片在火力发电过程中起到关键的能量转换作用,是汽轮机的“心脏”。汽轮机中的叶片数量很大,一台汽轮机有数千件大小叶片。据统计,叶片制造的工时约占汽轮机整机的1 /3,工装量占整机的1 /2左右,成本约占整机的20%～25%。
　　汽轮机叶片,尤其是大叶片主要采用螺旋压力机精锻工艺生产。和航空发动机叶片相比,几何尺寸大,扭曲更为严重,锻造的成形力更大,需要超大型压力机生产。典型的汽轮机叶片结构由叶根、叶身、叶冠3部分组成,有些汽轮机叶片还带有围带、拉筋和凸台。
　　汽轮机叶片品种系列多,叶片数量也比较大,但批量较小。叶片锻造工艺条件复杂,设计周期长,设计任务繁重,因此迫切需要降低设计人员的设计强度。同时激烈的市场竞争,又要求企业减少叶片试制和制造的周期。在UG软件平台上进行二次开发,能够快速设计出叶片精锻件的CAD系统,这对汽轮机叶片锻造行业具有十分重要的意义。本文介绍了如何采用UG的开发工具,设计出能达到该目的的CAD系统。
1　汽轮机叶片精密模锻工艺特点与锻件设计
　　叶片几何形状复杂,精度要求高,锻造成形困难。和普通的模锻件相比,叶片的制造工艺和检测技术极为复杂。叶片材料的合金化程度很高,锻造温度范围很窄,对锻造、热处理工艺参数很敏感。由于叶身很薄,型面复杂,导致锻造时变形抗力大,水平载荷大。而且操作过程坯料冷却较快,容易引起锻造压力的波动。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
又适于金属的流动特性和保证一定的生产效率。同时,要求锻造设备具有良好的刚度和承受偏心载荷的能力。叶片精锻件设计,是叶片工艺和模具设计的关键。叶片精锻件设计主要包括以下4个方面内容:
1. 1　确定锻造平衡角
　　汽轮机叶片的叶身均为扭曲面,叶身截面(型面)的弦长线与产品设计坐标轴( x - y)的夹角称为扭角。显然,叶身各个型面的扭角大小不同,一般从近叶根到近叶冠的扭角由大逐渐减小。由于叶身呈扭曲状,在叶片锻造时则会产生水平作用力,它将导致锻模错移,影响叶片锻件成形的精度。为此,在设计叶片锻件分模面时, 应将叶身型面坐标轴旋转一个合适的角度,以减小水平作用力,该旋转的角度θ即为叶片锻造平衡角[1 ]。在确定叶片锻造平衡角时,工程设计通常以叶身接近叶根、中部、叶冠3处型面扭角的平均值做为锻造平衡角。然后取接近叶冠型面的扭角α进行验证,要求α在48°～52°,如图1所示。

                         图1　汽轮机叶片锻造平衡角及余块
1. 2　叶身型面余量、余块
　　叶片锻件的余量与材料性质、尺寸大小、加热方法、锻造设备有关。精锻叶片的叶身无机械加工余量,但考虑到加热过程中的氧化、脱碳,应保留一定的化铣或抛光量,在叶身型面四周均匀的加上一定余量。通常精锻叶片型面余量为1mm左右;模锻叶片型面加工余量达3mm以上。常用加放余量的方法有2种:在锻造方向加余量和在法向加余量。通常叶片扭曲较小采用前者,反之则采用后者。当叶片锻件旋转平衡角θ后,有的叶身型面端部会出现倒勾而无法脱模,则需加上余块。在叶片锻造时,叶根配合处难以锻出,也需加上余块 2 ]。
1. 3　叶身型线修整
　　叶片叶身部分进、出汽边都很薄,锻时金属要向外流动形成飞边,在这些部位容易出现充不满、折叠以及划痕、裂纹等缺陷。因此对这些部位要作一定的延伸和加厚修整,以免上述缺陷产生。另外,由于叶片锻造时产生的侧向水平力使锻件产生水平错移,会导致进汽边的背弧减薄;因此,在设计汽轮机叶片锻件时,必须首先对叶身进、出汽边的型线进行修整,这是叶片精锻件设计工作量最大,影响叶片锻件质量的重要环节。
1. 4　叶根造型与建库
　　汽轮机叶片叶根的结构型式通常有3种:即燕尾型、枞树型、销钉型。在无锡叶片厂的实际生产中,应用最多的是燕尾型、直线枞树型和弧线枞树型叶根。如以UG软件对3种类型叶根进行实体造型,建立相应的库,则可方便叶片锻件的叶根设计。
2　CAD二次开发与UG软件平台
　　CAD二次开发技术给企业的CAD应用水平带来了新的挑战。将企业参与市场竞争的核心技术与CAD系统集成,是各个企业今后CAD技术发展的方向,本文研究课题即属于该领域范围。上世纪70年代初,美国伯特利- 哥伦布实验室最早研制出名为BLDFORG的叶片锻模CAD /CAM系统,当时采用主应力法模拟叶片锻造过程,优化工艺参数和模具设计,取得了较好的效果。国内西北工业大学自上世纪80年代以来,对航空叶片锻造的CAD系统进行了较深入的研究,获得了多项成果。由于汽轮机叶片锻造更为复杂,有关其CAD系统的研究尚未有报道。UG软件是当前世界上最先进的紧密集成的、面向制造业的CAD /CAM /CAE高端软件之一,广泛应用于航空、汽车等工业领域。选择UG软件作为本文CAD平台,主要是由于UG软件强大的曲面造型功能,以及可方便和数控加工机床结合的功能。UG软件不仅功能强大,而且还提供了丰富的CAD本地化(客户化)的开发手段,它们统称为UG/Open。pen
中包括如下4个套件:
2. 1　GR IP
　　GR IP语言是UG软件的专用图形交互语言。利用GR IP语言进行编程,可以把企业的专用知识与UG系统融合。它具有简单、快捷的特点,是一种面向工程师的语言,灵活运用GR IP语言,可以很大的方便CAD过程[ 3 ]。
2. 2　AP I
　　UG/Open AP I是面向程序员的C /C + +语言编程接口,利用AP I可以把面向对象编程的风格引入二次开发,开发出具有强大功能的CAD二次开发系统。AP I要求开发人员具有良好的编程能力 4 ]。
2. 3　U I Styler
　　利用U I Styler可以制作出具有UG风格的对话框,然后利用AP I语言为对话框添加回调功能。
2. 4　Menu Scrip t
　　利用Menu Scrip t可以为编制出来的程序生成菜单和工具条。
3　汽轮机叶片精锻件CAD系统框图
　　叶片精锻件的CAD过程如图2所示。采用UG软件进行叶片精锻模具设计,关键是要设计出合理的精锻件实体。本文基于无锡叶片厂叶片精锻件的设计要求,开发了具有实用价值的叶片精锻件CAD系统。该系统中叶片精锻件CAD框图的简图如图3所示[ 5 ] 。在图3所示的系统中,以UG软件为平台, 采用GR IP语言编制出相关的程序,利用Menu Scrip t语言开发出菜单和工具条。输入参数为:叶身各截面型线的原始数据、叶片精锻工艺分析得到的工艺参数及叶根、叶冠实体有关数据信息。

                            图2　叶片精锻工艺及模具设计的CAD流程图

                                    图3　叶片精锻件CAD流程图
4　程序运行实例
4. 1　叶身型线CAD设计
　　叶身设计是叶片精锻件设计的技术难点,也是叶片精锻工艺设计工作量最多的环节。叶身设计要综合考虑叶片的锻造转角、叶身型面余量加放以及叶身型线进汽边和出汽边修整等问题,其中叶身型线修整最为关键。通常工厂设计叶身型线的方法,是在确定锻造转角之后,锻压工艺CAD人员通过机械式的人机交互,点取UG软件内部命令,逐个完成叶身各截面的余量加放和进汽边、出汽边的型线修整。目前工厂现行的这种叶身型线设计方法,不仅需要很长的设计周期,而且还容易产生设计差错。采用本文研制的叶身型线CAD程序,则可以方便的通过运行程序,输入产品的几何参数和工艺参数,一步便可快速完成整个型面的设计,包括余量加放和进汽边、出汽边的型线修整。图6为通过对叶片精锻件叶身各个截面型线修整,利用UG软件内部命令得到的叶身精锻件实体造型。图7为叶身型线修整CAD流程图。

图6　利用本文研制的CAD系统叶身精锻件实体造

图7　汽轮机叶片叶身型线修整CAD流程图

4. 2　叶根的实体建模
　　利用UG表达式功能和自定义特征功能,可以建立实用的叶根库。利用叶根库,可以方便地调用不同类型的叶根特征,进行参数修改, 完成叶根的实体建模。图8 为建立的3 种不同类型的叶根特征库。通过布尔运算,叠加叶身实体和叶根、叶冠实体就可以得到叶片精锻件实体。

图8　3种不同类型叶根实体特征
5　结　论
(1)本文研制的汽轮机叶片精锻件CAD 系统,是基于UG/Open GR IP和Menu Scrip t语言开发而成,完全融入了无锡叶片厂实际设计经验。该系统设计合理,操作起来具有良好的可行性和实用性,达到了汽轮机叶片精锻件设计的技术要求。
(2)采用该系统进行汽轮机叶片精锻件设计,可以把目前工厂需要一周的设计工作量减少到只需半天以内便可完成。大大降低了锻压工艺技术人员的设计强度,提高了设计的准确性,显著缩短了产品设计周期,从而提高了工厂的市场竞争力。
参考文献
[ 1 ] 　张志文. 叶片锻造[M ]. 西安:西安交通大学出版社, 1987.
[ 2 ] 　C. R. Boer, H. Rydstad, G. Schroder. ProcessModeling ofMetal
Forming and Thermomechanical Treatment[M ]. Berlin: Sp ringe -
Verlag, 1986.
[ 3 ] 　王庆林. UG/Open GR IP实用编程基础[M ]. 北京:清华大学
出版社, 2002.
[ 4 ] 　董正卫,田中立,付宜利. UG/OPEN AP I编程基础[M ]. 北京:
清华大学出版社, 2002.
[ 5 ] 　王开全. 汽轮机叶片精密模锻技术CAD与CAE研究[D ]. 燕
山大学, 2004.