1 课题的背景、意义及目的
1.1 课题背景
为全面落实科学发展观，加快我国的装备制造业发展速度，促进我国经济持续平稳快速发展，提升我国装备制造业在国际中的竞争力，首先应对装备制造产业提供更有力、更强劲的动力及能源支持，其中，汽轮机首当其冲，发挥了不可或缺的重要作用。汽轮机是一种将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。汽轮机具有单机功率大、效率高、寿命长等优点。叶轮是汽轮机的关键零件，又是最精细、最重要的零件之一。它在极苛刻的条件下承受高温、高压、巨大的离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。其空气动力学性能、加工几何形状、表面粗糙度、安装间隙及运行工况、结垢等因素均影响汽轮机的效率、出力；其结构设计、振动强度及运行方式则对机组的安全可靠性起决定性的影响。因此，全世界最著名的几大制造集团无不坚持不懈地做出巨大努力，把最先进的科学技术成果应用于新型叶片的开发，不断推出一代比一代性能更优越的新叶轮，以捍卫他们在汽轮机制造领域的先进地位。
1.2 课题意义
我国的汽轮机叶轮大多引进国外整套设备来制造加工，从中国大范围、持久使用汽轮机的需要来看，单纯依赖国外进叶轮加工机床绝不是根本出路。因为引进机床的价格昂贵，引进一台需时二三年，要花外汇几百万美元。另外引进的大型数控镗铣床机床很大，但钻头都很小，没有力量钻大孔。只有在引进国外先进技术的同时发展我们自己的叶轮制造加工业，才是百年大计，也符合了我国的可持续发展之道，因此研制具有自主知识产权的重型燃气轮机叶轮专用钻铣床具有十分重大的意义和价值。自制的叶轮专用钻铣床可以解决进口机床存在的问题，生产效率比专门进口的数控镗铣床还要高，而生产成本仅有几十分之一。
1.3 课题目的
本课题主要是为加工汽轮机叶轮而设计的专用钻铣床。重型燃汽轮机叶轮需要加工的槽和孔很多，如用带分度转台的数控镗铣床加工，工装复杂，而且因为零件重量大，移动不方便，效率低。因此，普通的钻铣床不能简单满足对复杂、精细的叶轮的制造加工，必须专用钻铣床才能加工符合要求的叶轮。
2 国内外研究现状与发展趋势
2.1 国内汽轮机及汽轮机制造业研究现状
我国大功率机组的技术水平状况：目前超高压、亚临界参数，135MW以上到600MW功率等级范围内汽轮机产品的制造质量，运行性能，可靠性等综合指标已达到国际同类机组的水平。我国已具有了与国际跨国公司相当的亚临界，常规超临界参数大功率汽轮机的设计制造能力，机组设计制造的技术状况为：
(1) 新一代引进技术机型的300MW～600MW汽轮机的国产化率均达到95%以上。
(2) 300MW～600MW等级汽轮机的保证热耗均达到国际先进水平。
(3) 等效可用系数达到国际先进水平。以300MW为例，整个机组(机、电、炉) 的等效可用系数由1997年的86.86%提高到2001年的91.43 %。
随着我国经济高速增长，电力需求日益增多，汽轮机需求不断加大，并带动了我国汽轮机制造业突飞猛进的发展。
上海汽轮机有限公司是我国第一家汽轮机厂，也是我国机械工业的大型骨干企业。自80年代中期以来，上海汽轮机有限公司先后引进了意大利英萨数控镗铣床、德国科堡数控龙门铣床、西班牙沙森数控卧钻床、美国英格索尔数控镗铣床等先进设备。2003年初，该公司对国内生产的数控设备的现状作了深入的调研，发现近年来国内数控机床发展很快，具有良好的价格性能比，因此购买了一批大型的数控机床，其中包括北京北一数控机床有限公司的5m×17m数控龙门铣床、昆明机床厂的TK6916f160数控落地镗铣床、齐齐哈尔重型数控设备股份有限公司的f5000×4000数控双柱立式车铣床、f2200×10000数控重型卧车、齐齐哈尔二机床的TK6920f200数控落地镗铣床等关键设备。
随着我国大型汽轮机叶片五轴联动加工中心研制成功，解决了我国数控机床，特别是大型数控机床所存在的一些共性技术问题，促使在重型、高精度，多轴控制的数控专机的开发和技术得以有效提升，有利于提高我国数控机床水平，并以此作为在大型、高档数控机床开发和生产上，赶超国际先进水平的一个重要突破口。并且打破了西方发达国家在五轴联动加工领域的技术封锁和垄断控制，从而提高了我国数控机床制造水平，迫使国外厂商降低进口机床的价格，为国家节约大量外汇。
同时不可否认的是，中国与外国的汽轮机行业还是存在一定差距的，中国的汽轮机行业最初就是在引进国外技术的基础上建立的，经过50年的不断努力，在技术进步，新产品开发上已经取得了长足的进步，逐步走到具备自主知识产权的道路上来。但同时我国的汽轮机企业无论在制造工艺还是技术水平上同国外同行相比，在品种和质量方面，仍有不小的差距。其主要表现在：
(1) 汽轮机叶轮设计及加工水平还很落后，尤其是末级叶片，而大功率大容量汽轮机对其需求很多，需大量进口。
(2) 燃汽轮机的一些耐高温合金材料的生产上与国外还存在很大差距。
(3) 工业燃汽轮机的动力性能及功率和效率问题上，我国的研究才刚刚起步。
(4) 燃汽轮机结合余热锅炉，组成燃气蒸汽联合循环或组成整体煤气化联合循环。
2.2 国外汽轮机产品和技术的发展
到目前为止，世界总发电量中，火电比重仍占据首位，达到65%以上。鉴于煤的储量远大于石油和天然气，所以今后煤电的发展仍将占据突出地位。此外，严格的环保要求促进了清洁煤燃烧技术的发展，高效、低能耗、低污染、低造价已成为各国电力装备业最主要的发展目标。近期发展最快的是高效(超超临界)大功率超临界汽轮机、燃气轮机、燃气-蒸汽联合循环汽轮机这三种类型机组。
(1) 大功率高效(超超临界)汽轮机的发展
随着常规超临界技术的成熟，从90 年代开始，以日本，美国、欧洲为中心，世界又进入了新一轮超超临界汽轮机的发展阶段。采用更高的温度、更高的压力是该阶段发展的主要特点。
①提高进汽温度；目前国外新机组的进汽温度均在580℃～600℃，国外已形成用于566℃以下的CrMoV钢，566℃的2.25%Cr钢，600℃的9%Cr钢及12%钢等标准材料系列。
②提高进汽压力27MPa；由于汽轮机排汽湿度的原因，提高压力的同时，必须采用更高的再热温度或二次中间再热循环。日本、美国、欧盟均在进行进汽压力为34.3MPa～ 40MPa，温度为630℃以及700℃和760℃参数的研制开发计划。
③1000MW等级超超临界机组的开发；大功率涉及的关键是低压缸长叶片，目前新的全速3000r/min大功率机组中已普遍采用高度为1000mm～1050mm，排汽面积在9
左右的长叶片。西门子公司用于我国外高桥四缸四排汽超临900MW机组的1143mm长叶片，其排汽面积已达到12.5
。
(2) 燃气轮机及蒸汽轮机-燃气轮机联合循环
燃气轮机及蒸汽轮机-燃气轮机联合循环技术飞速发展，技术渐趋成熟，加上天然气资源的开发和环保对电站排放要求的提高，使燃气轮机及燃气-蒸汽联合循环在电力系统中的地位发生了明显的变化。近期的发展状况如下：
①燃气轮机单机功率已达到300MW等级，最大701ATS机组的功率已达到350MW。1420 ℃进气温度的燃气轮机机组1997年已投运成功，目前的进气温度可达1510℃，燃机的单机效率达到39%。
②联合循环及相应蒸汽轮机的同步发展蒸汽轮机-燃气轮机联合循环装置的效率相应1420℃燃机的联合循环效率已达58%，对应1510℃燃机的循环效率将达到60%。
③高温、大功率、高效率设计集中了当今各相关学科的最新技术：如高温材料及工艺、单晶体铸件叶片、陶瓷材料开发、材料防腐技术、先进的全三维叶片气动技术、高温快速启停热疲劳及冷却技术等。
2.3 燃气轮机及燃气-蒸汽联合循环的发展趋势
随着燃气轮机技术的不断完善，燃气轮机的排气温度不断升高，排气量不断增大，排气中蕴含着大量可利用的能量，对其合理利用已引起各国的关注，纷纷加装余热锅炉和汽轮机，构成燃气-蒸汽联合循环，以大幅度增加发电功率和提高装置热效率，取得了良好的经济效益。由于联合循环机组具有热效率高、单位千瓦的造价低、建造周期短、占地面积少、耗水量少、排气污染少等优点，已成为当前火力发电厂具有吸引力的选择方案，获得了越来越多的应用。
常规燃气-蒸汽联合循环机组需燃用天然气或蒸馏油等优质燃料，这虽然有利于机组的寿命和减少排气污染，但妨碍了其应用范围的扩大。为了拓宽燃料范围，各国都作了大量的科研工作，目前原油和渣油经水洗脱盐以及煤经过气化后，均已成功地用作联合循环机组的燃料，煤在增压流化床联合循环机组中直接燃烧，也得到成功应用。
我国火电以煤电为主，如何减少燃煤所排放出的污染物以及提高发电热效，采用整体煤气化联合循环(IGCC)发电是十分有效的途径。IGCC的发电方式是煤气化，把净化处理过的煤气送入燃气轮机发电，燃气轮机排出的余热锅炉发生蒸汽供汽轮机发电,它是最清洁的燃煤发电装置，热效率可达45%，比大功率超临界蒸汽参数机的发电效率还要高, 用水少、只需常规用站的三分之一至二分之一，占地面积也可减少25%以上。IGCC主要由气化炉、净化系统、燃气轮发电机组、余热锅炉、蒸汽轮发电机组5部分组成，其中气化炉、净化系统和燃气轮机是技术开发的重点。
3 研究内容
加工叶轮专用钻铣床有很多种机床运动，如钻轴旋转运动、钻轴进给运动、铣轴运动、刀架水平、横向、垂直运动、分度转台回转运动等。其中钻轴运动及左立柱即刀架的运动是主要研究内容。
3.1 钻轴运动
根据加工需求不同，设定钻轴转速(转/分钟)：n=122，183，384，576；钻轴行程100毫米/分钟。
3.2 左立柱水平、横向、垂直运动
刀架水平走刀速度（毫米/分钟）： 10~400
刀架横向走刀速度（毫米/分钟）： 10~400
刀架垂直走刀速度（毫米/分钟）： 10~250
刀架水平行程（左右）（毫米）： 800
刀架横向行程（前后）（毫米）： 1000
刀架垂直行程（上下）（毫米）： 1200
4 研究方案
4.1 机床运动设计及方案选定
根据研究内容及设计参数要求，可以确定钻轴转速共四级变速，运动传动链可以暂时设计为电动机——齿轮变速箱；钻轴进给运动动力传递由回转运动变为直线运动，动力传递可以暂时设计为电动机——蜗轮蜗杆——滚珠丝杠机构；左立柱水平、横向、垂直运动为直线运动，其运动传动链可以暂时设计为电动机——蜗轮蜗杆——滚珠丝杠机构；具体研究方案比较如下：
4.1.1 钻轴旋转方案比较确定
方案一：钻轴旋转用三相异步交流电动机及直齿轮控制；
三相异步交流电动机的优点：
(1) 体积小，重量轻，价格低；
(2) 控制简单、转矩响应快。
该控制方案结构简单，可靠性高。但其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。
方案二：钻轴转速用直流电动机及斜齿轮控制；
直流电动机的优点：
(1) 调速性能好、起动力矩大、调速简单；
(2) 适应重负载下无级调速，调速范围较宽。
采用斜齿轮的优点：
(1) 紧凑中心距，可用于高速重载；
(2) 传动工作比直齿轮平稳。
该控制方案具有良好的稳定性，较适用于精度要求高的叶轮加工。
综上两种方案，为保证加工质量，方案二更适合加工需求。
4.1.2 左立柱水平、横向、垂直运动方案比较确定
方案一：左立柱水平、横向、垂直运动用步进电机，蜗轮蜗杆及齿轮齿条机构控制；
步进电机的优点及缺点：
(1) 结构简单，成本低，可以瞬间启动和急速停止；
(2) 有较好的位置精度和运动的重复性，无累积误差,有较宽的转速范围；
(3) 无过载能力；
(4) 在低速时易出现低频振动现象；
(5) 控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象。
左立柱运动传动比大、传动功率不大、间歇工作可以用蜗轮蜗杆机构控制。
蜗轮蜗杆机构的优点及缺点：
(1) 传递两交错轴之间的运动和动力；
(2) 可以得到很大的传动比，承载能力高于交错轴斜齿轮机构；
(3) 多齿啮合传动，传动平稳、噪音很小；
(4) 具有自锁功能，反向自锁性可起安全保护作用；
(5) 传动效率较低、磨损严重、轴向力大。
齿轮齿条的优点及缺点：
(1) 可将旋转运动转变为直线运动，适合大距离的传递；
(2) 齿轮齿条机构不能自锁，需要外加锁紧装置。
该控制方案传动结构简单，其位置精度一般，对于加工精度要求高的场合不太合适。而左立柱位置精度对加工叶轮十分关键，步进电机停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题，以更好的控制左立柱的运动。
方案二：左立柱水平、横向垂直运动用交流伺服电机，蜗轮蜗杆及滚珠丝杠机构控制；
交流伺服电机的优点：
(1) 运转非常平稳，在低速时不会出现振动现象；
(2) 交流伺服电机为恒力矩输出、为恒功率输出；
(3) 有较强的过载能力。
滚珠丝杠机构的优点：
(1) 摩擦阻力很小，能保证高精度，启动力矩极小，实现精确的微进给；
(2) 无侧隙、刚性高；
(3) 运动效率高、发热小、可实现高速进给。
该控制方案传动精度高，结构稳定，适合加工精度要求高的零件。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，其系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。这对专用钻铣床加工高精度的叶轮是非常有益的。交流伺服驱动系统为闭环控制，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。交流伺服系统还具有加速性能较好的特点，可用于要求快速启停的控制场合。
综上两种方案，为更好的控制左立柱的运动精度，保证加工质量，方案二比较适合设计需求。
4.1.3 钻轴进给方案比较确定
根据研究内容及设计参数要求，由于钻轴进给运动传动链与左立柱水平、横向、垂直运动传动链相同，通过对左立柱水平、横向、垂直运动两种方案的比对，同样选择用交流伺服电机，蜗轮蜗杆及滚珠丝杠机构控制。
4.2 机床结构设计
机床结构设计主要包括机床底座、床身、立柱、钻轴箱、滑台、导轨、丝杠、轴、齿轮、电动机等。为满足机床加工精度及运动平稳性，采用伺服电机及滚珠丝杠和线轨来控制滑台移动，还需选择导轨的材料及导轨的结构等。为满足机床刚度，选用合理的机床床身及立柱焊接件结构的构件、钻轴箱应悬挂在立柱侧面等。
5 课题进展计划
2010年12月1日---- 2011年1月15日：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告
2011年1月16日---- 2011年3月15日：进行机构设计，绘制原理图
2011年3月16日---- 2011年4月5日：机械结构设计、绘制零件工作图
2011年4月6日---- 2011年5月10日：主要零部件设计计算，绘制零件工作图
2011年5月11日---- 2011年5月25日：撰写设计计算说明书
2011年5月26日---- 2011年6月6日：修改及答辩
6 主要参考文献
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