CN104646465A - 空心叶片多截面同步扭转成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种空心叶片多截面扭转成形方法，包括以下步骤：a、生成空心叶片的毛坯模型、成品模型；b、于所述毛坯模型上形成多个平行于叶片榫头的上表面的初始截面，于所述成品模型的相应位置形成多个平行于叶片榫头的上表面的扭转截面；c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度；d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面；e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面。与现有技术相比，本发明可使叶片各截面的扭转成形同步进行，提高了变形精度且减小了局部变形抗力，提高成形速度，缩短成形时间，节省工装成本。

Description

空心叶片多截面同步扭转成形方法

技术领域

本发明涉及一种空心叶片多截面同步扭转成形方法，属于金属机械加工工艺技术领域。

背景技术

宽弦空心风扇叶片的应用是航空发动机为增加推重比及提高航空发动机性能（增加压气机湍振裕度、提高效率、增强抗外物损伤能力、提高发动机推力、减少叶片数和减轻重量）的有效手段。叶片外形主要由中间夹层及两边蒙皮组成，叶片中间是桁架结构的空心封闭结构，叶片采用前后掠设计且薄而变截面，叶身还有较大的扭转角度，带有圆弧的用于连接叶盘的榫头。

现有技术中，空心叶片的成形工艺有推弯成形工艺，与所述工艺配合使用的还有空心叶片推弯成形模具，其依据成品空心叶片外形曲面设计出带有两边开口模腔通道的模具，夹持叶片榫头将叶片从模腔通道一端推入模具型腔，叶片在模具型腔内表面的作用下受迫弯曲，发生扭转变形。该推弯成形工艺能够将平板空心叶片坯料成形出复杂的扭转形态，使其具备所需的扭转角，成形过程平稳便捷，速度可控，各部分变形分布均匀，生产效率高。然而，该推弯成形工艺中叶片从尖部开始逐步发生扭转变形，直至叶片根部，此成形过程中未进入推弯模具中的叶片部分变形不受控制。若叶片扭转角度较大或叶身较长，模具型腔内叶片向前推弯过程中所受阻力较大，未进入模具型腔叶片部分将受挤压而变形，易出现压缩失稳，最终推弯成形后的叶片外形精度难以保证。

发明内容

为至少解决上述技术问题之一，本发明的目的在于提供一种可实现叶片多截面扭转成形同步进行、叶片整体扭转避免局部变形抗力过大的空心叶片多截面扭转成形方法，以解决现有技术中空心叶片成形效果不佳的问题。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种空心叶片多截面扭转成形方法，包括以下步骤：

a、生成空心叶片的毛坯模型、成品模型；

b、于所述毛坯模型上形成多个平行于叶片榫头的上表面的初始截面，于所述成品模型的相应位置形成多个平行于叶片榫头的上表面的扭转截面；

c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度；

d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面；

e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

作为本发明的进一步改进，所述步骤“c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度”包括，

c1、分别确定每个所述初始截面的初始中心线及相应的所述扭转截面的扭转后中心线；

c2、根据所述初始中心线和所述扭转后中心线，确定每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度。

作为本发明的进一步改进，所述初始截面的初始中心线为由所述初始截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线；相应的，所述扭转截面的扭转后中心线为由所述扭转截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线。

作为本发明的进一步改进，所述扭转中心为所述初始中心线与所述扭转后中心线的交点；所述扭转角度为所述初始中心线与所述扭转后中心线的夹角。

作为本发明的进一步改进，所述扭转角度不大于90°。

作为本发明的进一步改进，所述步骤“d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面”还包括，

在已涂覆防氧化剂的所述待加工空心叶片的表面涂覆防氧化剂。

作为本发明的进一步改进，所述步骤“d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面”还包括，

将所述待加工空心叶片加热至扭转温度。

作为本发明的进一步改进，所述步骤“e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面”还包括，

将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面时，所述多个初始截面同步扭转。

作为本发明的进一步改进，所述步骤“e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面”具体包括，

e1、根据对应的扭转中心和扭转角度，计算每个所述初始截面的扭转距离；

e2、设定扭转时间；

e3、计算每个所述初始截面的扭转速度；

e4、将所述多个初始截面分别按所述扭转速度同步扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括，

f、每个所述初始截面分别扭转成形为相应的所述扭转截面后，延迟第一时间段后，完成一个扭转成形工作循环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：空心叶片多截面同步扭转成形方法可使叶片各截面的扭转成形同步进行，每个截面的扭转中心、扭转角度、扭转速度均独立受控，扭转变形精度得以提高的同时减小了局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间；另外，叶片的扭转截面数量、位置可依据不同叶片的具体外形尺寸而灵活设计，适于应用柔性工装，节省工装成本。

附图说明

图1是本发明一实施方式的空心叶片多截面同步扭转成形方法的流程图；

图2是本发明一实施方式的扭转组件的结构示意图；

图3是本发明一实施方式空心叶片多截面同步扭转成形装置的使用参考图；

图4是本发明一实施例的空心叶片的毛坯模型和成品模型的示意图；

图5是图4中扭转中心和扭转角度的确定的示意图；

图6是图2中扭转组件的位置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参看图1，图1是本发明一实施方式的空心叶片多截面同步扭转成形方法的流程图。本发明一实施方式提供的空心叶片多截面扭转成形方法，包括以下步骤：

a、生成空心叶片的毛坯模型、成品模型；

b、于所述毛坯模型上形成多个平行于叶片榫头的上表面的初始截面，于所述成品模型的相应位置形成多个平行于叶片榫头的上表面的扭转截面；

c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度；

d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面；

e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

本发明一实施方式提供的空心叶片多截面扭转成形方法可使每个截面的扭转中心、扭转角度、扭转速度均独立受控，扭转变形精度得以提高的同时减小了局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间；且空心叶片的截面数量、位置可依据不同空心叶片的具体外形尺寸而灵活设计，适于应用柔性工装，节省工装成本。

上述扭转成形方法中，步骤c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度”包括，

c1、分别确定每个所述初始截面的初始中心线及相应的所述扭转截面的扭转后中心线；

c2、根据所述初始中心线和所述扭转后中心线，确定每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度。

另外，所述初始截面的初始中心线为由所述初始截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线；相应的，所述扭转截面的扭转后中心线为由所述扭转截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线。这样，可得到对应于多个初始截面的多条初始中心线、以及相应的多个扭转截面的多条扭转后中心线，以便了解每个初始截面的变化。另外，各中心线由点拟合得到，可保证其有效性。

各所述初始中心线与其相对应的所述扭转后中心线的交点也即各初始截面的扭转中心；各所述初始中心线与其相对应的所述扭转后中心线的夹角也即各初始截面扭转前后的扭转角度。所述扭转角度不大于90°。

在上述扭转成形方法中，所述步骤“d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面”还包括，

在所述待加工空心叶片的表面涂覆防氧化剂，避免高温下零件的氧化并减小空心叶片与夹具间的接触摩擦力。在所述待加工空心叶片的表面涂覆防氧化剂后，将所述待加工空心叶片加热至扭转温度。所述扭转温度为可使所述待加工空心叶片具有最佳延展性的温度，可根据所述待加工空心叶片的材质试验测得。

上述扭转成形方法中，步骤“e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面”还包括，

将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面时，所述多个初始截面同步扭转。这样可增强扭转变形精度，减少局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间。

步骤e具体的包括，

e1、根据对应的扭转中心和扭转角度，计算每个所述初始截面的扭转距离；

e2、设定扭转时间；

e3、计算每个所述初始截面的扭转速度；

e4、将所述多个初始截面分别按所述扭转速度同步扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

另外，上述扭转成形方法中，当步骤e完成后，还包括步骤f、当每个所述初始截面分别扭转成形为相应的所述扭转截面后，延迟第一时间段后，完成一个扭转成形工作循环。延迟第一时间段可实现利用高温应力松弛效应减少叶片扭转后的回弹变形，从而保证空心叶片扭转成形的质量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：空心叶片多截面同步扭转成形方法可使叶片各截面的扭转成形同步进行，每个截面的扭转中心、扭转角度、扭转速度均独立受控，扭转变形精度得以提高的同时减小了局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间；另外，叶片的扭转截面数量、位置可依据不同叶片的具体外形尺寸而灵活设计，适于应用柔性工装，节省工装成本。

另外，参考图2，图2是是本发明一实施方式的扭转组件的结构示意图。首先，为了描述的清楚和简便，定义x轴方向为水平横向，定义与x轴相互垂直的y轴方向为水平纵向，定义所述x轴和y轴共同所在的平面为水平面，与所述水平面垂直的z轴方向为竖直方向。本发明一实施方式的扭转组件10，用于空心叶片的扭转成形，所述扭转组件10包括夹持部11、通孔111、第一调节杆12和第二调节杆13。

所述夹持部11具有相对设置的上表面1121和下表面（图未标识），所述通孔111设置于所述夹持部11上并贯穿所述夹持部11的所述上表面1121和所述下表面。所述通孔111可供所述空心叶片穿过，并使所述扭转组件10配合至所述空心叶片上的任意平行于叶片榫头的上平面的截面处。

所述第一调节杆12包括相对设置的第一端121和第三端123，所述第一端121可转动地设置于所述夹持部11上；第二调节杆13包括相对设置的第二端132和第四端134，所述第二端132可转动地设置于所述夹持部11上。

其中，当所述空心叶片置于所述通孔111中时，所述第一调节杆12和所述第二调节杆13可相对所述夹持部11运动，以控制所述夹持部11扭转，以实现所述空心叶片的扭转成形。

本发明一实施方式的扭转组件，可以实现空心叶片的任意截面的扭转成形，结构简单，方便控制和操作。

具体的，所述第一调节杆12和所述第二调节杆13的运动轨迹位于同一平面内，且平行于所述空心叶片的叶片榫头的上表面，这样，可以使所述夹持部11的受力均匀，以免造成非平面内的扭转偏差。

所述扭转组件10还包括第一基座15、第一连接件14、第二基座17、第二连接件16和水平滑槽113。

所述第二调节杆13可沿所述水平滑槽113滑动。具体的，所述第二调节杆13通过所述第二连接件16连接于所述第二基座17，所述第二调节杆13可以所述第二连接件16为轴相对所述第二基座17转动；另外，所述第二基座17可滑动地卡接于所述水平滑槽113内，进而，实现所述第二调节杆13可相对所述夹持部11既可相对转动又可相对滑动。这样，在所述空心叶片的扭转成形过程中，所述第二调节杆13可在同一直线上匀速运动，不仅便于对所述第二调节杆13的运动速度进行控制，而且可以提高空心叶片的扭转变形精度，减小了局部变形抗力。

更进一步的，在水平横向上，所述水平滑槽113的长度不小于所述通孔111的长度，以保证所述第二调节杆13相对所述夹持部11的相对滑动范围，增强扭转组件的可调节性。

所述第一调节杆12通过所述第一连接件14可转动地连接于所述第一基座15上，所述第一基座15设置于所述夹持部11，当所述夹持部11发生扭转时，所述第一基座15相对所述夹持部11位置固定。通过这样的设置，可使所述第一调节杆12起驱动扭转的同时，还可起到位置限定的作用，所述第一调节杆12可定义所述夹持部11的相对位移范围，以免所述夹持部发生侧滑。

另外，所述第一基座15也可设置为可拆卸的连接于所述夹持部11，以便更换；所述第一基座15与所述夹持部11间设置有固定件（图未示），当进行扭转成形时，所述固定件将所述第一基座15固定连接于所述夹持部11的最佳位置处。

在水平横向上，所述第一调节杆12和所述第二调节杆13分别设置于所述空心叶片扭转中心的两侧，从而在所述空心叶片的扭转中心的两侧分别给与扭转力，以保证扭转效果。

所述第一调节杆12和所述第二调节杆13设置于所述夹持部11的同侧，如图所示实施例中，二者均设置于所述夹持部11水平纵向上的前侧1141。当然，所述第一调节杆12和所述第二调节杆13也可分设于所述夹持部11相对设置的前侧1141和后侧（图未标识）。

所述第一调节杆12和/或所述第二调节杆13可通过水平移动以施加至所述夹持部11上扭转动力，还可将所述第一调节杆12和/或所述第二调节杆13设置为长度可调节，以通过调节其长度的方式施加扭转力至所述夹持部11上。

另外，所述通孔111可根据需要设置为特定的形状，在图示所示实施例中，所述通孔111设置为长方形。优选的，所述通孔111在水平纵向上的宽度略大于所述空心叶片上叶盆与叶背的间距。

参看图3，图3是本发明一实施方式空心叶片多截面同步扭转成形装置的使用参考图。

本发明一实施方式还提供了一种空心叶片多截面同步扭转成形装置，用于所述空心叶片的扭转成形，所述空心叶片包含多个平行于叶片榫头的上平面的截面，所述装置包括多个如上所述的扭转组件10，所述多个扭转组件10层叠设置，所述多个扭转组件10分别对应于所述空心叶片的所述多个截面且设置为可同步工作。

本发明的一实施方式提供的空心叶片多截面同步扭转成形装置，可以实现对扭转过程的时间及速度可控；可使叶片各截面的扭转成形同步进行，每个截面的扭转中心、扭转角度、扭转速度均独立受控，扭转变形精度得以提高的同时减小了局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间；另外，叶片的截面数量、位置可依据不同叶片的具体外形尺寸而灵活设计，适于应用柔性工装，节省工装成本。

所述空心叶片多截面同步扭转成形装置还可包括控制系统，所述控制系统用于控制所述第一调节杆12和所述第二调节杆13的运动，如扭转速度、扭转时间等。

参看图4至图6，并结合图2所示的扭转组件的实施例，对本发明的空心叶片多截面扭转成形方法进行详细说明，图4是本发明一实施例的空心叶片的毛坯模型和成品模型的示意图；图5是图4中扭转中心和扭转角度的确定的示意图；图6是图2中扭转组件的位置示意图。

首先，根据空心叶片毛坯的外形曲面生成空心叶片的毛坯模型100；根据空心叶片成品的外形曲面生成空心叶片的成品模型200；

于所述毛坯模型100上形成多个平行于叶片榫头的上表面的初始截面，在图4所示实施例中，以数目为5个为例，初始截面J11、J21、J31、J41、J51，于所述成品模型200的相应位置形成5个平行于叶片榫头的上表面的扭转截面J12、J22、J32、J42、J52，其中，初始截面J11、J21、J31、J41、J51与扭转截面J12、J22、J32、J42、J52分别一一对应；

分别确定所述初始截面J11、J21、J31、J41、J51各自的初始中心线，在图4所示的实施例中，所述各初始截面J11、J21、J31、J41、J51的初始中心线重合，为初始中心线L0；分别确定相应的所述扭转截面J12、J22、J32、J42、J52各自的扭转后中心线L1、L2、L3、L4、L5，所述初始中心线L0和各扭转后中心线L1、L2、L3、L4、L5相交分别得到扭转中心O1、O2、O3、O4、O5及扭转角度α1、α2、α3、α4、α5；

提供一待加工空心叶片，每个所述代加工空心叶片的表面涂覆防氧化剂，所述待加工空心叶片包括所述5个初始截面，提供5个相应的所述扭转组件10；将所述待加工空心叶片的叶片榫头固定设置，将所述待加工空心叶片的叶片部分依次穿过5个所述扭转组件10的通孔111，以使5个扭转组件10分别对应于5个初始截面处，并加热至扭转温度，以备扭转成形工作；

然后，根据扭转中心O1、O2、O3、O4、O5及扭转角度α1、α2、α3、α4、α5，将所述5个初始截面分别扭转成形为相应的所述5个扭转截面；

具体的，根据所述扭转中心及扭转角度，并结合所述扭转组件10的各部件间的距离关系，计算扭转距离，如，所述第一调节杆12的扭转距离为S*tanα+H*cscα-H，所述第二调节杆13的扭转距离为(D-S)*tanα-H*cscα+H；设定使每个扭转组件10的扭转时间，优选地每个扭转组件10的扭转时间均相同；然后根据所述扭转时间和所述扭转距离，确定每个第一调节杆12及每个第二调节杆13的运动速度；

扭转成形过程中，使5个扭转组件10同步动作，以带动相应的5个初始截面分别同步扭转成形为相应的扭转截面；

完成上述过程后，使每个扭转组件10位置保持第一时间段后，将所述扭转组件10拆离所述空心叶片，完成一个扭转成形工作循环。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：可使叶片各截面的扭转成形同步进行，每个截面的扭转中心、扭转角度、扭转速度均独立受控，扭转变形精度得以提高的同时减小了局部变形抗力，提高叶片扭转成形速度，缩短成形时间。叶片的扭转截面数量、位置可依据不同叶片的具体外形尺寸而灵活设计，适于应用柔性工装，节省工装成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

上文所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、生成空心叶片的毛坯模型、成品模型；

b、于所述毛坯模型上形成多个平行于叶片榫头的上表面的初始截面，于所述成品模型的相应位置形成多个平行于叶片榫头的上表面的扭转截面；

c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度；

d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面；

e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

2.根据权利要求1所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述步骤“c、计算每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度”包括，

c1、分别确定每个所述初始截面的初始中心线及相应的所述扭转截面的扭转后中心线；

c2、根据所述初始中心线和所述扭转后中心线，确定每个所述初始截面变换至相应的所述扭转截面的扭转中心及扭转角度。

3.根据权利要求2所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述初始截面的初始中心线为由所述初始截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线；相应的，所述扭转截面的扭转后中心线为由所述扭转截面上到叶盆、叶背等距的点拟合而成的直线。

4.根据权利要求3所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述扭转中心为所述初始中心线与所述扭转后中心线的交点；所述扭转角度为所述初始中心线与所述扭转后中心线的夹角。

5.根据权利要求4所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述扭转角度不大于90°。

6.根据权利要求1所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述步骤“d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面”还包括，

在所述待加工空心叶片的表面涂覆防氧化剂。

7.根据权利要求6所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述步骤“d、提供一待加工空心叶片，所述待加工空心叶片包括所述多个初始截面”还包括，

将已涂覆防氧化剂的所述待加工空心叶片加热至扭转温度。

8.根据权利要求1所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述步骤“e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面”还包括，

将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面时，所述多个初始截面同步扭转。

9.根据权利要求8所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述步骤“e、根据对应的扭转中心及扭转角度，将所述多个初始截面分别扭转成形为相应的所述多个扭转截面”具体包括，

e1、根据对应的扭转中心和扭转角度，计算每个所述初始截面的扭转距离；

e2、设定扭转时间；

e3、计算每个所述初始截面的扭转速度；

e4、将所述多个初始截面分别按所述扭转速度同步扭转成形为相应的所述多个扭转截面。

10.根据权利要求1所述的空心叶片多截面扭转成形方法，其特征在于，所述方法还包括，

f、每个所述初始截面分别扭转成形为相应的所述扭转截面后，延迟第一时间段后，完成一个扭转成形工作循环。