CN102231170B - 一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法，测量已有的涡轮叶片获取测量模型，将CAD模型与对应的测量模型进行配准定位和精确配准，得到测量模型与CAD模型在同一高度二维截面的几何特征参数并求解其变形矢量，对变形矢量做逆向调整后以三次多项式曲线表示叶型的中弧线模型，然后进行模具型腔的复原，重复对至少4个任意高度建立模具型腔的叶型截面，最终重构为模具型腔的实体。本发明大幅提高了涡轮叶片的成品率；减少了试模的周期与次数，具有设计周期短、精度高、效率高的特点。

Description

一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法

技术领域

本发明涉及模具型腔的定型技术领域，尤其涉及一种航空发动机涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法。 

背景技术

涡轮叶片是高推重比发动机的核心技术，是透平机械最核心的部件，也是易断裂失效件。其性能水平，特别是承高温能力，是一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。由于长期服役在强烈热冲击与复杂循环热应力工况条件下，故涡轮叶片结构设计与其制造技术成为高推重比航空发动机的核心技术。 

目前，涡轮叶片一般采用定向结晶或单晶无余量精密铸造，由于涡轮叶片为大量自由曲面和复杂内腔组成的病态薄壁结构(壁厚0.5mm～2mm)，精铸叶片的型面精度低、壁厚尺寸漂移大、质量不稳、废品率很高，一直是制约我国新型航空发动机研制的瓶颈。与国外高达80％的涡轮叶片精密铸造合格率相比，国内的涡轮叶片精密铸造合格率不到40％，几何尺寸超差的问题占较大比例。国外研究经验证实，基于先进的计算机辅助技术及创新工艺，对精铸过程进行整体协同优化和过程监控，对提高涡轮叶片熔模铸造质量、降低制造成本起到了至关重要的推动作用。由于涉及军工，相应关键基础理论及技术也是国外严密控制扩散的重点。 

为打破国外技术封锁，攻克涡轮叶片无余量精净成型难题，国内开展了大量科研工作，主要集中利用仿真的方法预测精铸过程中的缺陷产生、晶粒生长等问题，进而对精铸过程工艺参数进行优化，北京航空材料研究院、清华大学、哈尔滨工业大学、钢铁研究总院、中科院金属所等单位在此问题上做了大量研究工作，并取得丰硕成果。但是，大部分研究者对涡轮叶片尺寸精确性控制方面的研究几乎没有涉及，为得到精确的叶片几何尺寸，通常要反复调整精铸型腔，大大延长了叶片的生产周期。 

模具型腔的型面设计的原则是在变形部位赋予适量反变形量以抵消铸件在凝固和冷却过程中的收缩变形。国内的模具型面设计方法主要有均匀放缩法、弦长放缩法、中弧线放缩法和收缩中心放缩法四种。这些方法虽简便，但也存在着明显的不足：首先假设在不同部位收缩率数值相同；其次是叶片体积收缩的比例近似，忽略了叶片弯 扭变形及叶身曲率等几何特征，将叶片设计型面坐标线沿法向比例增厚或者缩小实现模具型腔的补偿。 

由于涡轮叶片的结构形状复杂，导致铸件冷却时散热不均，因而叶片各点的变形也不均匀，铸件的实际收缩是非线性的，且以位移场(叶片铸件变形量的空间分布)的方式体现出来。因此，基于非线性、非均匀的位移场模型，设计模具型腔优化设计方法，是保证叶片精铸尺寸精度的一个关键。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于几何特征参数的的精铸模具型腔设计方法，设计结果可直接用于指导涡轮叶片精铸模具型腔的设计，解决目前同类模具设计的周期长、效率低、精度低的问题。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤： 

步骤1 

首先需要判断使用初始模具浇注得到的叶片铸件尺寸是否满足要求，对已有的涡轮叶片铸件进行无损测量，获取三维测量数据，作为测量模型以点云的形式存储在计算机中。 

步骤2 

将涡轮叶片的CAD模型与其对应的测量模型在空间进行配准定位，将CAD模型与测量模型的主轴调整至平行，且距离不大于0.01mm。 

步骤3 

使用迭代最近点(ICP)算法将CAD模型与测量模型进行精确配准。 

步骤4 

沿着模型高度方向截取截面，得到测量模型与CAD模型在同一高度的二维截面，分别提取CAD模型与测量模型二维截面的几何特征参数，包括叶片前缘进气角、叶型安装角、后缘出气角、最大挠度、中切角、弦长、叶片中弧线离散点对应的内切圆半径及最大挠度位置坐标的数据。 

步骤5 

求解步骤4提取的CAD模型与测量模型二维截面对应的几何特征参数的变形矢量。即用铸件模型二维截面的前缘进气角大小减去CAD模型的二维截面前缘进气角，以逆时针变化为正，得到前缘进气角的变形矢量。同理求得叶型安装角、后缘出气角、 中切角的变形矢量。使用铸件模型二维截面的弦长大小减去CAD模型二维截面的弦长大小，得到弦长的变形矢量，同理求得最大挠度、内切圆半径与最大挠度位置坐标的变形矢量。 

步骤6 

将步骤5求得的变形矢量做逆向调整。调整的步骤如下： 

[1]设CAD模型二维截面叶型的安装角为β_cad，测量模型二维截面叶型的安装角为β_test，则模具型腔对应二维截面叶型的安装角 

[2]设CAD模型二维截面叶型的前缘进气角为α_cad，测量模型二维截面叶型的前缘进气角为α_test，则模具型腔对应二维截面叶型的前缘进气角 

其中θ为中切角。 

[3]设CAD模型二维截面叶型的后缘出气角为γ_cad，测量模型二维截面叶型的后缘出气角γ_test，则模具型腔对应二维截面叶型的后缘出气角 

[4]设CAD模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_cad，y_cad)，测量模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_test，y_test)，则模具型腔对应二维截面叶型中弧线的最大挠度点坐标可以表示为(x_mold，y_mold)，其中： 

K为经验收缩率。 

[5]设CAD模型二维截面的叶型弦长为L_cad，测量模型二维截面的叶型弦长为L_test，则模具型腔对应二维截面叶型的弦长 

步骤7 

以一条三次多项式曲线y＝ax³+bx²+cx+d表示叶型的中弧线模型，其中0＜x≤L_mold，L_mold为CAD模型对应的弦长。定义P为中弧线最大挠度点的轴向距离，三次多项式的系数可以表示为： $b=\frac{P\tan {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mold}}}{2L_{\mathrm{mold}}(L_{\mathrm{mold}}-P)}-\frac{L_{\mathrm{mold}}+P}{2P{L}_{\mathrm{mold}}}\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}},$ $a=\frac{-\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}}-2\mathrm{Pb}}{2P^2},$ c＝tanα_mold，d＝0。 

步骤8 

利用步骤6建立的中弧线模型，以及步骤4计算出的中弧线离散点对应的内切圆的半径，进行模具型腔的复原。 

步骤9 

按叶片高度方向，截取至少4条任意高度的截面，重复步骤4至步骤7分别建立模具型腔的至少四条叶型截面，将叶型截面重构为模具型腔的实体，设计出精铸模具的型腔。 

本发明的有益效果是：通过对精铸涡轮叶片模具型腔的优化设计，大幅提高了涡轮叶片的成品率；减少了试模的周期与次数。该方法对模具型腔的设计具有重要的理论意义和应用价值，该方法避免了传统经验设计的缺点，具有设计周期短、精度高、效率高的特点，并且模具设计的缺陷可以实时在计算机上被发现和纠正，缩短了模具开发的周期，显著地降低了模具设计成本。本方法适用于航空发动机用涡轮叶片精铸模具外型腔的设计。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

附图说明

图1是本发明的流程图。 

图2是涡轮叶片CAD模型。 

图3是涡轮叶片测量模型。 

图4是CAD模型与测量模型的预配准结果图。 

图5是CAD模型与测量模型的精确配准结果图。 

图6是叶片模型截面叶型几何特征参数。 

图中1.安装角，2.前缘进气角，3.后缘出气角，4.弦长，5.最大挠度点轴向长度，6.中切角，7.中弧线。 

图7Z＝50mm的几何特征参数提取结果。 

图8是复原Z＝50mm的模具型腔截面图。 

图9是实施例所述的重构模具型腔图。 

具体实施方式

生产某型航空涡轮叶片的定型模具型腔的设计，实施例步骤如图1所示： 

步骤1 

使用UG软件(商业软件名，德国西门子公司产品)读入某型航空发动机涡轮叶片的CAD模型与测量模型，CAD模型如图2，测量模型如图3。 

步骤2 

将测量模型与CAD模型进行预配准，预配准的结果如图4。 

步骤3 

将测量模型与CAD模型进行精确配准，配准的结果如图5。 

步骤4 

将精确配准后的CAD模型与测量模型沿着叶片高度方向Z方向，截取Z＝50mm高度的截面，提取CAD模型与测量模型在Z＝50mm的几何特征参数。图6为模型截面几何特征参数的示意图。图7为提取的结果。 

步骤5 

求解几何特征参数的变形矢量。 

步骤6 

将几何特征参数的变形矢量进行逆向调整，以优化步骤4提取的几何特征参数。将步骤5求得的变形矢量做逆向调整。调整的步骤如下： 

[1]设CAD模型二维截面叶型的安装角为β_cad，测量模型二维截面叶型的安装角为β_test，则模具型腔对应二维截面叶型的安装角 ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cad}}}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{test}}-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cad}})+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{cad}}.$

[2]设CAD模型二维截面叶型的前缘进气角为α_cad，测量模型二维截面叶型的前缘进气角为α_test，则模具型腔对应二维截面叶型的前缘进气角  ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \mathrm{\θ}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{test}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{cad}})+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{cad}},$ 其中θ为中切角。 

[3]设CAD模型二维截面叶型的后缘出气角为γ_cad，测量模型二维截面叶型的后缘出气角γ_test，则模具型腔对应二维截面叶型的后缘出气角  ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \mathrm{\θ}}({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{test}}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cad}})+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cad}}.$

[4]设CAD模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_cad，y_cad)，测量模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_test，y_test)，则模具型腔对应二维截面叶型中弧线的最大挠度点坐标可以表示为(x_mold，y_mold)，其中： 

$x_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(x_{\mathrm{test}}-x_{\mathrm{cad}})+x_{\mathrm{cad}},$ $y_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(y_{\mathrm{test}}-y_{\mathrm{cad}})+y_{\mathrm{cad}},$ K为经验收缩率。 

[5]设CAD模型二维截面的叶型弦长为L_ead，测量模型二维截面的叶型弦长为L_test，则模具型腔对应二维截面叶型的弦长 $L_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(L_{\mathrm{test}}-L_{\mathrm{cad}})+L_{\mathrm{cad}}.$

得到前缘进气角优化值为43.843度。后缘出气角优化值为27.242度。安装角优化值为59.522度。最大挠度点坐标优化值为(-0.218，-3.001)。弦长优化值为35.413度。 

步骤7 

基于步骤5优化的几何特征参数， 

建立中弧线参数模型为：y＝-4.3234x³+2.7812x²-7.2541x。 

步骤8 

依据步骤6建立的参数模型，复原Z＝50mm的模具型腔截面。如图8。 

步骤9 

分别截取Z＝30mm，Z＝50mm，Z＝60mm及Z＝65mm的四条截面，重构模具型腔。重构的结果如图9。 

Claims (1)

1.一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤1

判断使用初始模具浇注得到的叶片铸件尺寸是否满足要求，对已有的涡轮叶片铸件进行无损测量，获取三维测量数据，作为测量模型以点云的形式存储在计算机中；

步骤2

将涡轮叶片的CAD模型与其对应的测量模型在空间进行配准定位，将CAD模型与测量模型的主轴调整至平行，且距离不大于0.01mm；

步骤3

使用迭代最近点算法将CAD模型与测量模型进行精确配准；

步骤4

沿着模型高度方向截取截面，得到测量模型与CAD模型在同一高度的二维截面，分别提取CAD模型与测量模型二维截面的几何特征参数，包括叶片前缘进气角、叶型安装角、后缘出气角、最大挠度、中切角、弦长、叶片中弧线离散点对应的内切圆半径及最大挠度位置坐标的数据；

步骤5

求解步骤4提取的CAD模型与测量模型二维截面对应的几何特征参数的变形矢量；即用铸件模型二维截面的前缘进气角大小减去CAD模型的二维截面前缘进气角，以逆时针变化为正，得到前缘进气角的变形矢量；同理求得叶型安装角、后缘出气角、中切角的变形矢量；使用铸件模型二维截面的弦长大小减去CAD模型二维截面的弦长大小，得到弦长的变形矢量，同理求得最大挠度、内切圆半径与最大挠度位置坐标的变形矢量；

步骤6

将步骤5求得的变形矢量做逆向调整，调整的步骤如下：

[1]设CAD模型二维截面叶型的安装角为β_cad，测量模型二维截面叶型的安装角为β_test，则模具型腔对应二维截面叶型的安装角

[2]设CAD模型二维截面叶型的前缘进气角为α_cad，测量模型二维截面叶型的前缘进气角为α_test，则模具型腔对应二维截面叶型的前缘进气角 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \mathrm{\θ}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{test}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{cad}})+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{cad}},$ 其中θ为中切角；

[3]设CAD模型二维截面叶型的后缘出气角为γ_cad，测量模型二维截面叶型的后缘出气角γ_test，则模具型腔对应二维截面叶型的后缘出气角 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \mathrm{\θ}}({\mathrm{\γ}}_{\mathrm{test}}-{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cad}})+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{cad}};$

[4]设CAD模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_cad，y_cad)，测量模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_test，y_test)，则模具型腔对应二维截面叶型中弧线的最大挠度点坐标可以表示为(x_mold，y_mold)，其中：

$x_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(x_{\mathrm{test}}-x_{\mathrm{cad}})+x_{\mathrm{cad}},$ $y_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(y_{\mathrm{test}}-y_{\mathrm{cad}})+y_{\mathrm{cad}},$ K为经验收缩率；

[5]设CAD模型二维截面的叶型弦长为L_cad，测量模型二维截面的叶型弦长为L_test，则模具型腔对应二维截面叶型的弦长

步骤7

以一条三次多项式曲线y＝ax³+bx²+cx+d表示叶型的中弧线模型，其中0＜x≤L_mold，L_mold为模具型腔对应二维截面叶型的弦长；定义P为中弧线最大挠度点的轴向距离，三次多项式的系数可以表示为： $b=\frac{P\tan {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{mold}}}{2L_{\mathrm{mold}}(L_{\mathrm{mold}}-P)}-\frac{L_{\mathrm{mold}}+P}{2{\mathrm{PL}}_{\mathrm{mold}}}\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}},$ $a=\frac{-\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{mold}}-2\mathrm{Pb}}{3P^2},$ c＝tanα_mold，d＝0；

步骤8

利用步骤7建立的中弧线模型，以及步骤4计算出的中弧线离散点对应的内切圆的半径，进行模具型腔的复原；

步骤9

按叶片高度方向，截取至少4条任意高度的截面，重复步骤4至步骤7分别建立模具型腔的至少四条叶型截面，将叶型截面重构为模具型腔的实体，设计出精铸模具的型腔。

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