CN102947596B - 涡轮机叶片金属加强件的制作方法 - Google Patents

涡轮机叶片金属加强件的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及实心部件制作方法，其涉及采用两个模具锻造变形金属棒材(40)的步骤(240)，以获得包括两个翅片(51)的中间部件(50)，所述翅片位于实心部件(53)两侧，能够形成所述金属加强件(30)的底部(39)，所述两个翅片(51)之间为张开角α；对所述中间部件(50)的所述翅片(51)进行变形的步骤(250)，改变所述张口角α，从而获得涡轮机叶片前缘或后缘金属加强件(50)的最终形状。

Description

涡轮机叶片金属加强件的制作方法
技术领域
本发明涉及复合材料或金属涡轮机叶片的金属加强件的制作方法。
本发明特别涉及制作涡轮机叶片前缘的金属加强件的方法。
本发明领域属于涡轮机领域，特别是涡轮机复合材料或金属材料制成的风扇叶片领域，其前缘包括金属结构加强件。
然而，本发明还可应用到制作金属加强件，用来增强任何类型涡轮机叶片的前缘或后缘，不论是陆用还是航空用涡轮机，特别是直升机涡轮喷气发动机或飞机涡轮喷气发动机。
本发明还可应用到复杂几何形状的任何实心部件的制作。
背景技术
众所周知，前缘对应于空气动力外形的前部，其面向气流，并将气流分成了压力面上的空气流和吸力面上的空气流。后缘对应于空气动力外形的后部，在此处，压力面上的气流和吸力面上的气流相结合。
涡轮机叶片，特别是风扇叶片，都会受到巨大的机械应力，特别是与转速相关的应力，而且还必须满足重量和负载的苛刻条件。减轻叶片重量的一个可能的选择方案就是使用复合材料来制作叶片。
人们已知，正如SNECMA提交的专利申请文件EP1908919中所提出的，可提供一种采用复合材料制成的涡轮机风扇叶片，叶片中使用金属结构加强件，加强件沿叶片整个高度延伸并一直延伸到其前缘之外。如果遇到异物撞击风扇，诸如鸟，冰雹或甚至石块时，这种加强件可以保护复合材料叶片组件。
特别是，金属结构加强件可保护复合材料叶片前缘，避免出现脱层、纤维折断或甚至纤维/基底脱胶造成损坏的风险，
传统上，涡轮机叶片包括沿前缘和后缘之间的第一方向和叶根及叶尖之间大体垂直于第一方向的第二方向延伸的空气动力面。金属结构加强件随叶片空气动力面前缘的形状，并沿第一方向延伸过叶片空气动力面前缘，以便与叶片压力面和吸力面的轮廓相一致，并沿叶根和叶尖之间的第二方向延伸。
按照已知方式，金属结构加强件为采用钛制成的金属部件，从材料实心块上完全铣削而制成。
然而，叶片前缘金属加强件的生产是很复杂的，要求无数次重复加工和复杂工具，涉及巨大的生产成本。
发明内容
在这种情况下，本发明旨在提出一种制作涡轮机叶片前缘或后缘的金属加强件的方法，可以大大降低这种部件的制作成本，并简化制造工艺，从而可以解决上述问题。
为此，本发明提出了一种制作涡轮机叶片前缘或后缘金属加强件的方法，包括：
-通过两个模具锻造金属棒材使其变形的步骤，目的是获得一种包括两个翅片(fin)的中间部件，分别位于实心部分两侧，能够成型所述金属加强件的底部，所述两个翅片形成张口角α；
-对所述中间部件的所述翅片进行变形的步骤，改变所述张口角α，从而获得涡轮机前缘或后缘上金属加强件的最终形状。
通过术语“锻造变形步骤”，人们可以了解，金属锻造成型作业包括将韧性材料(加热后形成韧性)穿过一个孔或模具。于是，在锻造变形金属棒材的第一个步骤期间，将经过加热的实心金属置于工具内，这样，由于推力的作用，材料被迫通过塑性流而穿过工具上的孔眼或模具。
锻造变形步骤类似于正挤压或反挤压变形步骤，即将加热的实心金属置于材料挤压温度下，即至少等于250摄氏度的温度环境下，并通过施加推力而迫使其穿过孔眼，通常称之为模具。在一定程度的力的作用下，产生金属的塑性流，流过模具。
为此，根据本发明的锻造变形方法不同于冲压方法，后者是将变形材料填入空腔。此外，冲压是一种将金属材料垂直于工具冲击方向置放的变型方法。
通过本发明，复杂形状的金属结构加强件可从简单的金属棒材和通过一系列简单锻造步骤以简单快速方式制作，从而可以大大降低这种部件的制作成本，特别是采用了简单工具和机器。
此外，利用金属棒材而不是金属板材制作涡轮机叶片的金属结构加强件，还可以将材料的浪费降到最低，进而降低了这种加强件的制作成本。
为此，所述制作方法通过扁材的铣削可以克服加强件的复杂制作，这种制造要求使用大量的材料，结果，可以降低所使用的原始材料的数量。
根据本发明的涡轮机叶片金属加强件的制作方法还可具有一个或多个如下特性，不论是个别的还是技术上可行的任何结合形式：
-在所述锻造变形所述金属棒材的所述步骤之前，制作方法包括沿垂直于所述棒材纵轴方向对所述金属棒材进行弯曲的步骤；
-在锻造变形所述金属棒材的所述步骤之前，制作方法包括将所述金属棒材充入带有腔室的工具内的步骤，所述空腔对应于所述金属加强件的实心底座的最终形状；
-填充所述金属棒材的所述步骤和锻造变形所述金属棒材的所述步骤是在同一工具内通过多个凸模进行的；
-填充所述金属棒材的所述步骤是在热态情况下进行的；
-填充所述金属棒材的所述步骤，和锻造变形所述金属棒材的所述步骤是连续进行的，无需对工具进行冷却；
-所述金属棒材的所述弯曲步骤，锻造变形所述金属棒材的所述步骤和所述中间部件的所述变形步骤都是在热态情况下进行的；
-所述金属棒材的所述弯曲步骤包括：
-沿垂直于所述棒材纵轴的第一方向对所述金属棒材进行弯曲的第一分步骤；
-沿垂直于所述第一方向和垂直于所述棒材纵轴的第二方向对所述金属棒材进行弯曲的第二分步骤；
-所述方法包括在所述金属棒材上生产预成型部分的步骤，从而便于所述锻造变形步骤期间将工具定位在所述棒材上；
-所述锻造变形步骤为反挤压步骤；
-所述锻造变形步骤是在两次连续作业中通过至少一个凸模进行的；
-从所述中间部件上变形所述翅片的所述步骤同时实施了所述中间部件的确定扭曲；
-从所述中间部件变形所述翅片的所述步骤同时实施：
-金属加强件内部半径形状的最终确定；
-横向侧面和金属加强件的成型；
-所述金属加强件的扭曲的最终确定
本发明还涉及到采用根据本发明制作方法获得的中间部件。
本发明还涉及到金属部件，其特征在于，其包括两个翅片，分别位于实心部分的两侧，能够对涡轮机叶片前缘或后缘金属加强件的底部进行成型。
附图说明
通过如下以示例形式而非限定性的说明，并参照附图，本发明的其它特性和优点会更清楚地显现出来，附图如下：
-图1为叶片侧视图，包括通过本发明所述制作方法获得的前缘金属加强件；
-图2为沿图1的AA剖面所示局部剖面图；
-图3为流程图，示出了根据本发明的制作方法制作涡轮机叶片前缘金属加强件的主要步骤；
-图4A,4B,4C,4D,4E示出了图3所示制作方法不同步骤期间金属加强件的结构渐进情况；
-图5A,5B为在图3所示方法第三步骤期间涡轮机叶片前缘金属加强件的局部剖面图；
-图6和图7为在图3所示方法第四步骤期间涡轮机叶片前缘金属加强件的局部剖面图；
-图8为在图3所示方法第五步骤期间涡轮机叶片前缘金属加强件的局部透视图；
-图9为金属棒材的剖视图，该金属棒材包括用于是改善工具的导向的预成型部分。
具体实施方式
在所有附图中，共同的部件使用了相同的参考标记，除非另有相反规定。
图1为叶片侧视图，包括根据本发明制作方法获得的前缘金属结构加强件。
所示叶片10，例如，是一种涡轮机(图中未示)风扇的动叶片。
叶片10包括空气动力面12，沿前缘16和后缘18之间的第一轴向方向14和叶根22与叶尖24之间大体垂直于第一方向14的第二径向方向20延伸。
空气动力面12构成叶片10的吸力面13和压力面11，图1仅示出了叶片10的吸力面13。压力面11和吸力面13构成叶片10的侧向面，将叶片10的前缘16连接到后缘18上。
在该实施例中，叶片10为复合材料叶片，通常采用编织的复合材料拉伸成型后获得。例如，所使用的复合材料可以是编织的碳纤维和树脂基底组合而成，所述组件采用真空辅助树脂传递模塑成型。
叶片10包括金属结构加强件30，粘结在其前缘16的区域内，沿第一方向14延伸过叶片10空气动力面12前缘16，并沿叶根22与叶尖24之间的第二方向20。
如图2所示，结构加强件30依照叶片10空气动力面12前缘16形状，其延伸而构成前缘31，称之为加强件的前缘。
传统上，结构加强件30为整体部件，包括呈大体V形状的截面，带有构成前缘31的底部39，并通过两个侧翼35,37延伸，分别依附着叶片空气动力面12的压力面11和吸力面13。侧翼35,37的外形沿叶片后缘方向呈锥形或厚度逐渐减小。
底部39包括圆形内部形状33，能够随叶片10的前缘16的形状。
结构加强件30为金属制成，优选基于钛的金属。更确切地说，所述材料具有很高的吸收由于撞击而产生能量的能力。加强件通过所属领域技术人员所熟知的粘结剂(例如，氰基丙烯粘合剂或甚至环氧树脂黏合剂)粘结到叶片10上，
专利申请文件EP1908919更具体地介绍了用作复合材料涡轮机叶片加强件的这种金属结构加强件30。
根据本发明的方法可以特别制作出图2所示的结构加强件，图2示出了安装在涡轮机风扇动叶片10上的最终状态的加强件30。
图3为流程图，示出了根据本发明的制作方法200的主要步骤，可制作图1和图2所示叶片10前缘金属结构加强件30。
制作方法200的第一个步骤210为锻造直线金属棒材40的步骤(图4A所示)，可以沿垂直于棒材40纵轴AA'对所述棒材40进行弯曲，如图4B所示。
金属棒材40为圆截面的钛棒材，直径大约为几个毫米；截面的直径根据使用者和制作最终部件所需材料厚度的要求而变化。
在该第一锻造步骤期间，对金属棒材40进行变形，通过压机，例如，等热压机，将温度置于700℃和940℃之间，以低应变速率获得钛的良好变形特性，从而沿第一方向Z制作出第一次弯曲。
制作方法200的第二个步骤220是对前一个步骤期间所获得的弯曲的金属棒材40'进行锻造(如图4B所示)，从而沿垂直于纵轴AA'和轴线Z的方向对所述棒材40进行第二次弯曲。这样，根据图4B所述参考系，棒材40的第二次弯曲会沿Y方向产生，获得带有两次弯曲的金属棒材40"(即，沿两个方向)，如图4C所示。
该步骤也可通过等温压机来进行，即温度置于700℃和940℃之间，以低应变速率而获得钛的良好变形特性。例如，第一和第二步骤可以通过螺旋压机和凸模/凹模工具来进行。
所述前两个步骤210,220可以沿最终金属加强件30的中性纤维对大体直线金属棒材40进行扭曲，如图1和图2所示。
制作方法200的第三步骤230是对带有两次弯曲的金属棒材进行锻造的步骤，这项作业是将金属棒材置入压机的工具100内，如图5A和5B所示。
该步骤230是预先将扭曲的金属棒材40"置于工具100内，如图5A所示。然后，在活动凸模120的作用下通过填充而使其变形，从而填充凹模110的腔室140，如图5B所示。然后，就获得了部件40”'，其形状对应于凹模110的腔室140的形状。凸模120带有大体平面的接触表面121，能够与插入工具内的金属棒材40"相接触，并能够对所述金属棒材进行变形，以便在凸模120所施加的压力作用下将其插入到腔室140内。
工具100的腔室140带有涡轮机叶片金属加强件前缘31的最终两次弯曲，并对应于金属加强件30的底部39的最后形状。
该第三步骤230是在压机内进行的，通常采用螺旋压机，温度为大约940℃。在这个温度时，钛的拉伸率大于35％，这可以产生有效变形，但又不会损伤钛的特性。
制作方法200的第四步骤240是对所述金属棒材40”'进行锻造的步骤，即堆积后获得，采用模具对金属棒材进行变形作业，诸如通过挤压锻造作业而成。
挤压是一种通过锻造来使金属成型的方法。即推动韧性材料(加热成韧性)穿过孔或模具。挤压工艺是将加热到一定温度(称之为挤压温度)的实心材料置放在工具上并迫使其穿过孔眼，通常为模具，施加推力。在一定程度的力的作用下，产生塑性流，穿过模具。
共有两种不同的挤压方式：正挤压和反挤压
正挤压是将经过加热的材料(此前已经置放在工具上)通过凸模而向模具方向移动。反挤压是指同时使工具和金属向模具方向移动，从而克服了材料和工具之间的摩擦。
有利的是，步骤240为反挤压步骤，可以将材料向上推而穿过模具。然而，步骤240也可以是正挤压步骤。
如果是正挤压的情况下，且在该步骤240之前，可以通过机加工来在金属棒材40上制作预成型部分41，如图9所示，从而方便了挤压步骤，特别是改善了工具的导向。
优选地，在金属棒材40上制作预成型部分41的该步骤是在根据本发明方法的弯曲步骤210和220之前进行。该反挤压锻造步骤是在前一个步骤期间所使用的同一个工具100上进行。然而，具有平面接触表面121的凸模120可以用凸模160来取代，其接触表面的形状更呈锥形，且更呈大体V形状，如图6所示。
凸模160的特别形状使得其可以在金属棒材40”'材料上施加推力，使其变形，并推其进入位于凸模160和凹模110之间的模具130内。
这个反挤压步骤240可以采用两种不同凸模连续进行两次：如上所述以及如图6所示的第一凸模160，如图7所示的第二凸模170，这包括接触面积较之前一个凸模160更尖且更具锥形，从而将更多的材料推入凸模170和凹模110之间的模具130'内。
通常，凸模170的形状对应于金属加强件30底部39的内部形状33的最终形状(如图2所示)，即叶片10的前缘16的圆形。
该反挤压步骤240可以采用不同的凸模进行一次或两次。作业次数的选择除了需要制作的部件的复杂程度外，还取决于需要挤入材料数量。
有利的是，步骤240的不同作业次数可以连续进行，无需操作手过多干预，也无需温度显著变化(即，无需对部件和工具进行冷却)。类似于前一个步骤，反挤压步骤240可以通过液压机、螺旋压机等在大约940℃(正负10℃)的温度下进行。
为此，反挤压步骤可以通过有限数量的作业来获得材料的有效变形，从而形成图4D所示中间部件50。
中间部件50呈大体V形或Y形(Y形部件如图4E和图7所示)，包括两个侧向翅片51，分别在实心部分52的两侧，大体上对应于金属加强件30底部最终形状，特别是前缘31。
在中间部件50的端部，从初始金属棒材20制作而成的颈部53可以在所需不同步骤和作业期间操作该部件并可使得参考部件在所使用不同工具中得以制作。
在工具100内制作中间部件50，这样，两个侧翅片51具有大体在60°和90°之间的张开角，以满足金相技术规格的要求。
侧翅片51的厚度大体上对应于金属加强件30的压力面和吸力面的侧翼厚度，为此，翅片51具有沿相对于中间部件50前缘方向厚度逐渐减小的形状。为此，工具100的模具130具有特定尺寸，以便获得制作金属加强件30所要求的翅片的外形和厚度。
制作方法200的第五步骤250为锻造步骤，改变了侧翅片51的张开角，中间部件50的两个侧翅片51更加靠近，即角度α减小，以获得涡轮机叶片前缘金属加强件30的最终形状。
该步骤250可在成型工具300(图8所示)内进行，后者带有金属加强件30最终确定的形状，并通过传统的液压机、螺旋压机等进行。为此，除了具有金属加强件30的外部形状对应部分(图中未示)外，工具300包括大体上对应于涡轮机叶片外形的腔室310，其内将安装金属加强件30，而且，特别是，侧翅片35,37的形状分别随叶片10空气动力面12的压力面11和吸力面13形状。
根据图8所示实施例，中间部件50置于工具300内，以顶住腔室310。
然后，两个翅片51由对应部分沿腔室310方向向后折，为的是减小角度α和形成金属加强件30的最终轮廓。
有利的是，中间部件50通过工具300与翅片51的变形同时扭曲，从而最后确定部件的扭曲形状。
为此，该步骤250同时可以：
-最后确定金属加强件30的内部半径33的形状；
-确定金属加强件30的侧翼35和37的形状；
-最后确定金属加强件30的扭曲形状。
然而，根据再一个实施例，如果需要，所述不同作业可以单独进行。
类似于前面步骤230,240，步骤250在大约940℃温度下进行。
为此，在步骤250期间获得的金属加强件30优选在其热态时脱模，为的是方便部件的脱模。然而，脱模也可在冷态下进行。
为了方便金属加强件30的脱模，特别是在冷态时，腔室310可以包括多个活动的或可拆除的部分，这些部分可以逐个分解。
为了方便脱模，还可以先准备工具300在腔室310上沉积一个保护层，从而防止加强件30胶结在工具300上。例如，所述保护层可以是一层氧化铝。
最后，制作方法200的第六步骤260是一个选择步骤，即通过机加工对加强件30进行表面处理和整理。所述表面处理步骤260具体是指：
-重修侧翼35,37(该步骤特别是指对侧翼35,37的修理，减小压力面和吸力面上的侧翼35,37的厚度)；
-对加强件30进行抛光处理，获得所要求的表面状态。
图4E示出了根据本发明制作方法所获得的加强件30的最终状态。
联系到所述主要制作步骤，根据本发明的方法还包括按无损方式对加强件30进行检查的步骤，可以确保所获得组件的几何和金相一致性。例如，无损检查可以使用光学射线(白光)或非接触超声波检查方法来进行。
上面主要介绍了本发明的钛基金属棒材金属加强件的制作方法；然而，根据本发明的方法还适用于镍基材料或甚至钢基材料。
上面主要介绍了本发明的钛基金属棒材金属加强件的制作方法；然而，根据本发明的方法还适用于以前加强的---例如SiC-Ti---金属棒材的使用。
例如，钛加强的金属棒材的实施例可以是金属棒材，包括了采用SiC-Ti加强的芯和钛的覆盖物。例如，所述加强金属棒材可以通过共同挤压的方法获得，即在模具(即，缩减锥体)内穿过SiC-Ti制成的棒材，外面包裹钛套。两种材料在其结合处产生的摩擦会形成压缩力和热量，从而实现两种材料之间的紧密结合。
SiC-Ti制成的芯可以方便地置放在金属棒材内，从而在根据本发明的制作方法期间，随---或不随---金属棒材变形。
根据本发明的方法还包括了对所获得的加强金属棒材进行机加工的步骤，在实施锻造步骤之前，例如，通过机械或化学加工。
自然地，也可以想像地制作加强的金属棒材，其包括非加强的芯和加强的覆盖物。
有利的是，在构成金属加强件的部件上，将其置于大约940±10％℃的温度下，可进行不同的弯曲、堆积、挤压和扭曲作业，所述环境和工具能够采用上述示例中提到的不同温度。
上面特别介绍了本发明的涡轮机复合材料叶片金属加强件的制作；然而，本发明还适用于涡轮机金属叶片的金属加强件的制作。
上面特别介绍了本发明的涡轮机叶片前缘金属加强件的制作；然而，本发明还适用于涡轮机叶片后缘金属加强件的制作。
特别是，本发明其它优点包括：
-降低制作成本；
-减少制作时间；
-简化制造工艺；
-降低工具成本；
-降低材料成本。

Claims (13)

1.制作涡轮机叶片(10)前缘或后缘金属加强件(30)的方法(200)，包括
-通过两个模具锻造变形金属棒材(40)的步骤(240)，以获得中间部件(50)，所述中间部件包括两个翅片(51)，分别位于实心部分(52)两侧，所述实心部分(52)能够形成所述金属加强件(30)的底部(39)，所述两个翅片(51)构成张开角α；
-对所述中间部件(50)的所述翅片(51)进行变形的步骤(250)，以改变所述张开角α，从而获得涡轮机叶片前缘或后缘金属加强件(30)的最终形状。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，在锻造变形所述金属棒材(40)的所述步骤(240)之前，所述方法(200)包括沿垂直于所述金属棒材(40)纵轴方向对所述金属棒材(40)进行弯曲的步骤(210,220)。
3.根据权利要求1至2其中一项所述的方法(200)，其特征在于，在锻造变形所述金属棒材(40)所述步骤(240)之前，所述方法(200)包括在带有腔室(140)的工具(100)内填充所述金属棒材(40)的步骤(230)，所述腔室对应于所述金属加强件(30)的实心底部(39)的最终形状。
4.根据权利要求3所述的方法(200)，其特征在于，填充所述金属棒材(40)的所述步骤(230)和锻造变形所述金属棒材(40)的所述步骤(240)都是通过多个凸模(120,160,170)在同一工具(100)内进行的。
5.根据权利要求3所述的方法(200)，其特征在于，填充所述金属棒材(40)的所述步骤(230)是热成型下进行的。
6.根据权利要求4所述的方法(200)，其特征在于，填充所述金属棒材(40)的所述步骤(230)和锻造变形所述金属棒材(40)的所述步骤(240)都是连续进行的，无需冷却工具(100)。
7.根据权利要求2所述的方法(200)，其特征在于，所述金属棒材(40)进行弯曲的所述步骤(210,220)，锻造变形所述金属棒材(40)的所述步骤(240)和变形所述中间部件(50)的所述翅片(51)的所述步骤(250)都是在热成型下进行的。
8.根据权利要求2所述的方法(200)，其特征在于，所述金属棒材(40)进行弯曲的所述步骤(210,220)包括：
-沿垂直于所述金属棒材(40)纵轴的第一方向对所述金属棒材(40)进行弯曲的第一分步骤；
-沿第二方向对所述金属棒材(40)进行弯曲的第二分步骤，所述第二方向垂直于所述第一方向并垂直于所述金属棒材(40)的纵轴。
9.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述方法包括了在所述金属棒材(40)上制作预成型部分(41)的步骤，从而在锻造变形金属棒材(40)所述步骤(240)期间方便了工具在所述金属棒材(40)上的定位。
10.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述锻造变形所述金属棒材(40)的步骤为反挤压步骤。
11.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，所述锻造变形所述金属棒材(40)的步骤是在连续两次作业期间通过至少一个凸模进行的。
12.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，在变形所述中间部件的所述翅片(51)的所述步骤(250)同时实施所述中间部件(50)的最终扭曲。
13.根据权利要求1所述的方法(200)，其特征在于，在变形所述中间部件的所述翅片(51)的所述步骤(250)同时实施：
-金属加强件(30)内部半径(33)形状的最终确定；
-侧翼(35，37)和金属加强件(30)的成型；
-所述金属加强件(30)的扭曲的最终确定。
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