CN103530452A - 一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，属于精密机械加工领域，该方法通过使用提取到的中性层曲面将叶片数模分割成两个独立数模，导入有限元软件装配，对因分割而产生的两个相互接触的曲面施加绑定约束，使其始终保持接触；定义两个刚性平面与分割产生的两个曲面的接触关系后，对叶尖部位施加载荷，使其扭平；再通过两个刚性平面相向运动，将分割产生的两个曲面夹平，按照展平后得到的网格，重建叶片毛坯数模。本计算方法在展平过程中可以有效保护叶型曲面不受破坏，得到中性面为平面的展平毛坯数模，在后续的弯扭、模压成形后，成品外形准确，加工余量小，为数控加工提供了数据。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械加工领域，尤其是涉及一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法。
背景技术
叶片模压技术是20世纪末发展起来的一种成本合理、高精度的叶片近净成形工艺，与热弯扭工艺一并广泛应用于各类航空、水力叶片的制造。此种工艺首先要锻造出平板预制毛坯并进行切削粗加工，然后对预制毛坯进行弯扭得到一定的扭转角，然后放入精整模中进行模压，最后进行精加工。叶型毛坯上的大部分加工余量主要在制坯工序中去除，模压后仅仅进行小余量切削或者仅仅对叶型进行抛光。在弯扭工序中坯料主要发生弯扭变形，而模压过程中挤压变形相对较少，主要发生的还是弯扭变形，缺少材料的局部只能从周边区域获得极为有限的材料补充，如果平板毛坯外形误差较大，在模压时极易由于毛坯材料不足形成局部缺陷。因此平板毛坯的几何形状尺寸精度及准确度直接影响着模压后零件的叶型精度，获得准确的平板毛坯的几何外形是叶片模压成形工艺中的一个关键问题。
传统的展平毛坯计算方法主要有几何法和机械压平法。几何法没有考虑到材料在变形中的相互牵扯作用，实际成形时工件受压局部厚度增加，受拉局部厚度减小，叶型表面到中性面的距离会发生变化。因此用几何法获得的展平毛坯误差较大，需要后期修形，不适合计算小加工余量精密模压成形毛坯。压平法使用压力将工件压平，压平过程中会发生严重的材料流动，不同区域中的材料相互补充，因此不可避免的会破坏叶型，同时无法得到中性层为平面的展平毛坯，因此该方法也无法得到精度符合要求的毛坯。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，该方法解决了现有展平毛坯计算方法获得的毛坯误差较大，精度欠佳的技术问题。
针对上述技术问题，本发明所述的空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，包括以下步骤：
1）依据成品空心叶片数模，提取其外部曲面，构建与之外形相同的实心叶片数模；
2）提取该实心叶片数模的中性层曲面；
3）使用得到的中性层曲面将实心叶片数模分割成两个独立数模，并分别导入有限元软件对两个独立数模划分网格；
4）对于两个独立数模相互接触的面，也就是中性层曲面分割产生的两个面上的网格节点进行绑定，使两部分上对应的节点具有相同的运动，使叶片作为一个整体进行变形；
5）在有限元软件中建立两个刚性面，定位这两个刚性面，使其位于叶片的外部，分别建立两个独立数模相互接触面上的每个网格节点与这两个刚性面之间的接触关系；
6）在有限元软件中对叶尖部分施加扭矩，使其反向扭转至近似平板；
7）使两个刚性平面相向运动，将分割产生的两个曲面夹平，使得分割面带动整个叶片被展平；
8）按照展平后得到的网格，重建叶片毛坯数模。
所述步骤2）中实心叶片数模的中性层曲面提取过程为：采用若干平行面与实心叶片数模相交，得到若干截面轮廓；再对于每一个截面轮廓，采用若干平行线与截面轮廓相交，得到若干交线，使用样条曲线拟合所有交线的中点，得到该截面的中性线；最后做出所有截面轮廓的中性线，将所有中性线混合得到实心叶片的中性层曲面。
所述步骤5）中所有接触中不计摩擦的影响。
本发明的有益效果在于：首先，可以使叶片的展平过程中遵循实际的弯扭变形过程，更加符合成形中叶片的变形方式，展平计算中有效地保护了叶型曲面不受破坏，能够得到中性面为平面的展平毛坯数模；其次，本发明方法计算得到的展平毛坯数模，在后续的弯扭、模压成形后得到的成品外形准确，无明显缺陷，加工余量分布均匀，符合了相关工艺要求；再者，本发明可以应用于各类叶片的模压、弯扭成形之前的毛坯形状计算，能够得到准确的平板毛坯形状，为数控加工提供了数据。
附图说明
图1为展平前叶片数模示意图。
图2为中性层分割叶片数模示意图。
图3为分开后的两部分示意图。
图4为导入有限元软件后装配示意图。
图5为展平后经过重建的叶片数模示意图。
其中，1为提取的中性层曲面，2为分割产生的曲面，3为分割产生的曲面，4为上刚性表面，5为下刚性表面。
具体实施方式
现以钛合金空心叶片近净成形展平毛坯为实施例，结合附图，介绍将叶片展平还原至平板毛坯的计算步骤：
1.依据成品空心叶片数模(图1)，提取其外部曲面，构建与之外形相同的实心叶片数模；
2.采用若干平行面与实心数模相交，得到若干截面轮廓。对于每一个截面轮廓，采用若干平行线与截面轮廓相交，得到若干交线，并使用样条曲线拟合所有交线的中点，得到该截面的中性线。做出所有截面轮廓的中性线。将所有中性线混合得到实心叶片的中性层曲面1（图2）；
3.使用得到的中性曲面将实心叶片数模分割成两部分，形成分割产生的两个曲面2、3，再分别导入有限元软件建立两个独立的数模（图3）；
4.在有限元软件中将分割产生的两个独立的数模进行定位，使其与原始位置相同，并分别为这两部分划分网格；
5.对于这两部分相互接触的面，也就是中性层曲面分割产生的两个面上的网格节点进行绑定，使两部分上对应的节点具有相同的运动，即使叶片作为一个整体进行变形；
6.在有限元软件中建立两个刚性面4、5，其尺寸略大于展平后的平板毛坯外轮廓投影。定位这两个刚性面，使其位于叶片的外部。分别建立每个分割产生的面上的网格节点与两个刚性面之间的接触关系。所有接触中不计摩擦的影响（图4）；
7.在有限元软件中对叶尖部分施加扭矩，使其反向扭转至近似平板。之后令上下刚性面相向运动，将分割产生的面夹平，分割面带动整个叶片被展平（图5）；
8. 按照展平后得到的网格，重建叶片毛坯数模。
本发明提供了一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和调整，这些改进和调整也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1）依据成品空心叶片数模，提取其外部曲面，构建与之外形相同的实心叶片数模；
2）提取该实心叶片数模的中性层曲面；
3）使用得到的中性层曲面将实心叶片数模分割成两个独立数模，并分别导入有限元软件对两个独立数模划分网格；
4）对于两个独立数模相互接触的面，也就是中性层曲面分割产生的两个面上的网格节点进行绑定，使两部分上对应的节点具有相同的运动，使叶片作为一个整体进行变形；
5）在有限元软件中建立两个刚性面，定位这两个刚性面，使其位于叶片的外部，分别建立两个独立数模相互接触面上的每个网格节点与这两个刚性面之间的接触关系；
6）在有限元软件中对叶尖部分施加扭矩，使其反向扭转至近似平板；
7）使两个刚性平面相向运动，将分割产生的两个曲面夹平，使得分割面带动整个叶片被展平；
8）按照展平后得到的网格，重建叶片毛坯数模。
2.根据权利要求1所述的空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，其特征在于：所述步骤2）中实心叶片数模的中性层曲面提取过程为：采用若干平行面与实心叶片数模相交，得到若干截面轮廓；再对于每一个截面轮廓，采用若干平行线与截面轮廓相交，得到若干交线，使用样条曲线拟合所有交线的中点，得到该截面的中性线；最后做出所有截面轮廓的中性线，将所有中性线混合得到实心叶片的中性层曲面。
3.根据权利要求1或2所述的空心叶片近净成形展平毛坯计算方法，其特征在于：所述步骤5）中所有接触中不计摩擦的影响。
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