CN103600012B - 一种无榫头深度端弯叶片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无榫头深度端弯叶片的制备方法，包括如下步骤：板材下料；组合铣粗轧预轧坯；粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片。还包括预轧坯料的确定及辊轧模具的设计。本发明是冷辊轧技术上的一次质的飞跃，可以解决无榫头叶片叶身型面手工抛修型面成本高，表面质量不稳定等难题，达到精轧前坯料与模具匹配的精化设计，最终实现叶片型面无切削水平，模具产出合格率高，成形稳定，辊轧叶片表面完整性好，性能优良，在高性能发动机所需的高性能叶片的制造方面具有广泛的、很好的应用前景。

Description

一种无榫头深度端弯叶片的制备方法

技术领域

本发明涉及材料成形领域，具体说是一种叶片的制备方法。

背景技术

用冷辊轧技术制造无榫头叶片是一种先进的叶片制造方法，倍受发达国家重视，目前实际生产中存在合格率低，辊轧成形不够稳定，叶片身型面需抛修等问题，存在粗、精轧中坯料与轧模的不匹配问题，还达不到叶身型面真正的无切削加工，最终叶片型面还需要人工通过抛修方法来抛修局部型面。

发明内容

针对现有的冷辊轧技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种科学合理的，可以实现无榫头叶片型面无切削的制备方法，解决了粗、精轧中坯料与轧模的匹配问题，具体解决方法是按体积不变原理和均匀变形原理，应用等相对压下量的设计原则，设计原始坯料及轧制前坯料的形状和尺寸，应用前滑理论设计预轧、精轧冷辊轧模具及预轧坯，指导模具产出合格率高，成形稳定，辊轧叶片表面完整性好，性能优良。

本发明提供的冷辊轧模具及坯料设计方法应用的基础原理是：冷辊轧变形中的体积不变原理；前滑原理和均匀变形原理。是针对无榫头叶片型面无切削冷辊轧成形的模具及预轧坯料的加工方法，具体技术方案如下：

一种无榫头深度端弯叶片的制备方法，包括如下步骤：板材下料；组合铣；粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片。

所述粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片步骤及辊轧模具设计的方法为：

1)精轧预轧坯的设计

(1)精轧预轧坯各截面图形的确定

①将叶片叶型选定的截面逆时针旋转α使选定的截面放平，其余截面做相应的旋转，旋转后与选定的截面相对扭角为零，即所有截面弦切线平行于旋转后的X＇轴；求出叶片各截面在X＇-Y＇坐标系中Xp＇、Yp＇值和Xb＇、Yb＇值；Xp＇、Yp＇值和Xb＇、Yb＇值为点p＇和b＇在X＇-Y＇坐标系中的坐标值；

②根据旋转后的理论坐标绘制各截面图，然后对应每X＇坐标计算出每一点的厚度h1；

③计算每对应点的h_0精预值；具体计算方法：

h_0精预＝k_精预h₁

△h＝h_0精预-h₁

k_精预为压缩系数

h_0精预为精轧预轧坯对应X＇点的坯料厚度；

④作精轧预轧坯型面截面图；每个Yp＇和Yb＇的绝对值加上对应点的_△h/2，即为Yp_0精预＇和Yb_0精预＇值，在图上作各截面对应的Yp_{0 精预}＇和Yb_0精预＇值，将每截面各点连接起来即为精轧预轧坯型面截面图；或采用下述方法：以h_0精预值为直径，以中弧线对应点为半径画圆，连接各圆外切线；

⑤作精轧预轧坯截面图；进、排气边各加宽0.5～1.5mm，并对进排气边缘进行修正，最后形成精轧预轧坯截面图形；

⑥将Xp＇、Yp＇、Xb＇、Yb＇，h₁、Yp_0精预＇、Yb_0精预＇、h_0精预用Excel做出“截面数据表Book l”；

(2)精轧预轧坯有效长度的确定

①计算各理论截面及预轧坯截面面积；

②计算精轧预轧坯的截面距：

$l_{\left(\mathrm{I\; II}\right)}^{\′}=\frac{(F_{\left(\mathrm{I\; I}\right)}+F_{\left(\mathrm{II\; II}\right)})}{(F_{\left(\mathrm{I\; I}\right)}^{\′}+F_{\left(\mathrm{II\; II}\right)}^{\′})}\×l_{\left(\mathrm{I\; II}\right)}$

l_(I II)——叶片Ⅰ-Ⅱ截面之间的距离；

l′_(I II)——精轧预轧坯Ⅰ-Ⅱ截面之间的距离；

F_(ⅠⅠ)——叶片Ⅰ-Ⅰ截面的截面积；

F′_(ⅠⅠ)——精轧预轧坯Ⅰ-Ⅰ截面的截面积；

F_(ⅡⅡ)——叶片Ⅱ-Ⅱ截面的截面积；

F′_(ⅡⅡ)——精轧预轧坯Ⅱ-Ⅱ截面的截面积；

③截面距也可以用下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_精预

④利用各截面距计算出叶身有效长度

确定有效长度后，叶片O截面外延5.5mm，最后截面外延长5mm；

则可计算出精轧预轧坯延长段长度；

⑤用Excel做出“预轧坯截面距及预轧坯长度数据表一Book2”；

⑥利用Book1和Book2的数据，采用Ug将精轧预轧坯叶身三维图画出，各截面相对选定的截面的扭角为0°；

2)精轧模设计

(1)将叶片叶身整体逆时针旋转一定的角度β，使选定的截面弦切线平行于新的X″轴；求出叶片各截面在X″-Y″坐标系中Xp″、Yp″和Xb″、Yb″值；边缘加宽0.5～1.0mm，

(2)模具型面坐标采用旋转后X″-Y″坐标系的型面坐标；

(3)模具型腔长度计算：

①模具有效长度：L_终型槽＝L_叶片/(1+S)

L_终型槽—叶片精轧模型槽有效长度

L_叶片—精轧后叶片的有效长度

S一前滑系数

②模具截面距：L_截面距＝L_{叶片截面距}/(1+S)

③前、后延长段模具型腔长度：

叶片叶根延长5.5mm，叶尖延长5mm；

延长段模具型腔长度：

L_{精型槽根延}＝L_叶片根延/(1+S)

L_{精型槽尖延}＝L_叶片尖延/(1+S)

④将Yp″和Yb″值，L_终型槽、L_截面距用Excel做出“精轧模数据表--Book3”；

3)粗轧预轧坯的设计

(1)粗轧预轧坯各截面图形的确定

①以精轧预轧坯为基础，计算每对应X＇点的h_0粗值；具体计算方法：h_0粗＝k_粗预h_0精预

h_0粗为粗轧预轧坯对应X＇点的坯料厚度；

k_粗预为粗轧预轧坯压缩系数，根据实际叶片进行选择；

②在精轧预轧坯图上找出各截面中弧线，测量各截面aq和ah曲线的长度；

③以沿X＇轴方向中弧线aq和ah的长度为底边，该长度为粗轧预轧坯的弦宽；对应各X＇坐标点以Y_粗预＇＝h_0粗值作图，连接各对应点即为粗轧预轧坯截面图图形；

(2)粗轧预轧坯有效长度的确定

①计算必要截面的精轧预轧坯和粗轧轧预轧坯的面积；

②根据精轧预轧坯的截面积和截面距以及粗轧预轧坯的截面面积计算粗轧预轧坯的截面距和坯料有效长度或按下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_粗预

叶身有效长度：l′_粗预＝l_精预/k_粗预

③延长段长度计算：

l′_粗预根延＝l_精预根延/k_粗预

l′_粗预尖延＝l_精预尖延/k_粗预

④采用Ug将粗轧预轧坯叶身三维图画出；

⑤将h_0精预、X＇、Y_粗预＇用Excel做出“粗轧坯数据表—Book4”；

4)粗轧模的设计

(1)采用X＇-Y＇坐标系，使X＇轴、Y＇轴分别与粗轧模型腔的X、Y轴重合；

(2)粗轧模型腔截面的坐标采用Yp_0精预＇和Yb_0精预＇值，即Book1表中相应的数据；

(3)模具型腔长度按以下公式计算：

粗轧模具有效长度：L_粗型槽＝L_精预/(1+S)

粗轧模具截面距：L_{粗型槽截面距}＝L_{精预截面距}/(1+S)

L_粗型槽为叶片粗轧模型槽有效长度

L_精预为精轧预轧坯的有效长度

S为前滑系数

(4)前、后延长段模具型腔长度

L_{粗型槽根延}＝L_精预根延/(1+S)

L_{粗型槽尖延}＝L_精预尖延/(1+S)。

所述压缩系数k_精预取1.2。

所述前滑系数S取3％。

所述粗轧预轧坯压缩系数k_粗预取1.3。

本发明的有益效果：本发明是冷辊轧技术的一次质的飞跃，可以解决无榫头叶片叶身型面手工抛修型面成本高，表面质量不稳定的问题，达到精轧前坯料与模具匹配的精化设计，最终实现叶片型面无切削水平，模具产出合格率高，成型稳定提高了叶片表面完整性及性能指标要求，可以满足高性能发动机研制和生产需要。

附图说明

图1为精轧预轧坯用坐标系X＇-Y＇示意图；

图2为叶片各截面在X＇-Y＇坐标系中Xp＇、Yp＇值和Xb＇、Yb＇值示意图；

图3为对应X＇坐标每一点的厚度的示意图；

图4为精轧预轧坯型面截面图；

图5为辊轧模用X″-Y″坐标系；

图6为aq和ah曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，如图1-图6所示，本发明包括如下步骤：板材下料；组合铣；粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片。所述粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片步骤及辊轧模具设计的方法为：

1)精轧预轧坯的设计

(1)精轧预轧坯各截面图形的确定

如图1、图2所示，①将叶片叶型选定的截面逆时针旋转α使选定的截面放平，其余截面做相应的旋转，旋转后与选定的截面相对扭角为零，即所有截面弦切线平行于旋转后的X＇轴；求出叶片各截面在X＇-Y＇坐标系中Xp＇、Yp＇值和Xb＇、Yb＇值；

②根据旋转后的理论坐标绘制各截面图，然后对应每X＇坐标计算出每一点的厚度h₁，如图3所示；

③计算每对应点的h_0精预值；具体计算方法：

h_0精预＝k_精预h₁

△h＝h_0精预-h₁

k_精预为压缩系数，选择实例叶片取：k_精预＝1.2

④如图4所示，作精轧预轧坯型面截面图；每个Yp＇和Yb＇的绝对值加上对应点的_△h/2，即为Yp_0精预＇和Yb_0精预＇值，在图上作各截面对应的Yp_0精预＇和Yb_0精预＇值，将每截面各点连接起来即为精轧预轧坯型面截面图；或采用下述方法：以h_0精预值为直径，以中弧线对应点为半径画圆，连接各圆外切线；

⑤作精轧预轧坯截面图；进、排气边各加宽0.5～1.5mm，本实例叶片取0.5mm，并对进排气边缘进行修正，最后形成精轧预轧坯截面图形；

⑥将Xp＇、Yp＇、Xb＇、Yb＇，h₁、Yp_0精预＇、Yb_0精预＇、h_0精预用Excel做出“截面数据表Book l”。

(2)精轧预轧坯有效长度的确定

①计算各理论截面及预轧坯截面面积；

②计算预轧坯的截面距：

$l_{\left(\mathrm{I\; II}\right)}^{\′}=\frac{(F_{\left(\mathrm{I\; I}\right)}+F_{\left(\mathrm{II\; II}\right)})}{(F_{\left(\mathrm{I\; I}\right)}^{\′}+F_{\left(\mathrm{II\; II}\right)}^{\′})}\×l_{\left(\mathrm{I\; II}\right)}$

l_(I II)——叶片Ⅰ-Ⅱ截面之间的距离；

l′_(I II)——精轧预轧坯Ⅰ-Ⅱ截面之间的距离；

F_(ⅠⅠ)——叶片Ⅰ-Ⅰ截面的截面积；

F′_(ⅠⅠ)——精轧预轧坯Ⅰ-Ⅰ截面的截面积；

F_(ⅡⅡ)——叶片Ⅱ-Ⅱ截面的截面积；

F′_(ⅡⅡ)——精轧预轧坯Ⅱ-Ⅱ截面的截面积。

③截面距也可以用下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_精预

④利用各截面距计算出叶身有效长度

确定有效长度后，叶片O截面外延5.5mm，最后截面外延长5mm；

则可计算出精轧预轧坯延长段长度；

⑤用Excel做出“预轧坯截面距及预轧坯长度数据表一Book2”；

⑥利用Book1和Book2的数据，采用Ug将精轧预轧坯叶身三维图画出，各截面相对选定的截面的扭角为0°。

2)精轧模设计

(1)将叶片叶身整体逆时针旋转一定的角度β，使选定的截面弦切线平行于新的X″轴；求出叶片各截面在X″-Y″坐标系中Xp″、Yp″和Xb″、Yb″值；边缘加宽0.5～1.0mm，本实例模具选择0.8mm。(2)模具型面坐标采用旋转后X″-Y″坐标系的型面坐标如图5所示；

(3)模具型腔长度计算：

①模具有效长度：L_终型槽＝L_叶片/(1+S)

L_终型槽—叶片精轧模型槽有效长度

L_叶片—精轧后叶片的有效长度

S一前滑系数，可取3％

②模具截面距：L_截面距＝L_{叶片截面距}/(1+S)

式中，L_{叶片截面距}—叶片截面距

③前、后延长段模具型腔长度：

叶片叶根L_叶片根延延长5.5mm，叶片叶尖L_叶片尖延延长5mm；

延长段模具型腔长度：精型槽根延(精轧模具型腔根部延伸)L_{精型槽根延}和精型槽尖延(精轧模具型腔叶尖延伸)L_{精型槽尖延}分别为：

L_{精型槽根延}＝L_叶片根延/(1+S)＝5.5÷1.03＝5.34mm；

L_{精型槽尖延}＝L_叶片尖延/(1+S)＝5.0÷1.03＝4.854mm；

④将Yp″和Yb″值，L_终型槽、L_截面距用Excel做出“精轧模数据表--Book3”。

3)粗轧预轧坯的设计

(1)粗轧预轧坯各截面图形的确定

①以精轧预轧坯为基础，计算每对应X＇点的h_0粗值；具体计算方法：h_0粗＝k_粗预h_0精预

h_0粗为粗轧预轧坯对应X＇点的坯料厚度；

k_粗预为粗轧预轧坯压缩系数，根据实际叶片进行选择，本实例叶片取1.3。

②在精轧预轧坯图上找出各截面中弧线，如图6所示，测量各截面aq和ah曲线的长度；

③以沿X＇轴方向中弧线aq和ah的长度为底边，该长度为粗轧预轧坯的弦宽；对应各X＇坐标点以Y_粗预＇＝h_0粗值作图，连接各对应点即为粗轧预轧坯截面图图形。

(2)粗轧预轧坯有效长度的确定

①计算必要截面的精轧预轧坯和粗轧轧预轧坯的面积；

②根据精轧预轧坯的截面积和截面距以及粗轧预轧坯的截面面积计算粗轧预轧坯的截面距和坯料有效长度或按下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_粗预

叶身有效长度：l′_粗预＝l_精预/k_粗预

③延长段长度计算：

l′_粗预根延＝l_精预根延/k_粗预＝4.583÷1.3＝3.526mm

l′_粗预尖延＝l_精预尖延/k_粗预＝4.167÷1.3＝3.205mm

④采用Ug将粗轧预轧坯叶身三维图画出；

⑤将h_0精预、X＇、Y_粗预＇用Excel做出“粗轧坯数据表—Book4”。

4)粗轧模的设计

(1)采用X＇-Y＇坐标系，使X＇轴、Y＇轴分别与粗轧模型腔的X、Y轴重合；

(2)粗轧模型腔截面的坐标采用Yp_0精预＇和Yb_0精预＇值，即Book1表中相应的数据；

(3)模具型腔长度按以下公式计算：

粗轧模具有效长度：L_粗型槽＝L_精预/(1+S)

粗轧模具截面距：L_{粗型槽截面距}＝L_{精预截面距}/(1+S)

L_粗型槽为叶片粗轧模型槽有效长度

L_精预为精轧预轧坯的有效长度

S为前滑系数，可取3％

(4)前、后延长段模具型腔长度

L_{粗型槽根延}＝L_精预根延/(1+S)＝4.583÷1.03＝4.45mm

L_{粗型槽尖延}＝L_精预尖延/(1+S)＝4.167÷1.03＝4.046mm

Claims (4)

1.一种无榫头深度端弯叶片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：板材下料；组合铣；粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片；

所述粗轧预轧坯；精轧预轧坯；精轧叶片步骤及辊轧模具设计的方法为：

1)精轧预轧坯的设计

(1)精轧预轧坯各截面图形的确定

①将叶片叶型选定的截面逆时针旋转α使选定的截面放平，其余截面做相应的旋转，旋转后与选定的截面相对扭角为零，即所有截面弦切线平行于旋转后的X′轴；求出叶片各截面在X′-Y′坐标系中Xp′、Yp′值和Xb′、Yb′值；Xp′、Yp′值和Xb′、Yb′值为点p′和b′在X′-Y′坐标系中的坐标值；

②根据旋转后的理论坐标绘制各截面图，然后对应每X′坐标计算出每一点的厚度h1；

③计算每对应点的h_0精预值；具体计算方法：

h_0精预＝k_精预h₁

Δh＝h_0精预-h₁

k_精预为压缩系数

h_0精预为精轧预轧坯对应X′点的坯料厚度；

④作精轧预轧坯型面截面图；每个Yp′和Yb′的绝对值加上对应点的Δh/2，即为Yp_0精预′和Yb_0精预′值，在图上作各截面对应的Yp_{0 精预}′和Yb_0精预′值，将每截面各点连接起来即为精轧预轧坯型面截面图；或采用下述方法：以h_0精预值为直径，以中弧线对应点为半径画圆，连接各圆外切线；

⑤作精轧预轧坯截面图；进、排气边各加宽0.5～1.5mm，并对进排气边缘进行修正，最后形成精轧预轧坯截面图形；

⑥将Xp′、Yp′、Xb′、Yb′，h₁、Yp_0精预′、Yb_0精预′、h_0精预用Excel做出“截面数据表Book1”；

(2)精轧预轧坯有效长度的确定

①计算各理论截面及预轧坯截面面积；

②计算精轧预轧坯的截面距：

$l_{\left(\begin{array}{cc}I& II\end{array}\right)}^{\′}=\frac{\left(F_{\left(\begin{array}{cc}I& I\end{array}\right)}+F_{\left(\begin{array}{cc}II& II\end{array}\right)}\right)}{\left(F_{\left(\begin{array}{cc}I& I\end{array}\right)}^{\′}+F_{\left(\begin{array}{cc}II& II\end{array}\right)}^{\′}\right)}\×l_{\left(\begin{array}{cc}I& II\end{array}\right)}$

l_(I II)——叶片I-II截面之间的距离；

l′_(I II)——精轧预轧坯I-II截面之间的距离；

F_(I I)——叶片I-I截面的截面积；

F′_(I I)——精轧预轧坯I-I截面的截面积；

F_(II II)——叶片II-II截面的截面积；

F′_(II II)——精轧预轧坯II-II截面的截面积；

③截面距也可以用下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_精预

④利用各截面距计算出叶身有效长度

确定有效长度后，叶片0截面外延5.5mm，最后截面外延长5mm；

则可计算出精轧预轧坯延长段长度；

⑤用Excel做出“预轧坯截面距及预轧坯长度数据表-Book2”；

⑥利用Book1和Book2的数据，采用Ug将精轧预轧坯叶身三维图画出，各截面相对选定的截面的扭角为0°；

2)精轧模设计

(1)将叶片叶身整体逆时针旋转一定的角度β，使选定的截面弦切线平行于新的X"轴；求出叶片各截面在X"-Y"坐标系中Xp"、Yp"和Xb"、Yb"值；边缘加宽0.5～1.0mm，

(2)模具型面坐标采用旋转后X"-Y"坐标系的型面坐标；

(3)模具型腔长度计算：

①模具有效长度：L_精型槽＝L_叶片/(1+S)

L_精型槽-叶片精轧模型槽有效长度

L_叶片-精轧后叶片的有效长度

S一前滑系数

②模具截面距：L_截面距＝L_{叶片截面距}/(1+S)

③前、后延长段模具型腔长度：

叶片叶根延长5.5mm，叶尖延长5mm；

延长段模具型腔长度：

L_{精型槽根延}＝L_叶片根延/(1+S)

L_{精型槽尖延}＝L_叶片尖延/(1+S)

④将Yp"和Yb"值，L_精型槽、L_截面距用Exccl做出“精轧模数据表--Book3”；

3)粗轧预轧坯的设计

(1)粗轧预轧坯各截面图形的确定

①以精轧预轧坯为基础，计算每对应X′点的h_0粗值；具体计算方法：h_0粗＝k_粗预h_0精预

h_0粗为粗轧预轧坯对应X′点的坯料厚度；

k_粗预为粗轧预轧坯压缩系数，根据实际叶片进行选择；

②在精轧预轧坯图上找出各截面中弧线，测量各截面中弧线aq和ah曲线的长度；

③以沿X′轴方向中弧线aq和ah的长度为底边，该长度为粗轧预轧坯的弦宽；对应各X′坐标点以Y_粗预′＝h_0粗值作图，连接各对应点即为粗轧预轧坯截面图图形；

(2)粗轧预轧坯有效长度的确定

①计算必要截面的精轧预轧坯和粗轧轧预轧坯的面积；

②根据精轧预轧坯的截面积和截面距以及粗轧预轧坯的截面面积计算粗轧预轧坯的截面距和坯料有效长度或按下式近似计算：

l′_(I II)＝l_(I II)/k_粗预

叶身有效长度：l′_粗预＝l_精预/k_粗预

③延长段长度计算：

l′_粗预根延＝l_精预根延/k_粗预

l′_粗预尖延＝l_精预尖延/k_粗预

④采用Ug将粗轧预轧坯叶身三维图画出；

⑤将h_0精预、X′、Y_粗预′用Excel做出“粗轧坯数据表-Book4”；

4)粗轧模的设计

(1)采用X′-Y′坐标系，使X′轴、Y′轴分别与粗轧模型腔的X、Y轴重合；

(2)粗轧模型腔截面的坐标采用Yp_0精预′和Yb_0精预′值，即Book1表中相应的数据；

(3)模具型腔长度按以下公式计算：

粗轧模具有效长度：L_粗型槽＝L_精预/(1+S)

粗轧模具截面距：L_{粗型槽截面距}＝L_{精预截面距}/(1+S)

L_粗型槽为叶片粗轧模型槽有效长度

L_精预为精轧预轧坯的有效长度

S为前滑系数

(4)前、后延长段模具型腔长度

L_{粗型槽根延}＝L_精预根延/(1+S)

L_{粗型槽尖延}＝L_精预尖延/(1+S)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述压缩系数k_{精 预}取1.2。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述前滑系数S取3％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述粗轧预轧坯压缩系数k_粗预取1.3。