CN103778308A - 叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷辊轧成形模具设计技术领域，具体为一种叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，包括基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计、基于拓扑补偿的模具型面重构设计、基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计。首先通过虚拟成形确定叶片冷辊轧后的变形误差；再利用拓扑补偿技术进行叶片型面的反变形误差补偿设计，实现辊轧模型面的几何重构；最后根据虚拟修模的试模情况与叶片设计的几何要求进行对比，采用双目标模糊优化算法（DOFO）实现无余量冷辊轧叶片加工模具的全局优化设计，解决叶片辊轧模具型面设计简单考虑回弹补偿导致试修模次数多、废品率高、设计周期长等问题，以此为基础实现叶片无余量冷辊轧成形。

Description

叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于虚拟成形拓扑补偿的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，属于冷辊轧成形模具设计技术领域。

背景技术

随着现代工业的发展，在高性能、高指标的推动下，一些零件面临着复杂型面精密加工的制造难题。如：发动机叶片的特点是叶身薄，前、后缘半径小，型面扭曲，叶身型面和边缘半径的允许偏差十分严格。通过冷辊轧方式实现叶片的近净成形是一种先进的叶片制造技术，中国发明专利（专利号200710157510.X）介绍了一种GH150合金高压压气机动、静叶片冷辊轧工艺。中国发明专利（专利号200710159074.X）提出了一种轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法，通过叶片型面的处理以及与轧模截面的换算来实现叶片辊轧盆模和背模主要项目的设计。虽然，在该设计方法中考虑了叶片的辊轧方向、平衡角、中截面、型面边缘及轧模咬口和出口的设计问题，但由于没有考虑加工变形补偿，加之叶片形状的特殊性，其辊轧过程不同于平板轧制，工件和模具的受力情况都很复杂，容易出现侧向弯曲、型槽不易充满、叶身型面失真等工艺缺陷，这些问题严重影响了产品质量，增加了试修模次数并限制了叶片真正实现无余量加工。

孔祥伟等[范群，孔祥伟，张岩.叶片辊锻回弹及模具补偿研究.舰船电子工程，2013，229（7）：139-142]提出基于对应点矢量方向反向偏移的回弹补偿法对辊锻模具进行补偿控制，但该方法未考虑材料流动带来的变形误差，且由于基于型面上逐点的局部补偿，在精度和效率上都存在问题。

为实现叶片等复杂型面零件无余量辊轧加工，必须建立考虑模具型面拓扑补偿的设计方法。目前应用较多的还是根据经验方法预测加工变形误差，进而对模具型面进行补偿设计，在实际生产中还需要一系列的试验与修正。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟成形拓扑补偿的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，可解决现有技术中叶片辊轧模具型面设计简单考虑回弹补偿导致试修模次数多、废品率高、设计周期长的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，该设计方法包括基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计方法、基于拓扑补偿的模具型面重构设计方法和基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计方法；为获得精确的无余量辊轧模几何设计，首先通过虚拟成形确定叶片冷辊轧后的变形误差；再利用拓扑补偿技术进行叶片型面的反变形误差补偿设计，实现辊轧模型面的几何重构；最后根据虚拟修模的试模情况与叶片设计的几何要求进行对比，采用双目标模糊优化算法实现无余量冷辊轧叶片加工模具的全局优化设计。

所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计方法包括如下步骤：

a)确定冷辊轧成形的工艺参数；

b)根据《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》设计出盆模和背模的基础型面；

c)对盆模、背模和叶片预制坯模型划分网格，进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构。

所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，冷辊轧成形的工艺参数包括辊轧模宽度、轧辊转速、型槽圆心角和摩擦因子等。

所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，基于拓扑补偿的模具型面重构设计方法包括以下步骤：

a)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第一轮扭转变形误差和弯曲变形误差；

b)根据扭转变形误差和弯曲变形误差采用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计方法包括以下步骤：

a)利用盆模和背模的重构型面在相同的工艺参数下再次进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构；

b)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第二轮扭转变形误差和弯曲变形误差，检验以上变形误差是否满足叶片精度要求；

c)如不满足精度要求，以扭转变形误差和弯曲变形误差为目标函数，以第一轮和第二轮的扭转变形误差和弯曲变形误差为初始样本点集，以满足以上变形误差符合叶片精度要求为PID控制终止条件，采用双目标模糊优化算法DOFO计算新的样本点集；

d)根据计算获得的扭转变形误差和弯曲变形误差利用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

本发明的优点及有益效果是：

本发明设计方法包括基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面的初始设计、基于拓扑补偿的模具型面重构设计、基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计。本发明是在基于几何截面换算基础上未考虑变形误差补偿无余量冷辊轧叶片加工模具设计中，引入虚拟成形、拓扑补偿、型面重构、虚拟修模和模糊优化方法，采用本发明的设计方法可以减少试修模次数、降低废品率、缩短设计周期，为叶片无余量冷辊轧加工模具设计提供了一种新方法。

附图说明

图1为本发明原理框图。

图2为叶片的外貌示意图。

图3为盆模和背模的基础型面示意图。图中，1盆模；2背模。

图4为冷辊轧成形过程有限元模型图。图中，1盆模；2背模；3叶片。

图5为叶片的空间拓扑结构示意图。

图6（a）-图6（b）为补偿前各截面的扭转误差量t_I和弯曲误差量r_I示意图。其中，图6（a）扭转误差量t_I曲线；图6（b）弯曲误差量r_I曲线。

图7为完成补偿后的模具型面图。图中，1盆模；2背模。

图8为轧制叶片的空间拓扑结构示意图。

图9（a）-图9（b）为补偿后各截面的扭转误差量t_II和弯曲误差量r_II示意图。其中，图9（a）扭转误差量t_II曲线；图9（b）弯曲误差量r_II曲线。

图10为双目标模糊优化算法DOFO（Double Objective Fuzzy Optimization）计算新的样本点集流程图。

图11（a）-图11（b）为经模糊优化后的扭转误差补偿量T和弯曲误差补偿量R示意图。其中，图11（a）扭转误差补偿量T曲线；图11（b）弯曲误差补偿量R曲线。

图12为利用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿示意图。图中，1盆模；2背模。

图13为经修边处理后叶片示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法包括：基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计、基于拓扑补偿的模具型面重构设计、基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计三个阶段。第一阶段基于虚拟成形的复杂型面零件冷辊轧模具型面的初始设计作为第二阶段基于拓扑补偿的模具型面重构设计的输入。第二阶段基于拓扑补偿的模具型面重构设计作为第三阶段基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计的输入。在变形误差不满足叶片设计几何精度要求的条件下，第三阶段形成内循环响应，直至最终轧制叶片变形误差满足精度要求，获得优化的冷辊轧叶片模具型面设计方案。其中，

基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计方法完成基于冷辊轧模具基础型面的虚拟成形过程仿真，包括如下步骤：

a)确定冷辊轧成形的工艺参数，包括辊轧模宽度、轧辊转速、型槽圆心角和摩擦因子等；

b)根据《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》设计出盆模和背模的基础型面；

c)对盆模、背模和叶片预制坯模型划分网格，进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构。

其中，《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》参见：刘随建、崔树森、李深亮、杨景金、郑渠英等人的中国发明专利ZL200710159074.X“轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法”。

基于拓扑补偿的模具型面重构设计完成冷辊轧模具型面的拓扑补偿计算以及补偿后的模具型面重构工作，包括如下步骤：

a)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第一轮扭转变形误差和弯曲变形误差；

b)根据扭转变形误差和弯曲变形误差采用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计完成基于重构型面的虚拟成形过程仿真以及根据变形误差修正模糊优化模具型面设计，包括以下步骤：

a)利用盆模和背模的重构型面在相同的工艺参数下再次进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构；

b)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第二轮扭转变形误差和弯曲变形误差，检验以上变形误差是否满足叶片精度要求；

c)如不满足精度要求，以扭转变形误差和弯曲变形误差为目标函数，以第一轮和第二轮的扭转变形误差和弯曲变形误差为初始样本点集，以满足以上变形误差符合叶片精度要求为PID控制终止条件，采用双目标模糊优化算法DOFO计算新的样本点集；

d)根据计算获得的扭转变形误差和弯曲变形误差利用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

实施例：GH4169合金发动机压气机转子叶片冷辊轧模具的设计

本实施例是对无余量辊轧模的精确几何型面进行设计和优化，参照附图2-13对本发明做进一步说明。以GH4169合金发动机压气机转子叶片的冷辊轧模具型面为设计目标，叶片的外貌如图2所示。

该型叶片无余量辊轧模的设计优化过程包括如下步骤：

1、确定冷辊轧成形的工艺参数，包括辊轧模宽度50-55mm、轧辊转速0.3rad/s、型槽圆心角60°和摩擦因子0.15。

2、根据《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》设计出盆模1和背模2的基础型面如图3所示。其中，《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》参见刘随建、崔树森、李深亮、杨景金、郑渠英等人的中国发明专利ZL200710159074.X“轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法”。

3、对盆模1、背模2和叶片3预制坯模型划分网格，建立冷辊轧成形过程有限元模型，如图4所示。

4、进行有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构，如图5所示。

5、将该拓扑结构离散化并与叶片的设计结构进行比较，获得第一轮扭转变形误差和弯曲变形误差。根据扭转变形误差和弯曲变形误差采用反向逼近分别对盆模1和背模2的基础型面进行拓扑补偿，分别如图6（a）和图6（b）所示。

6、完成盆模1和背模2的基础型面补偿后，模具型面的重构设计与光顺，如图7所示。

7、利用盆模和背模的重构型面在相同的工艺参数下，再次进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构，如图8所示；

8、将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第二轮扭转变形误差和弯曲变形误差。经检验以上变形误差不能满足叶片精度要求，如图9（a）和图9（b）所示。

9、以扭转变形误差t和弯曲变形误差r为目标函数，以第一轮和第二轮的扭转变形误差（t_I、t_II）和弯曲变形误差（r_I、r_II）为初始样本点集，以满足以上变形误差符合叶片精度要求为PID控制终止条件，采用双目标模糊优化算法DOFO计算新的样本点集。如图10所示，双目标模糊优化算法DOFO计算新的样本点集流程如下，输入初始样本点集t_Ⅰ、r_Ⅰ、t_Ⅱ、r_Ⅱ→计算偏差集：ec₁=t_Ⅱ-t_Ⅰ；ec₂=r_Ⅱ-r_Ⅰ→赋值t_Ⅲ=t_Ⅱ；r_Ⅲ=r_Ⅱ→ec₁、ec₂、t_Ⅲ、r_Ⅲ模糊化→模糊正定ΔK_p、ΔK_Ⅰ、ΔK_D→计算当前的K_p、K_Ⅰ、K_D→PID控制运算→输出样本点集T和R。其中，t_Ⅰ为各截面第一轮扭转变形误差量，t_Ⅱ为各截面第二轮扭转变形误差量，t_Ⅲ为扭转变形误差中间赋值量，r_Ⅰ为各截面第一轮弯曲变形误差量，r_Ⅱ为各截面第二轮弯曲变形误差量，r_Ⅲ为弯曲变形误差中间赋值量，ec₁为各截面扭转变形误差偏差量，ec₂为各截面弯曲变形误差偏差量，K_p为PID控制器的比例系数，K_Ⅰ为PID控制器的积分系数，K_D为PID控制器的微分系数，ΔK_p为误差比例，ΔK_Ⅰ为误差积分，ΔK_D为误差微分，T为优化后各截面扭转误差补偿量，R为各截面弯曲误差补偿量。

10、根据计算获得的扭转变形误差T和弯曲变形误差R利用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，分别如图11（a）和图11（b）所示。

11、完成盆模1和背模2的基础型面补偿后，模具型面的重构设计与光顺，如图12所示。

12、利用设计优化后的冷辊轧模具加工的叶片，经修边处理后如图13所示。经检验，满足设计精度要求。

实施例结果表明，为获得精确的无余量辊轧模几何设计，本发明首先通过虚拟成形确定叶片冷辊轧后的变形误差；再利用拓扑补偿技术进行叶片型面的反变形误差补偿设计，实现辊轧模型面的几何重构；最后根据虚拟修模的试模情况与叶片设计的几何要求进行对比，采用双目标模糊优化算法（DOFO）实现无余量冷辊轧叶片加工模具的全局优化设计。

Claims (5)

1.一种叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，其特征在于，该设计方法包括基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计方法、基于拓扑补偿的模具型面重构设计方法和基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计方法；为获得精确的无余量辊轧模几何设计，首先通过虚拟成形确定叶片冷辊轧后的变形误差；再利用拓扑补偿技术进行叶片型面的反变形误差补偿设计，实现辊轧模型面的几何重构；最后根据虚拟修模的试模情况与叶片设计的几何要求进行对比，采用双目标模糊优化算法实现无余量冷辊轧叶片加工模具的全局优化设计。

2.按照权利要求1所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，其特征在于，基于虚拟成形的冷辊轧叶片模具型面初始设计方法包括如下步骤：

a)确定冷辊轧成形的工艺参数；

b)根据《轧制无余量叶片用辊轧模的设计方法》设计出盆模和背模的基础型面；

c)对盆模、背模和叶片预制坯模型划分网格，进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构。

3.按照权利要求1所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，其特征在于，冷辊轧成形的工艺参数包括辊轧模宽度、轧辊转速、型槽圆心角和摩擦因子等。

4.按照权利要求1所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，其特征在于，基于拓扑补偿的模具型面重构设计方法包括以下步骤：

a)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第一轮扭转变形误差和弯曲变形误差；

b)根据扭转变形误差和弯曲变形误差采用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

5.按照权利要求1所述的叶片无余量冷辊轧加工模具的拓扑补偿模糊优化设计方法，其特征在于，基于虚拟修模的模具型面模糊优化设计方法包括以下步骤：

a)利用盆模和背模的重构型面在相同的工艺参数下再次进行冷辊轧成形过程的有限元分析，获得轧制叶片的空间拓扑结构；

b)将该拓扑结构离散化并与叶片设计结构进行比较，获得第二轮扭转变形误差和弯曲变形误差，检验以上变形误差是否满足叶片精度要求；

c)如不满足精度要求，以扭转变形误差和弯曲变形误差为目标函数，以第一轮和第二轮的扭转变形误差和弯曲变形误差为初始样本点集，以满足以上变形误差符合叶片精度要求为PID控制终止条件，采用双目标模糊优化算法DOFO计算新的样本点集；

d)根据计算获得的扭转变形误差和弯曲变形误差利用反向逼近分别对盆模和背模的基础型面进行拓扑补偿，完成补偿后模具型面的重构设计与光顺。

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