CN104331560A - 一种辊轧模具型面补偿设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种辊轧模具型面补偿设计的方法，包括以下三个部分内容：(1)单一截面上的轧制塑性回弹变形补偿；(2)大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿；(3)沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿；本发明的有益效果是：辊轧模具型面采用截面回弹补偿、叶片扭角回弹补偿和叶片叶身弯度补偿等三种补偿设计方法可大大较少辊轧模具的修模量，缩短叶片研制周期，降低修模难度，并取得了良好的效果。

Description

一种辊轧模具型面补偿设计的方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片辊轧加工技术，特别是涉及叶片辊轧模具的设计方法。

背景技术

叶片无余量精密冷辊轧是一种先进的叶片型面加工方法，由于其制造成本低、生产效率高以及可实现产品的组织性能较常规制造工艺更为优异等特点，倍受发达国家的重视。对此，以俄罗斯各大航空发动机制造公司为代表的新型发动机高压压气机叶片的制造几乎全部为“精密毛料+无余量辊轧”工艺。

常规的辊轧模具的设计方法适用于型面较平直，扭角小且进排气边呈线性收敛的叶片。随着提升发动机性能的要求，叶片多采用三元流设计，叶型呈变化剧烈、扭角大、端弯严重且进排气边缘呈腰鼓形的特点。按常规的辊轧模具设计方法设计的辊轧模具在使用过程中暴露出型面变形严重，模具需要较长的修理周期。通过大量轧制试验和测量数据对比分析，辊轧叶片的轧制误差主要表现在以下三个方面：

1.单一截面上的轧制塑性回弹变形，导致截面型面偏离设计要求；

2.大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形，导致叶片间的扭角偏离设计要求；

3.沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形，导致叶片截面间的位置度偏离设计要求。

发明内容

为了提升辊轧模具的设计水平，减少辊轧模具的修模量，降低修模试片的消耗，缩短叶片的研制和生产周期，需要一种依据此类叶片的变形规律的叶片辊轧模具型面补偿设计的方法。本发明目的是提升辊轧模具的设计水平，使补偿设计后的辊轧模具所轧制的叶片更接近设计要求，减少辊轧模具的修模量，降低修模试片的消耗，缩短叶片的研制和生产周期。具体技术方案如下：

1.一种辊轧模具型面补偿设计的方法，其特征在于：包括以下三个部分内容：

(1)单一截面上的轧制塑性回弹变形补偿；

(2)大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿；

(3)沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿；

所述单一截面上的轧制塑性回弹变形补偿的具体方式是：

叶片轧制后截面产生回弹，叶型的曲率变小，在模具设计过程中预先将叶型的曲率人为的增大，也就是预先设定一个叶片截面的回弹量，在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出截面的补偿量Δ，然后进行辊轧模具设计，其步骤为：

步骤一：按设计图给定的型面坐标，绘制出叶片的截面图形，然后绘制出叶片截面的中弧线；中弧线的画法可以采用绘制叶片截面内切圆后连接圆心，也可以采用程序计算求出中弧线；

步骤二：将中弧线的按弧长分为等长的三部分，记为进气段、中间段和排气段；

步骤三:将进气段和排气段按等弧长分为N段，N＝Δ/A,A＝0.01～0.03mm；标记每小段的端点，在进气段和排气段分别有N+1个端点，依次标记为P_进0、P_进1、P_进2……P_进N和P_排0、P_排1、P_排2……P_排N；P_进0为进气段上远离进气边缘的点，P_排0为排气边上远离排气边缘的点；

步骤四:求出中弧线上每个端点位置的内切圆直径，依次与相应的端点对应标记为D_进0、D_进1、D_进2……D_进N和D_排0、D_排1、D_排2……D_排N；

步骤五:以端点P_进1、P_排1为圆心绘制半径Amm的圆标记为“进O1、排O1”，以端点P_进2、P_排2为圆心绘制半径2Amm的圆记为“进O2、排O2”，依次类推，最终以端点P_进N、P_排N为圆心绘制半径Δmm的圆记为“进O_N、排O_N”；

步骤六:使用二维绘图软件的切点自动捕捉功能用中间段中弧线依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点，构造出新的中弧线；

步骤七:在对应的切点为圆心位置绘制圆，如以圆O1切点为圆心绘制直径为D_进1圆，以圆O₂切点为圆心绘制直径为D_进2圆；

步骤八:使用二维绘图软件的切点自动捕捉功能用中间段叶片截面依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点，构造出新的截面叶型，新的截面叶型曲率增大，将轧制过程中产生的回弹变形补偿到新构造的叶型中；

步骤九:对新构造的叶片型面按常规的辊轧模具的设计方法进行设计；

所述大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿方法为：

在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出叶片扭转回弹变形补偿量β，根据所确定出叶片扭转回弹变形补偿量β进行叶片补偿设计，其步骤为：

步骤一：根据叶片设计图给定的叶片弦切角，查出叶根部位的叶片弦切角记为β_根，叶片截面记为A_根，叶片截面距记为L_根；叶尖部位的叶片弦切角记为β_尖，叶片截面记为A_尖，叶片截面距记为L_尖；叶片中间部位的叶片变化最大弦切角记为β_中，叶片截面记为A_中，叶片截面距记为L_中；叶根或叶尖部位有多个截面具有相同的弦切角，则取距叶片中间部位最近的截面；

步骤二：计算每个截面需要补偿的角度，计算分为两部分进行；第一部分为A_根至A_中截面，第二部分为A_中至A_尖截面；

步骤三:计算第一部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*(L_补-L_根)/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加或相减，达到补偿截面扭角增大的目的；所需补偿截面的截面距记为L_补，补偿的角度记为β_补；

步骤四:计算第二部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加或相减，达到补偿截面扭角增大的目的；

步骤五:按补偿弦切角后的叶片进行辊轧模具设计；

所述沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿方法为：

在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿量h，根据所确定出沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿量h进行叶片补偿设计，其步骤为：

步骤一：根据叶片设计图给定的型面数据，按照叶片辊轧模具常规的设计方法确定叶片轧制的Z轴，计算在X、Z轴构成的平面内，每个截面中心位置到X、Z轴构成平面的距离记为h_截，求出叶片中间部位距离最大的值记为h_中，叶尖部位的值记为h_尖，叶根部位的值记为h_根；

步骤二：计算每个截面需要补偿的距离，计算分为两部分进行；第一部分为A_根至A_中截面，第二部分为A_中至A_尖截面；

步骤三:计算第一部分每个截面的补偿距离：h_补＝h*(L_补-L_根)/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将h_补与原有的截面的距离相加或相减，达到补偿叶身弯曲回弹的目的；

步骤四:计算第二部分每个截面的补偿高度：h_补＝h*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将h_补与原有的截面的距离相加或相减，达到补偿叶身弯曲回弹的目的。

本发明的有益效果是：

辊轧模具型面采用截面回弹补偿、叶片扭角回弹补偿和叶片叶身弯度补偿等三种补偿设计方法可大大较少辊轧模具的修模量，缩短叶片研制周期，降低修模难度，并取得了良好的效果。

附图说明

图1为叶形图；

图2为进气段示意图；

图3为排气段示意图；

图4为进气段圆心绘制示意图；

图5为排气段圆心绘制示意图；

图6为新构建中弧线示意图；

图7为新构建叶形图；

图8为叶片尖部截面示意图；

图9为叶片中部截面示意图；

图10为叶片根部截面示意图；

图11为叶片截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，如图1-图11所示，某叶片根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出截面回弹的补偿量Δ＝0.05mm、扭角回弹补偿角度β＝0.5°、沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿量h＝0.2mm。其他参数见表1，

表1

截面号	截面距	弦切角(°)	偏离中心线值h(mm)
				Ⅰ	0	21.2	0.1
Ⅱ	4.5	20.8	0.12
				Ⅲ	7.5	18.5	0.3
Ⅳ	10.5	16.7	0.4
				Ⅴ	15	14.5	0.5
Ⅵ	17	15.5	0.45
				Ⅶ	21	16.2	0.39
Ⅷ	25	17.1	0.25
				Ⅸ	27	19.3	0.20
Ⅹ	29	20.1	0.1
				Ⅺ	31	20.7	0.07

具体实施方法是：

1、单一截面上的轧制塑性回弹的变形补偿

①按设计图给定的型面坐标，绘制出叶片的截面图形，然后绘制出叶片截面的中弧线。

②将中弧线的按弧长分为等长的三部分，记为进气段、中间段和排气段。

③将进气段和排气段按等弧长分为5段，5＝0.05mm/0.01mm,标记每小段的端点，在进气段和排气段分别有6个端点，依次标记为P_进0、P_进1、P_进2……P_{进 5}和P_排0、P_排1、P_排2……P_排5。P_进0为进气段上远离进气边缘的点，P_排0为排气边上远离排气边缘的点。

④求出中弧线上每个端点位置的内切圆直径，依次与相应的端点对应标记为D_进0、D_进1、D_进2……D_进5和D_排0、D_排1、D_排2……D_排5。

⑤以端点P_进1、P_排1为圆心绘制半径0.01mm的圆标记为O₁，以端点P_进2、P_排2为圆心绘制半径0.02mm的圆记为O₂，依次类推，最终以端点P_进5、P_排5为圆心绘制半径0.05mm的圆记为O₅。

⑥用中间段中弧线依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点(使用二维绘图功能的切点自动捕捉功能)，构造出新的中弧线。

⑦在对应的切点为圆心位置绘制圆，如以圆O₁切点为圆心绘制直径为D_{进 1}圆，以圆O₂切点为圆心绘制直径为D_进2圆。

⑧用中间段叶片截面依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点(使用二维绘图功能的切点自动捕捉功能)，构造出新的截面叶型，新的截面叶型曲率增大，将轧制过程中产生的回弹变形补偿到新构造的叶型中。

⑨对新构造的叶片型面按常规的辊轧模具的设计方法进行设计。

2、大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿

叶片扭转回弹变形补偿量β＝0.5°

a)根据叶片设计图给定的叶片弦切角，查出叶根部位的叶片弦切角记为β根＝21.2°，叶片截面记为A_Ⅰ，叶尖部位的叶片弦切角记为β尖＝20.7°，叶片截面记为A_Ⅺ，叶片中间部位的叶片变化最大弦切角记为β中＝14.5°，叶片截面记为A_Ⅴ。

b)计算每个截面需要补偿的角度，计算分为两部分进行。第一部分为A_Ⅰ至A_Ⅴ，第二部分为A_Ⅴ至A_Ⅺ；

c)计算第一部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*L_补/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加。

β_补Ⅰ＝0.5°*0/15＝0°

β_补Ⅱ＝0.5°*4.5/15＝0.15°

β_补Ⅲ＝0.5°*7.5/15＝0.25°

β_补Ⅳ＝0.5°*10.5/15＝0.35°

β_补Ⅴ＝0.5°*15/15＝0.5°

d)计算第二部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加。

β_补Ⅵ＝0.5°*14/16＝0.4375°

β_补Ⅶ＝0.5°*10/16＝0.3125°

β_补Ⅷ＝0.5°*6/16＝0.1875°

β_补Ⅸ＝0.5°*4/16＝0.125°

β_补Ⅹ＝0.5°*2/16＝0.0625°

β_补Ⅺ＝0.5°*0/16＝0°

e)将补偿后的叶片弦切角进行辊轧模具设计。

2)沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿计算

按沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿量h＝0.2mm

①根据叶片设计图给定的型面数据，按照叶片辊轧模具常规的设计方法确定叶片轧制的Z轴，计算在Z轴平面内，每个截面中心位置到Z轴的距离记为h_截，求出与Z轴距离最大的中间的值记为h_中，叶尖部位的值记为h_尖，叶根部位的值记为h_根。

②计算每个截面需要补偿的高度，计算分为两部分进行。第一部分为A根至A中截面，第二部分为A中至A尖截面。

③计算第一部分每个截面的补偿高度：h_补＝h*L_补/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将β补与原有的截面的弦切角相加。

h_补Ⅰ＝0.2*0/15＝0

h_补Ⅱ＝0.2*4.5/15＝0.006

h_补Ⅲ＝0.2*7.5/15＝0.1

h_补Ⅳ＝0.2*10.5/15＝0.14

h_补Ⅴ＝0.2*15/15＝0.2

④计算第二部分每个截面的补偿高度：h_补＝h*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将h_补与原有的截面的高度相加。

h_补Ⅵ＝0.2*14/16＝0.175

h_补Ⅶ＝0.2*10/16＝0.125

h_补Ⅷ＝0.2*6/16＝0.075

h_补Ⅸ＝0.2*4/16＝0.05

h_补Ⅹ＝0.2*2/16＝0.025

h_补Ⅺ＝0.2*0/16＝0°

补偿计算后的角度值和偏离中心线值见表2

表2

本实施例为将每个截面的补偿量将h_补、β_补与原有的截面的距离、弦切角相加；在实际生产中，可根据不同情况有时会采用相减的方法，在此不再赘述。

Claims (1)

1.一种辊轧模具型面补偿设计的方法，其特征在于：包括以下三个部分内容：

(1)单一截面上的轧制塑性回弹变形补偿；

(2)大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿；

(3)沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿；

所述单一截面上的轧制塑性回弹变形补偿的具体方式是：

叶片轧制后截面产生回弹，叶型的曲率变小，在模具设计过程中预先将叶型的曲率人为的增大，也就是预先设定一个叶片截面的回弹量，在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出截面的补偿量Δ，然后进行辊轧模具设计，其步骤为：

步骤一：按设计图给定的型面坐标，绘制出叶片的截面图形，然后绘制出叶片截面的中弧线；

步骤二：将中弧线的按弧长分为等长的三部分，记为进气段、中间段和排气段；

步骤三:将进气段和排气段按等弧长分为N段，N＝Δ/A,A＝0.01～0.03mm；标记每小段的端点，在进气段和排气段分别有N+1个端点，依次标记为P_进0、P_进1、P_进2……P_进N和P_排0、P_排1、P_排2……P_排N；P_进0为进气段上远离进气边缘的点，P_排0为排气边上远离排气边缘的点；

步骤四:求出中弧线上每个端点位置的内切圆直径，依次与相应的端点对应标记为D_进0、D_进1、D_进2……D_进N和D_排0、D_排1、D_排2……D_排N；

步骤五:以端点P_进1、P_排1为圆心绘制半径Amm的圆标记为“进O1、排O1”，以端点P_进2、P_排2为圆心绘制半径2Amm的圆记为“进O2、排O2”，依次类推，最终以端点P_进N、P_排N为圆心绘制半径Δmm的圆记为“进O_N、排O_N”；

步骤六:用中间段中弧线依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点，构造出新的中弧线；

步骤七:在对应的切点为圆心位置绘制圆，如以圆O1切点为圆心绘制直径为D_进1圆，以圆O₂切点为圆心绘制直径为D_进2圆；

步骤八:用中间段叶片截面依次向进气边和排气边两端连接新绘制的圆切点，构造出新的截面叶型，新的截面叶型曲率增大，将轧制过程中产生的回弹变形补偿到新构造的叶型中；

步骤九:对新构造的叶片型面按常规的辊轧模具的设计方法进行设计；

所述大扭角、深度弯曲处截面间的扭转回弹变形补偿方法为：

在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出叶片扭转回弹变形补偿量β，根据所确定出叶片扭转回弹变形补偿量β进行叶片补偿设计，其步骤为：

步骤一：根据叶片设计图给定的叶片弦切角，查出叶根部位的叶片弦切角记为β_根，叶片截面记为A_根，叶片截面距记为L_根；叶尖部位的叶片弦切角记为β_尖，叶片截面记为A_尖，叶片截面距记为L_尖；叶片中间部位的叶片变化最大弦切角记为β_中，叶片截面记为A_中，叶片截面距记为L_中；叶根或叶尖部位有多个截面具有相同的弦切角，则取距叶片中间部位最近的截面；

步骤二：计算每个截面需要补偿的角度，计算分为两部分进行；第一部分为A_根至A_中截面，第二部分为A_中至A_尖截面；

步骤三:计算第一部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*(L_补-L_根)/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加(减)，达到补偿截面扭角增大的目的；所需补偿截面的截面距记为L_补，补偿的角度记为β_补；

步骤四:计算第二部分每个截面的补偿角度：β_补＝β*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将β_补与原有的截面的弦切角相加或相减，达到补偿截面扭角回弹的目的；

步骤五:按补偿弦切角后的叶片进行辊轧模具设计；

所述沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿方法为：

在设计模具之前，需要根据坯料的状态、轧制变形量的大小和叶片截面的具体形状确定出沿叶身方向呈弓形弯曲的回弹变形补偿量h，根据所述补偿量h进行叶片补偿设计，其步骤为：

步骤一：根据叶片设计图给定的型面数据，按照叶片辊轧模具常规的设计方法确定叶片轧制的Z轴，计算在X、Z轴构成的平面内，每个截面中心位置到X、Z轴构成平面的距离记为h_截，求出叶片中间部位距离最大的值记为h_中，叶尖部位的值记为h_尖，叶根部位的值记为h_根；

步骤二：计算每个截面需要补偿的距离，计算分为两部分进行；第一部分为A_根至A_中截面，第二部分为A_中至A_尖截面；

步骤三:计算第一部分每个截面的补偿距离：h_补＝h*(L_补-L_根)/(L_中-L_根)；求出每个截面的补偿量后将h_补与原有的截面的距离相加或相减，达到补偿叶身弯曲回弹的目的；

步骤四:计算第二部分每个截面的补偿高度：h_补＝h*(L_尖-L_补)/(L_尖-L_中)；求出每个截面的补偿量后将h_补与原有的截面的距离相加或相减，达到补偿叶身弯曲回弹的目的。