CN104408236A - 建立辊轧叶片模具型腔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建立辊轧叶片模具型腔的方法，用于解决现有方法设计的辊轧叶片模具型腔精度差的技术问题。技术方案是对叶片设计前后缘添加余量、溢料边、叶尖叶根余量和工艺定位基准，建立辊轧叶片工艺模型。对工艺模型叶盆叶背曲面进行网格划分，分别提取叶盆叶背网格节点建立点集并编码。确定辊轧模具半径，对叶盆叶背曲面点集进行缠绕映射变换，获得辊轧模具凸模凹模型腔点集。基于工艺模型网格节点编码信息，建立模具型腔网格，对网格进行光顺优化，获得辊轧模具型腔曲面。由于从几何变换角度进行辊轧模具型腔设计，实现了辊轧叶片模具型腔自动建模，改变了依靠经验和修模设计辊轧模具的现状，提高了辊轧叶片模具型腔设计精度。

Description

建立辊轧叶片模具型腔的方法

技术领域

本发明涉及一种建立辊轧叶片模具型腔的方法。

背景技术

叶片辊轧精确成形技术是一种先进的叶片加工方法，以其生产效率高，尺寸精度高，组织性能好等优点，已成为航空发动机高压压气机叶片的重要加工方法。模具是辊轧成形的工具，辊轧模具型腔是影响辊轧叶片精度的最重要因素，辊轧模具型腔的建立是基于辊轧工艺模型，因此辊轧叶片工艺建模方法的合理性至关重要。

文献“专利公开号是CN 1887459A的中国发明专利”公开了一种变壁厚叶片制造方法及其辊轧成形装置，该方法提出了叶片辊轧成型方法，并设计了无扭曲楔形叶片辊轧模具和装置。该方法针对无扭曲叶片横轧，模具直接设计为圆柱形轧辊，而针对扭曲变厚度变化的压气机叶片，需要对叶片型面进行映射变换，简历叶片型面点—型腔型面点的一一对应，因此辊轧模具型腔为曲面。目前辊轧叶片模具型腔主要依靠叶片工艺添加和经验获取，其精度往往很难达到设计精度。因此提出合理的辊轧模具型腔建模方法，建立精确稳定的辊轧模具型腔，提高模具定型周期和使用寿命对压气机叶片制造高具有重要意义。

发明内容

为了克服现有方法设计的辊轧叶片模具型腔精度差的不足，本发明提供一种建立辊轧叶片模具型腔的方法。该方法对叶片设计前后缘添加余量、溢料边、叶尖叶根余量和工艺定位基准，建立辊轧叶片工艺模型。对工艺模型叶盆叶背曲面进行网格划分，分别提取叶盆叶背网格节点建立点集并编码。确定辊轧模具半径，对叶盆叶背曲面点集进行缠绕映射变换，获得辊轧模具凸模凹模型腔点集。基于工艺模型网格节点编码信息，建立模具型腔网格，对网格进行光顺优化，获得辊轧模具型腔曲面。由于从几何变换角度进行辊轧模具型腔设计，实现了辊轧叶片模具型腔自动建模，改变了依靠经验和修模设计辊轧模具的现状，提高了辊轧叶片模具型腔设计精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种建立辊轧叶片模具型腔的方法，其特点是采用以下步骤：

步骤1：启动UG NX7.0建模模块，导入压气机叶片模型3，叶尖沿着叶身反方向延拓截面线内切圆最大直径的一半即Cmax/2，形成叶尖工艺过渡2，建立叶根工艺过渡4。提取叶尖工艺过渡2尖端截面线将其沿着叶身反向偏移，并通过偏置截面线组建立实体形成叶尖工艺补偿1。提取叶根工艺过渡4根端截面线将其沿着叶身反向偏移，并通过偏置截面线组建立实体形成叶根工艺补偿5。使用布尔和运算将叶片与叶尖工艺过渡2、叶尖工艺补偿1、叶根工艺过渡4和叶根工艺补偿5合并，在衔接处进行光顺，形成叶片扩展模型。

步骤2：根据叶片设计允许容差，设定截面线间距δ；根据截面线间距δ沿着叶根指向叶尖方向顺次提取叶片扩展模型截面线。使用点集命令对每一个截面线进行点离散，点的数目应保证前后缘附近点的个数超过20个。通过UG二次开发获得圆拟合命令，使用圆拟合命令获取前缘后缘曲线点和叶盆叶背曲线点，使用B-样条曲线进行拟合获得叶盆叶背和前缘后缘曲线。

步骤3：通过UG二次开发获得内切圆迭代程序，使用内切圆迭代程序建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大，并定义叶片该截面厚度即Cmax；在Cmax两侧，分别间隔约Cmax建立叶盆叶背曲线的内切圆，且在前后缘处为拟合的圆；使用B-样条曲线顺次通过各个圆心，建立中弧线。

步骤4：将中弧线两端各延伸Cmax；以前后缘处邻家三个圆半径建立等差数列，获得在延伸后的中弧线端点处圆半径并建立圆；将叶盆叶背曲线进行延伸并与建立的圆相切；联结切点，获得封闭曲线，即为辊轧叶片工艺模型截面线。

步骤5：使用通过曲线组命令通过封闭的截面线组建立实体；衔接处进行光顺处理，形成B-样条曲面，建立工艺模型叶身8。

步骤6：提取工艺模型叶身8叶根末端截面线，使用内切圆迭代程序建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大即Cmax。以圆心为坐标原点，建立坐标系Z轴垂直于发动机旋转轴心线，且由叶根指向叶尖；X轴在水平方向，即发动机旋转轴心线方向，由叶片界面的进气边指向批排气边，Y轴由迪卡尔坐标系准则确定，由此建立工艺模型坐标系6。

步骤7：建立一个长方体，相互处置的三个平面为工艺定位基准，长方体与工艺模型叶身8之间通过小方块衔接为一体，形成工艺模型定位基准7。

步骤8：提取叶片工艺模型叶身8的叶盆曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶盆曲面网格和节点11。提取叶片工艺模型叶身8的叶背曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶背曲面网格和节点12。

步骤9：测量二辊辊轧设备轧辊半径R，即轧辊轴距的一半。在工艺模型坐标系6中，建立X-Y平面，在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为R一条直线，即凸模轧辊轴线9；在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为-R一条直线，即凹模轧辊轴线14。

步骤10：对叶盆曲面网格和节点11上的点集合使用公式(1)分别进行点坐标变换；对叶背曲面网格和节点12上的点集合使用公式(2)分别进行点坐标变换。

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& -\cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& -R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，R为一对轧辊半径，(X，Y，Z)为叶盆叶背曲面上点的坐标，(X',Y',Z')为辊轧模具型腔曲面点的坐标，α,β,γ,ε分别为为X方向，Y方向，Z方向及其整体大小放缩比例，由于辊轧叶片沿着辊轧方向存在前滑和后滑，因此α,β,ε分别为1，γ取为前滑系数。

步骤11：叶盆曲面点集使用公式(1)进行变换后，形成凸模型腔曲面点，提取叶盆曲面网格和节点11曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点10。对凸模曲面进行光顺，建立辊轧模具凸模型腔曲面。

步骤12：叶背曲面点集使用公式(2)进行变换后，形成凹模型腔曲面点，提取叶背曲面网格和节点12曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点13。对凹模曲面进行光顺，建立辊轧模具凹模型腔曲面。

本发明的有益效果是：该方法对叶片设计前后缘添加余量、溢料边、叶尖叶根余量和工艺定位基准，建立辊轧叶片工艺模型。对工艺模型叶盆叶背曲面进行网格划分，分别提取叶盆叶背网格节点建立点集并编码。确定辊轧模具半径，对叶盆叶背曲面点集进行缠绕映射变换，获得辊轧模具凸模凹模型腔点集。基于工艺模型网格节点编码信息，建立模具型腔网格，对网格进行光顺优化，获得辊轧模具型腔曲面。由于从几何变换角度进行辊轧模具型腔设计，实现了辊轧叶片模具型腔自动建模，改变了依靠经验和修模设计辊轧模具的现状，提高了辊轧叶片模具型腔设计精度。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明建立辊轧叶片模具型腔的方法流程图。

图2是本发明方法辊轧叶片工艺模型。

图3是本发明方法工艺模型叶盆叶背曲面网格划分，点集映射与型腔曲面重构。

图中，1-叶尖工艺补偿，2-叶尖工艺过渡，3-压气机叶片模型，4-叶根工艺过渡，5-叶根工艺补偿，6-工艺模型坐标系，7-工艺模型定位基准，8-工艺模型叶身，9-凸模轧辊轴线，10-凸模曲面网格和节点，11-叶盆曲面网格和节点，12-叶背曲面网格和节点，13-凸模曲面网格和节点，14-凹模轧辊轴线。

具体实施方式

参照图1-3。本发明建立辊轧叶片模具型腔的方法具体步骤如下：

以在UG NX7.0软件中建立压气机叶片辊轧模具型腔模型为例详细说明本发明。

步骤1：启动UG NX7.0建模模块，导入压气机叶片模型3，叶尖沿着叶身反方向延拓截面线内切圆最大直径的一半即Cmax/2，形成叶尖工艺过渡2，建立叶根工艺过渡4。提取叶尖工艺过渡2尖端截面线将其沿着叶身反向偏移5次，间距为2mm，并通过偏置截面线组建立实体形成叶尖工艺补偿1。提取叶根工艺过渡4根端截面线将其沿着叶身反向偏移3次，间距为2mm，并通过偏置截面线组建立实体形成叶根工艺补偿5。使用“布尔和运算”将叶片与叶尖工艺过渡和叶尖工艺补偿以及叶根工艺过渡和叶根工艺补偿合并，在衔接处进行光顺，形成叶片扩展模型。

步骤2：根据叶片设计允许容差，设定截面线间距δ；根据截面线间距δ沿着叶根指向叶尖方向顺次提取叶片扩展模型截面线。使用“点集”命令对每一个截面线进行点离散，点的数目应保证前后缘附近点的个数超过20个。通过UG二次开发获得“圆拟合”命令，使用“圆拟合”命令获取前缘后缘曲线点和叶盆叶背曲线点，使用B-样条曲线进行拟合获得叶盆叶背和前缘后缘曲线。

步骤3：通过UG二次开发获得“内切圆迭代程序”，使用“内切圆迭代程序”建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大，并定义叶片该截面厚度即Cmax；在Cmax两侧，分别间隔约Cmax建立叶盆叶背曲线的内切圆，且在前后缘处为拟合的圆；使用B-样条曲线顺次通过各个圆心，建立中弧线。

步骤4：将中弧线两端各延伸Cmax；以前后缘处邻家三个圆半径建立等差数列，获得在延伸后的中弧线端点处圆半径并建立圆；将叶盆叶背曲线进行延伸并与建立的圆相切；联结切点，获得封闭曲线，即为辊轧叶片工艺模型截面线。

步骤5：使用“通过曲线组”命令通过封闭的截面线组建立实体；衔接处进行光顺处理，形成B-样条曲面，建立工艺模型叶身8。

步骤6：提取工艺模型叶身8叶根末端截面线，使用“内切圆迭代程序”建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大即Cmax。以圆心为坐标原点，建立坐标系Z轴垂直于发动机旋转轴心线，且由叶根指向叶尖；X轴在水平方向，即发动机旋转轴心线方向，由叶片界面的进气边指向批排气边，Y轴由迪卡尔坐标系准则确定，由此建立工艺模型坐标系6。

步骤7：建立一个长方体，相互处置的三个平面为工艺定位基准，长方体与工艺模型叶身8之间通过小方块衔接为一体，形成工艺模型定位基准7。

步骤8：提取叶片工艺模型叶身8的叶盆曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶盆曲面网格和节点11。提取叶片工艺模型叶身8的叶背曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶背曲面网格和节点12。

步骤9：测量二辊辊轧设备轧辊半径R，即轧辊轴距的一半。在工艺模型坐标系6中，建立X-Y平面，在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为R一条长度为30mm的直线，即凸模轧辊轴线9；在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为-R一条长度为30mm的直线，即凹模轧辊轴线14。

步骤10：对叶盆曲面网格和节点11上的点集合使用公式(1)分别进行点坐标变换；对叶背曲面网格和节点12上的点集合使用公式(2)分别进行点坐标变换。

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& -\cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& -R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，R为一对轧辊半径，(X，Y，Z)为叶盆叶背曲面上点的坐标，(X',Y',Z')为辊轧模具型腔曲面点的坐标，α,β,γ,ε分别为为X方向，Y方向，Z方向及其整体大小放缩比例，由于辊轧叶片沿着辊轧方向存在前滑和后滑，因此α,β,ε分别为1，γ取为前滑系数。

步骤11：叶盆曲面点集使用公式(1)进行变换后，形成凸模型腔曲面点，提取叶盆曲面网格和节点11曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点10。对凸模曲面进行光顺，建立辊轧模具凸模型腔曲面。

步骤12：叶背曲面点集使用公式(2)进行变换后，形成凹模型腔曲面点，提取叶背曲面网格和节点12曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点13。对凹模曲面进行光顺，建立辊轧模具凹模型腔曲面。

Claims (1)

1.一种建立辊轧叶片模具型腔的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：启动UG NX7.0建模模块，导入压气机叶片模型(3)，叶尖沿着叶身反方向延拓截面线内切圆最大直径的一半即Cmax/2，形成叶尖工艺过渡(2)，建立叶根工艺过渡(4)；提取叶尖工艺过渡(2)尖端截面线将其沿着叶身反向偏移，并通过偏置截面线组建立实体形成叶尖工艺补偿(1)；提取叶根工艺过渡(4)根端截面线将其沿着叶身反向偏移，并通过偏置截面线组建立实体形成叶根工艺补偿(5)；使用布尔和运算将叶片与叶尖工艺过渡(2)、叶尖工艺补偿(1)、叶根工艺过渡(4)和叶根工艺补偿(5)合并，在衔接处进行光顺，形成叶片扩展模型；

步骤2：根据叶片设计允许容差，设定截面线间距δ；根据截面线间距δ沿着叶根指向叶尖方向顺次提取叶片扩展模型截面线；使用点集命令对每一个截面线进行点离散，点的数目应保证前后缘附近点的个数超过20个；通过UG二次开发获得圆拟合命令，使用圆拟合命令获取前缘后缘曲线点和叶盆叶背曲线点，使用B-样条曲线进行拟合获得叶盆叶背和前缘后缘曲线；

步骤3：通过UG二次开发获得内切圆迭代程序，使用内切圆迭代程序建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大，并定义叶片该截面厚度即Cmax；在Cmax两侧，分别间隔约Cmax建立叶盆叶背曲线的内切圆，且在前后缘处为拟合的圆；使用B-样条曲线顺次通过各个圆心，建立中弧线；

步骤4：将中弧线两端各延伸Cmax；以前后缘处邻家三个圆半径建立等差数列，获得在延伸后的中弧线端点处圆半径并建立圆；将叶盆叶背曲线进行延伸并与建立的圆相切；联结切点，获得封闭曲线，即为辊轧叶片工艺模型截面线；

步骤5：使用通过曲线组命令通过封闭的截面线组建立实体；衔接处进行光顺处理，形成B-样条曲面，建立工艺模型叶身(8)；

步骤6：提取工艺模型叶身(8)叶根末端截面线，使用内切圆迭代程序建立叶盆叶背曲线的内切圆，使圆的直径最大即Cmax；以圆心为坐标原点，建立坐标系Z轴垂直于发动机旋转轴心线，且由叶根指向叶尖；X轴在水平方向，即发动机旋转轴心线方向，由叶片界面的进气边指向批排气边，Y轴由迪卡尔坐标系准则确定，由此建立工艺模型坐标系(6)；

步骤7：建立一个长方体，相互处置的三个平面为工艺定位基准，长方体与工艺模型叶身(8)之间通过小方块衔接为一体，形成工艺模型定位基准(7)；

步骤8：提取叶片工艺模型叶身(8)的叶盆曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶盆曲面网格和节点(11)；提取叶片工艺模型叶身(8)的叶背曲面进行三角网格划分，并提取节点建立电集合并编码网格信息，形成叶背曲面网格和节点(12)；

步骤9：测量二辊辊轧设备轧辊半径R，即轧辊轴距的一半；在工艺模型坐标系(6)中，建立X-Y平面，在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为R一条直线，即凸模轧辊轴线(9)；在平面内建立一条平行于X轴并Y坐标值为-R一条直线，即凹模轧辊轴线(14)；

步骤10：对叶盆曲面网格和节点(11)上的点集合使用公式(1)分别进行点坐标变换；对叶背曲面网格和节点(12)上的点集合使用公式(2)分别进行点坐标变换；

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{Z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\\ \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& -\cos \left(\frac{Z}{R}\right)& 0& -R\·[1-\cos \left(\frac{Z}{R}\right)]\\ 0& 0& 0& R\·\sin \left(\frac{Z}{R}\right)\\ 0& 0& 0& \mathrm{\ϵ}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\·X\\ \mathrm{\β}\·Y\\ \mathrm{\γ}\·Z\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，R为一对轧辊半径，(X，Y，Z)为叶盆叶背曲面上点的坐标，(X',Y',Z')为辊轧模具型腔曲面点的坐标，α,β,γ,ε分别为为X方向，Y方向，Z方向及其整体大小放缩比例，由于辊轧叶片沿着辊轧方向存在前滑和后滑，因此α,β,ε分别为1，γ取为前滑系数；

步骤11：叶盆曲面点集使用公式(1)进行变换后，形成凸模型腔曲面点，提取叶盆曲面网格和节点(11)曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点(10)；对凸模曲面进行光顺，建立辊轧模具凸模型腔曲面；

步骤12：叶背曲面点集使用公式(2)进行变换后，形成凹模型腔曲面点，提取叶背曲面网格和节点(12)曲面的网格划分信息，编码节点序列和节点间网格序列，进行曲面重构建立凸模曲面网格和节点(13)；对凹模曲面进行光顺，建立辊轧模具凹模型腔曲面。