CN105302995B - 一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及叶片辊轧制造领域，具体为一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法。首先根据叶片辊轧毛坯的现场工艺状态，通过Gleeble压缩试验建立材料本构模型，并完成数值模拟。同时，通过对现场辊轧叶片的三维模型、数值模拟后的辊轧叶片模型和设计要求的理论叶片模型的尺寸进行对比分析，优化叶片辊轧模具设计和毛坯设计；根据叶片辊轧数值模拟后处理分析优化辊轧机调试参数，最终获得精密辊轧叶片。本发明减少修模具、辊轧机的调试和叶身成形后抛修等工作量，缩短制造周期，提高产品一致性，提升辊轧叶片精密制造能力。本发明通过数值模拟节省试验件基础试验费用、现场加工及材料等费用，同时提高辊轧叶片的质量和生产效率。

Description

一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法

技术领域

本发明涉及叶片辊轧制造领域，具体为一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法。

背景技术

叶片辊轧制造技术是航空发动机叶片制造领域中的先进技术，它具有叶片产品精度高、力学性能优良、工作效率高等优点。所以，在高压压气机中小叶片制造领域发挥着无可比拟的优势。

数值模拟技术对材料加工制造业有着巨大的指导作用，但是在国内将数值模拟应用在冷辊轧技术上，还在初期探索阶段，也鲜有相关文献。但它对叶片辊轧工艺尤其是模具设计和毛坯设计有着很重要的指导意义，会有很大的研究发展空间，使叶片辊轧制造技术更加成熟。

叶片辊轧制造技术中的一项核心内容是辊轧模具设计和毛坯设计，但在实际制造中辊轧模具和毛坯需要反复修整，修模量很大，且很难保证模具的修复一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法，使辊轧模具设计和毛坯设计更加精准。

本发明的技术方案是：

一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法，以GH2787合金叶片为载体，用UG软件三维建模，用DEFORM软件数值模拟，具体步骤如下：

1)建立材料本构模型

首先需要根据叶片辊轧毛坯的工艺状态设计材料本构模型的基础试验方案，再从毛坯叶身处取压缩试样，通过8组不同应变速率下的Gleeble压缩试验，得到相应的应力应变数据和曲线，最后通过数据插值处理建立材料本构模型；

2)叶片辊轧数值模拟

设置叶片辊轧数值模拟前处理模型，在UG软件中建立叶片辊轧毛坯和辊轧模具的三维模型，导入材料本构模型，设置前处理参数，定义模具驱动条件，设置毛坯边界条件，以及模具和毛坯的对象间关系；最后生成数据库文件，完成模拟求解；

3)叶片辊轧数值模拟后处理分析

根据现场辊轧叶片叶身的三坐标测量数据建立三维模型，建立设计要求的理论叶片模型，并把两模型与数值模拟后的辊轧叶片模型以相同坐标基准放置在软件中进行尺寸对比分析，从而优化叶片辊轧模具设计和毛坯设计；同时，通过叶片辊轧数值模拟后处理分析，优化辊轧机调试参数，最终获得精密辊轧叶片。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明通过叶片辊轧数值模拟，对比分析现场辊轧叶片的三维模型、数值模拟后的辊轧叶片模型和设计要求的理论叶片模型的尺寸，优化叶片辊轧模具设计和毛坯设计，解决辊轧模具设计和毛坯设计的精准度。并且，通过叶片辊轧数值模拟后处理分析优化辊轧机调试参数，指导现场工艺，最终获得精密辊轧叶片。

2、本发明应用于GH2787合金工作叶片成形工艺的分析中，成功优化了GH2787合金叶片辊轧模具设计和毛坯设计，并为辊轧机的调试提供了参考数据，最终完成了GH2787合金工作叶片的精密研制。

3、本发明节省试验件基础试验费用、现场加工及材料等费用，减少修模具、修毛坯、辊轧机的调试和叶身成形后抛修等工作的工作量，缩短了研制周期，同时提高辊轧叶片的质量和生产效率。

附图说明

图1为不同压缩应变速率的应力应变曲线。

图2(a)-图2(b)为叶片毛坯和辊轧模具UG模型示意图。其中，图2(a)叶片毛坯；图2(b)辊轧模具UG模型。

图3为叶片毛坯和辊轧模具简化UG模型示意图。

图4(a)-图4(d)为叶片辊轧数值模拟过程示意图。

图5为辊轧模拟后叶片模型示意图。

图6为三种叶片模型叶身型面尺寸对比图。

图7为叶片辊轧模具型面曲线。

图8(a)-图8(b)为辊轧叶片应力应变云图。其中，图8(a)辊轧叶片应力云图；图8(b)辊轧叶片应变云图。

具体实施方式

在具体实施过程中，叶片辊轧制造技术具有叶片产品精度高，力学性能优良，工作效率高等优点，叶片辊轧数值模拟技术对叶片辊轧技术具有指导意义。本发明首先根据叶片辊轧毛坯的现场工艺状态，通过Gleeble压缩试验建立材料本构模型，并完成数值模拟。同时，通过对现场辊轧叶片的三维模型、数值模拟后的辊轧叶片模型和设计要求的理论叶片模型的尺寸进行对比分析，优化叶片辊轧模具设计和毛坯设计；同时，根据叶片辊轧数值模拟后处理分析优化辊轧机调试参数，最终获得精密辊轧叶片。

本发明材料本构模型试验应力应变曲线见图1，叶片毛坯和辊轧模具三维模型见图2(a)-图2(b)和图3，叶片辊轧数值模拟过程见图4(a)-图4(d)，辊轧模拟后叶片模型见图5，三种叶片模型叶身型面尺寸对比见图6，叶片辊轧模具型面曲线示意图见图7，辊轧叶片应力和应变云图见图8(a)-图8(b)。

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细说明。

实施例

本实施例以GH2787合金叶片为载体。

1)建立材料本构模型

由于叶片辊轧过程是冷塑性变形过程，在DEFORM软件材料数据库中没有适合GH2787合金叶片辊轧毛坯的材料本构模型，所以需要重新建立该模型。

现场调研中，辊轧机轧辊转速范围为5r/min～15r/min，轧辊半径68mm，叶片毛坯中心厚度3.625mm，辊轧变形后叶片中心厚度2.085mm，所以计算得出叶片辊轧应变速率为2.36427s^-1(近似值)。

基础试验选取8组应变速率进行Gleeble压缩试验，测出不同应力应变曲线，最后将各应力应变曲线拟合到材料本构模型中。

为了使压缩试验件状态与叶片辊轧前毛坯状态一致，需要在辊轧前毛坯叶身上取试验件。在辊轧前毛坯叶身最厚处(Cmax)沿厚度方向取ΦA×H的圆棒压缩试样。在Gleeble压缩试验机上设定压缩应变速率(s^-1)分别为0.01，0.1，0.5，1，5，10，15，30，每种应变速率各压缩3件，共24件压缩试样。测定不同压缩应变速率下的应力应变曲线，记录并保存数据。

如图1所示，由8组不同压缩应变速率下的应力应变曲线可见，不同应变速率对应力应变曲线有一定影响。尽管叶片毛坯在辊轧变形中型面各个位置应变速率不同，但都分布在近似值2.36427s^-1周围，所以用这8组应变速率下的应力应变曲线建立的材料本构模型完全可以描述叶片毛坯在辊轧变形中的应力应变关系。

在得到不同压缩应变速率下的应力应变数据后，在DEFORM软件中形成材料模型K文件，并在K文件中输入杨氏模量和泊松比等材料参数，最后保存到DEFORM软件材料数据库中。

2)叶片辊轧数值模拟

首先，建立叶片毛坯和辊轧模具的三维模型。如图2(a)-图2(b)所示，从叶片毛坯和辊轧模具的UG模型看到，辊轧模具由叶盆型面、叶背型面和对应的模具模块组成。由于模具模块与叶片型面不接触，为了简化数值模拟计算，建模时可以省略模具模块部分。如图3所示，通过简化建立UG模型，导入到DEFORM软件中。

然后，建立数值模拟前处理模型，导入材料本构模型，设置工艺参数：辊轧模具转速为0.8rad/s，叶片毛坯平动速度为54.4mm/s，模具与毛坯之间的摩擦系数为0.4。建立完毕后，生成数据库文件并求解。如图4(a)-图4(d)所示，叶片辊轧数值模拟的过程，辊轧模具与叶片毛坯从起始位置逐渐咬入，使叶身型面开始变形，最后逐渐咬出；

3)叶片辊轧数值模拟后处理分析

①不同叶片模型叶身型面尺寸对比

叶片辊轧数值模拟后处理分析的核心在于，不同叶片模型叶身型面的尺寸对比。本发明用三种叶片模型做对比，辊轧数值模拟叶片模型(绿色)，现场工艺辊轧叶片模型(黄色)，设计要求的理论叶片模型(黑色)，见图6。从叶片辊轧数值模拟后的叶身型面与现场工艺辊轧叶片叶身型面对比情况来调整该数值模拟前处理的参数，比如模具与毛坯之间的相对位置，用叶片辊轧数值模拟后的叶身型面与设计要求的理论叶片叶身型面尺寸做对比，从叶身各型面曲线相差值来调整叶片辊轧模具设计和毛坯设计，从而得到优化，见图7。

如图6所示，数值模拟后GH2787合金辊轧叶片(绿色)、现场工艺辊轧叶片(黄色)和设计要求的理论叶片(黑色)的对比情况。从图中看出，GH2787合金叶片辊轧数值模拟后叶身型面(绿色)与现场工艺辊轧叶片(黄色)吻合很好；叶片辊轧数值模拟后的叶身型面(绿色)与设计要求的理论叶片叶身型面(黑色)尺寸做对比，发现两者相差1°左右的扭转。如图7所示，通过调整辊轧模具型面各截面曲线的相对扭角，可以消除1°左右的扭转。对比中叶身各组型面曲线相差超出公差范围之外的，应该修改模具以及毛坯相对应型面曲线的对应各点，最终模拟出在公差范围内的结果，从而指导了叶片辊轧模具和叶片辊轧毛坯的设计。在现场辊轧工艺中，根据模拟中辊轧毛坯和辊轧模具间的相对位置关系来调试辊轧机，并对模具型面做适当修整，最终获得符合工艺要求的合格型面和精密辊轧叶片。

②叶片应力云图分析

如图8(a)所示，由辊轧叶片应力云图看出，叶片叶身部分越靠近叶根应力越大，越靠近叶尖应力越小，而在靠近叶根部分的近排气边处叶片应力非常大，可见此处容易开裂形成缺陷，应该在设计叶片辊轧毛坯时减少毛坯变形量，预防开裂。

③叶片应变云图分析

如图8(b)所示，由辊轧叶片应变云图中看出，叶片叶身部分越靠近叶根应变越小，越靠近叶尖应变越大，而在靠近叶尖部分的近排气边处叶片应变非常大，可见此处容易开裂形成缺陷，应该在设计叶片辊轧毛坯时减少毛坯变形量，预防开裂。叶片的应变分布状态与实际辊轧叶片的变形相符。

本实施例中，将数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法应用于GH2787合金工作叶片的辊轧成形，为GH2787合金工作叶片精密冷辊轧工艺提供了指导，优化了GH2787合金叶片辊轧模具设计和毛坯设计，并为辊轧机的调试提供了参考数据，缩短了研制周期，最终实现了GH2787合金工作叶片的精密冷辊轧成形，获得精密辊轧叶片。

实施例结果表明，本发明通过数值模拟，优化叶片辊轧模具设计和辊轧毛坯设计，最终可以实现叶片型面精密冷辊轧成形。从而，减少修模具、辊轧机的调试和叶身成形后抛修等工作量，缩短制造周期，提高产品一致性，提升辊轧叶片精密制造能力。本发明通过数值模拟节省试验件基础试验费用、现场加工及材料等费用，同时提高辊轧叶片的质量和生产效率。

Claims (1)

1.一种数值模拟优化叶片辊轧模具及毛坯设计的方法，其特征在于，以GH2787合金叶片为载体，用UG软件三维建模，用DEFORM软件数值模拟，具体步骤如下：

1)建立材料本构模型

首先需要根据叶片辊轧毛坯的工艺状态设计材料本构模型的基础试验方案，再从毛坯叶身处取压缩试样，通过8组不同应变速率下的Gleeble压缩试验，得到相应的应力应变数据和曲线，最后通过数据插值处理建立材料本构模型；

2)叶片辊轧数值模拟

设置叶片辊轧数值模拟前处理模型，在UG软件中建立叶片辊轧毛坯和辊轧模具的三维模型，导入材料本构模型，设置前处理参数，定义模具驱动条件，设置毛坯边界条件，以及模具和毛坯的对象间关系；最后生成数据库文件，完成模拟求解；

3)叶片辊轧数值模拟后处理分析

根据现场辊轧叶片叶身的三坐标测量数据建立三维模型，建立设计要求的理论叶片模型，并把两模型与数值模拟后的辊轧叶片模型以相同坐标基准放置在软件中进行尺寸对比分析，从而优化叶片辊轧模具设计和毛坯设计；同时，通过叶片辊轧数值模拟后处理分析，优化辊轧机调试参数，最终获得精密辊轧叶片；

采用三种叶片模型做对比：数值模拟后的辊轧叶片模型、现场工艺辊轧叶片模型、设计要求的理论叶片模型；从叶片辊轧数值模拟后的叶身型面与现场工艺辊轧叶片叶身型面对比情况来调整该数值模拟前处理的参数，用叶片辊轧数值模拟后的叶身型面与设计要求的理论叶片叶身型面尺寸做对比，从叶身各型面曲线相差值来调整叶片辊轧模具设计和毛坯设计，从而得到优化。