CN110773699B - 一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其包括如下步骤，步骤A，根据叶片零件的理论叶型的数据，获得所述叶片坯件的相应特征截面的基本型面和参数。步骤B，在步骤A所获得的所述叶片坯件的每个特征截面上，获得新的叶盆部分的曲线，步骤C，在经由步骤B，获得了所述新的叶片坯件的全部特征截面的型面和参数后，获得连续完整的所述新的叶片坯件的叶身部分的型面和参数。步骤D，根据步骤C获得的所述新的叶片坯件的型面和参数，设计出新的叶盆模，从而制造获得所述新的叶片坯件。本发明所提供的一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，可有效控制叶片在高速挤压成形工艺中产生的残余应力，从而大大提升叶片坯件的合格率。
Description
技术领域
本发明涉及锻造技术领域，特别涉及一种在制造航空发动机叶片的过程中，锻造工序利用高速挤压成形工艺制造叶片坯件时，控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法。
背景技术
叶片是航空发动机的重要部件之一，对于叶片来说，叶身部分型面尺寸的精确度至关重要。压气机叶片位于航空发动机进气口附近，这类叶片一般采用锻造成形工艺制成叶片坯件，然后再进入后道工序进行精密加工(包括电解、数铣、抛光等加工操作)。
图1为叶片高速挤压成形的工艺原理示意图；图2为图1的成形阴模的叶身部分的剖面结构原理示意图，为了便于表述各部件之间的位置关系，在图1和图2中使用叶片设计坐标系标示方向，图1中，对于最终成形的叶片坯件6，为了展示叶身部分的扭转关系，未完全按照坐标系布放。参见图1和图2所示，在采用高速挤压成形工艺制造叶片坯件6时，会提供一个成形阴模1，所述成形阴模1由叶盆模11和叶背模12组合而成，当所述叶盆模11和所述叶背模12在约束套环2内组合形成所述成形阴模1后，即可将坯料3加热后放置在所述成形阴模1中，之后在所述坯料3上放置成形冲头4，锤头5沿图1中坐标系的Z轴方向高速冲击所述成形冲头4，所述成形冲头4对所述坯3料施加压力使其挤入下方的所述成形阴模1的型腔中，从而获得叶片坯件6。
参见图2所示，考虑到用于制造叶片的金属材料在锻造终了温度下的热膨胀系数，因此图2中所述叶盆模11和所述叶背模12所形成的叶身部分的型腔(也即是实线标识的部分)的尺寸会大于叶片坯件6(图中最外侧的虚线表示)的设计尺寸，而在生产中，所述叶片坯件6(图中最外侧的虚线表示)的设计尺寸与最终叶片零件的理论叶型7(图中最内侧的虚线表示)的尺寸的差值(即加工余量)越小越好，这样可以大大减少后道工序的加工时。
在现有的生产中，通常会使所述叶片坯件6(图中最外侧的虚线表示)的设计尺寸与最终叶片的理论叶型7(图中最内侧的虚线表示)的尺寸的差值(也即是留给后道工序的加工余量)为理论叶型7(图中最内侧的虚线表示)的最大厚度的10％-15％，例如，当加工余量需要保留理论叶型7(图中最内侧的虚线表示)的最大厚度的10％时，如果图2中最内侧虚线所示的理论叶型7的在叶身的Z轴方向上的截面尺寸的最大厚度为5mm，则所述叶片坯件6(图中最外侧的虚线表示)的设计尺寸均需与最内侧虚线所示的理论叶型7的截面尺寸保留有0.5mm的间距。
在实际生产中，由于高速挤压成形工艺存在叶片残余应力大、易弯曲变形的缺点。因此，所述叶片坯件6特别容易在叶身三分之一(甚至二分之一处)至叶尖部位出现向叶背一侧的弯曲变形，从而导致相应叶盆位置的余量不足，无法满足后道工序加工的需要，造成报废。例如，在实际生产中，如果不对残余应力进行控制，当加工余量需要保留理论叶型的截面尺寸的的最大厚度的10％时，即便生产流程控制得再好(也即是避免了人为操作带来的误差)，所生产的叶片坯件6的合格率也只能保持在90％左右。
对于高速挤压成形工艺造成的残余应力，在现有技术中，可以通过热时效和/或振动时效的方式进行消除，例如中国专利2018107209961所提供的一种利用热时效和振动时效协同消除应力的装置和方法。但这些解决方案一方面能耗高，另一方面工艺较复杂，因此会极大的提升制造成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，以减少或避免前面所提到的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其包括如下步骤：
步骤A，根据叶片零件的理论叶型的数据，在叶身部分选取若干特征截面，对于所述理论叶型的每个特征截面，沿法向添加余量d后，转换获得所述叶片坯件的相应特征截面的基本型面和参数。
步骤B，在步骤A所获得的所述叶片坯件的每个特征截面上，保持叶背曲线不变，按照以下方法对叶盆部分的曲线进行调整，获得新的叶盆曲线，也即是获得新的叶片坯件的相应特征截面的型面和参数。
首先，在步骤A所获得的所述叶片坯件6的每个特征截面上，分别获取叶盆曲线长度和叶背曲线长度，并计算出叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。
之后，比较每个特征截面的叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数据。选择叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面，测量其弦宽L，然后将该特征截面在弦宽的方向上按宽度分为N等份，等分线与叶盆曲线和叶背曲线的交点分别为(x1,y_p1)(x1,y_b1)、(x2,y_p2)(x2,y_b2)…(xi,y_pi)(xi,y_bi)…(xN－1,y_pN－1)(xN－1,y_bN－1)，
然后以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，用凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分作为新的叶盆型面的曲线，也即是所述新的叶片坯件的叶盆曲线，半径Ri由以下方程确定：
上式中，Δd是凸出的圆弧的顶点到步骤A所获得的叶盆曲线的最小距离，
最后，在确定了叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面的等分份数N之后，对于其他的特征截面，也采用相同的等分份数N，然后同样以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分作为新的叶盆型面的曲线，半径Ri同样由以下方程确定：
至此，在保持叶背曲线不变的前提下，获得全部特征截面的调整后的叶盆曲线数据，从而也就获得了调整后的所述新的叶片坯件的全部特征截面的完整型面和参数。
步骤C，在经由步骤B，获得了所述新的叶片坯件的全部特征截面的型面和参数后，通过对这些特征截面数据进行三维建模，即可获得连续完整的所述新的叶片坯件的叶身部分的型面和参数。
步骤D，根据步骤C获得的所述新的叶片坯件的型面和参数，根据用于制造叶片的金属材料在锻造终了温度下的热膨胀系数进行放大，即可以此数据为基础设计出新的叶盆模，从而用于制造获得所述新的叶片坯件。
优选地，在步骤A中，在理论叶型的叶身部分选取九个特征截面。
优选地，在步骤A中，所述余量d为所述理论叶型的最大厚度的10％-15％。
优选地，在步骤B中，叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。通过以下方法获得：分别在叶片坯件叶盆曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_P1)、(X2,Y_P2)……(Xn,Y_Pn)，在叶背曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_B1)、(X2,Y_B2)……(Xn,Y_Bn)，之后根据如下公式计算叶背曲线的长度和叶盆曲线的长度：
最后根据公式：Δl＝lb-lp获得叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。
优选地，在步骤B中，Δd取值在d＜Δd＜1.5d范围内，同时Δd与等分线的数量(N-1)需满足以下关系：
本发明所提供的一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，可有效控制叶片在高速挤压成形工艺中产生的残余应力，从而大大提升叶片坯件后续精密加工的合格率。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1为高速挤压成形叶片的工艺原理示意图；
图2为图1的成形阴模的叶身部分的剖面结构原理示意图，
图3为根据本发明的一个具体实施例的一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法的原理示意图；
图4为根据图3的方法获得的各个特征截面的型面的原理示意图；
图5为根据图3的方法获得的叶片坯件的立体结构原理示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
如背景技术所述，针对现有的高速挤压成形工艺存在叶片残余应力大、易弯曲变形的缺点。发明人对其原理进行了深入的计算和分析，参见图2所示，在所述叶盆模11和所述叶背模12所形成的叶身部分的型腔中，由于叶背轮廓线比叶盆轮廓线长，因此在叶片坯件高速挤压成形时，金属与所述叶背模12接触的表面积大于与所述叶盆模11接触的表面积，这就容易导致金属与所述叶背模12的摩擦力大于与所述叶盆模11的摩擦力。由于与所述叶盆模11型面接触的金属流动得快，与所述叶背模12型面接触的金属流动得慢。根据附加应力定律：流动快的金属会对流动慢的金属产生附加拉应力，流动慢的金属则对流动快的金属产生附加压应力。因此，当所述叶片坯件6成形出模以后，成形过程中产生的附加应力会以残余应力的形式保留下来，从而导致所述叶片坯件6发生弯曲变形。
图1为高速挤压成形叶片的工艺原理示意图；图2为图1的成形阴模的叶身部分的剖面结构原理示意图，图3为根据本发明的一个具体实施例的一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法的原理示意图；图4为根据图3的方法获得的各个特征截面的型面的原理示意图；图5为根据图3的方法获得的叶片坯件的立体结构原理示意图。为了降低并控制残余应力对高速挤压成形工艺所成形的所述叶片坯件6的影响，参见图1-5所示，本发明提供了一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其包括如下步骤：
步骤A，根据叶片零件的理论叶型7的数据，在叶身部分选取若干特征截面，对于所述理论叶型7的每个特征截面，沿法向添加余量d后，转换获得所述叶片坯件6的相应特征截面的基本型面和参数。
在航空发动机的叶片的设计过程中，叶片零件的所述理论叶型7的叶身部分的每个点的空间位置关系是重要的数据指标之一，但在生产制造中，为了便于工业化生产中加工和校验等需要，通常是在所述理论叶型7的叶身部分提供若个特征截面(也即是垂直于Z轴的截面)叶盆、叶背曲线参数，根据这些特征截面的参数进行三维建模可得到最终的所述理论叶型7的叶身部分连续完整的数据(也即是连续的型面尺寸)。
例如，在实际生产中，设计图一般会提供所述理论叶型7的九个截面的具体叶盆、叶背曲线参数，在锻造工序，也即是本发明中的利用高速挤压成形工艺制成所述叶片坯件6的工序中，对于需要最终获得的所述叶片坯件6的理论型面，可以是在所述理论叶型7的九个截面的数据基础上，分别沿法向添加余量d(也即是留给后道工序的加工余量)获得。余量d的大小可以是如背景技术所述，为所述理论叶型7的最大厚度的10％-15％。获得所述叶片坯件6的相应的九个特征截面的数据后进行三维建模，即可获得连续完整的所述叶片坯件6的基本型面和数据参数。
步骤B，在步骤A所获得的所述叶片坯件6的每个特征截面上，保持叶背曲线不变，按照以下方法对叶盆部分的曲线进行调整，获得新的叶盆曲线，也即是获得新的叶片坯件6'的相应特征截面的型面和参数。
首先，在步骤A所获得的所述叶片坯件6的每个特征截面上，分别获取叶盆曲线长度和叶背曲线长度，并计算出叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。
具体来说，可分别在叶盆曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_P1)、(X2,Y_P2)……(Xn,Y_Pn)，在叶背曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_B1)、(X2,Y_B2)……(Xn,Y_Bn)，之后根据如下公式计算叶背曲线的长度和叶盆曲线的长度：
最后根据公式：Δl＝lb-lp获得叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。
之后，比较每个特征截面的叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数据。选择叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面，测量其弦宽L，然后将该特征截面在弦宽的方向上按宽度分为N等份，等分线与叶盆曲线和叶背曲线的交点分别为(x1,y_p1)(x1,y_b1)、(x2,y_p2)(x2,y_b2)…(xi,y_pi)(xi,y_bi)…(xN－1,y_pN－1)(xN－1,y_bN－1)，
参见图3所示，在图3中，所显示的特征截面为所述叶片坯件6的靠近榫头一侧的基本特征截面，因此，在图3中，弦宽标识线的垂线与叶片设计坐标系的Y轴平行，本领域技术人员应当理解，对于其他的特征截面，弦宽标识线的垂线并不会均与叶片设计坐标系的Y轴平行。
然后以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，用凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分作为新的叶盆型面的曲线，也即是所述新的叶片坯件6'的叶盆曲线，半径Ri由以下方程确定：
上式中，Δd是凸出的圆弧的顶点(也即是过圆心的与弦宽标识线垂直的线与圆弧的交点)到步骤A所获得的叶盆曲线(也即是所述叶片坯件6的叶盆曲线)的最小距离，也即是调整后的所述新的叶片坯件6'的叶盆曲线在局部所增加的余量。
通过设置多个凸出的圆弧，一方面能确保每个圆弧凸出的部分不会太大，从而避免造成增加后道工序加工难度。另一方面，可使得这些凸起相对比较平均，从而利于后道工序设计工艺。
为了控制调整位置(也即是等分线)的数量且保障凸起不会太多从而给后续机加工带来不良影响，Δd取值在d＜Δd＜1.5d范围内时最佳，同时Δd与等分线的数量(N-1)需满足以下关系：
如果弦宽的方向上按宽度等分成2等份，也就是只需设置1条等分线的叶盆曲线就满足Δd的在d＜Δd＜1.5d范围内的条件，则调整到此为止。如果Δd不满足条件，则将型面曲线分成3等份，也即是等分线的数量设置为2的叶盆曲线，继续验证Δd取值是否在d＜Δd＜1.5d范围内，以此类推，直到Δd满足条件足为止。
最后，在确定了叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面的等分份数N之后，
对于其他的特征截面，也可采用相同的等分份数N，然后同样以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分作为新的叶盆型面的曲线，也即是所述新的叶片坯件6'的叶盆曲线，半径Ri同样由以下方程确定：
上式中，Δd是凸出的圆弧的顶点(也即是过圆心的与弦宽标识线垂直的线与圆弧的交点)到步骤A所获得的叶盆曲线(也即是所述叶片坯件6的叶盆曲线)的最小距离，也即是调整后的所述新的叶片坯件6'的叶盆曲线在局部所增加的余量。
至此，在保持叶背曲线不变的前提(也即是所述新的叶片坯件6'采用步骤A获得的所述叶片坯件6的叶背曲线)下，获得全部特征截面的调整后的叶盆曲线数据，也即是所述新的叶片坯件6'的叶盆曲线，从而也就获得了调整后的所述新的叶片坯件6'的全部特征截面的完整型面和参数。
所述新的叶片坯件6'与所述叶片坯件6相比，最大的区别在于，在叶身的相同位置的特征截面上，在叶盆部分，所述新的叶片坯件6'有至少一个凸起。对于叶背部分，则没有变化。
步骤C，在经由步骤B，获得了所述新的叶片坯件6'的全部特征截面的型面和参数后，通过对这些特征截面数据进行三维建模，即可获得连续完整的所述新的叶片坯件6'的叶身部分的型面和参数。
参见图4和图5所示，图5中用虚线表示了特征截面的位置，在经由步骤B获得了所述新的叶片坯件6'的全部特征截面的型面和参数后，可在计算机的三维软件中进行造型设计，重建新的叶身部分的整体型面，对于所述新的叶片坯件6'的榫头部分，可按常规结构设计和造型(也即是可保持与原来的所述叶片坯件6的榫头部分不变)，由此得到所述新的叶片坯件6'的三维模型。
步骤D，根据步骤C获得的所述新的叶片坯件6'的型面和参数，根据用于制造叶片的金属材料在锻造终了温度下的热膨胀系数进行放大，即可获得热态的所述新的叶片坯件6'的三维模型，从而可以此数据为基础设计出新的叶盆模11'，从而用于制造获得所述新的叶片坯件6'。
如前分析所述，高速挤压成形叶片弯曲变形是由残余应力(附加应力)造成，根源在于叶片挤压模型腔的结构：叶背轮廓线比叶盆轮廓线长，金属与叶背模具接触的面积大于与叶盆模具的面积，金属流动时与叶背模的摩擦力大于与叶盆模的摩擦力。
本发明所提出的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，通过对叶片挤压模型腔进行设计改造，解决了叶背曲线与叶盆曲线长度不相等的问题，进而能使叶片成形过程中金属流动所受叶背、叶盆模具的摩擦力一致。从而大大减小了残余应力(附加应力)的产生，能够有效防止叶片发生变形。
此外，参见图5所示，采用本发明所提出的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法所获得的所述新的叶片坯件6'，在叶盆面所形成的“筋条”能进一步起到增强叶片刚性的作用，从而在一定程度上也能对叶片弯曲变形起到抑制作用。
在一个具体实施例中，在生产实践中，当加工余量需要保留理论叶型7(图中最内侧的虚线表示)的最大厚度的10％时，例如背景技术举例的，理论叶型7的在叶身的Z轴方向上的截面尺寸的最大厚度为5mm，则所述叶片坯件6的设计尺寸均需与最内侧虚线所示的理论叶型7的截面尺寸保留有0.5mm的间距时。通过本发明的方法所获得的所述新的叶片坯件6'的叶身几乎未出现弯曲变形，产品加工合格率可提高至接近100％。
对于本发明的方法所获得的所述新的叶片坯件6'所增加的“筋条”结构，只需在后道工序中去除即可，例如可通过后道工序中电解这样的方式去除，相对于背景技术提及的热时效和/或振动方式去除残余应力，本发明所提供的方法，残余应力控制效果好，且仅需在后道工序中通过现有机加工艺去除“筋条”结构，因此对现有加工工艺效率的影响几乎可以忽略。
本发明所提供的一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，可有效控制叶片在高速挤压成形工艺中产生的残余应力，从而大大提升叶片坯件的合格率。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
步骤A，根据叶片零件的理论叶型的数据，在叶身部分选取若干特征截面，对于所述理论叶型的每个特征截面，沿法向添加余量d后，转换获得叶片坯件的相应特征截面的基本型面和参数，
步骤B，在步骤A所获得的所述叶片坯件的每个特征截面上，保持叶背曲线不变，按照以下方法对叶盆部分的曲线进行调整，获得新的叶盆曲线，也即是获得新的叶片坯件的相应特征截面的型面和参数，
首先，在步骤A所获得的所述叶片坯件的每个特征截面上，分别获取叶盆曲线长度和叶背曲线长度，并计算出叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl，
之后，比较每个特征截面的叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数据，选择叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面，测量其弦宽L，然后将该特征截面在弦宽的方向上按宽度分为N等份，等分线与叶盆曲线和叶背曲线的交点分别为(x1,y_p1)(x1,y_b1)、(x2,y_p2)(x2,y_b2)…(xi,y_pi)(xi,y_bi)…(xN－1,y_pN－1)(xN－1,y_bN－1)，
然后以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分为新的叶盆型面的曲线，也即是所述新的叶片坯件的叶盆曲线，半径Ri由以下方程确定：
上式中，Δd是凸出的圆弧的顶点到步骤A所获得的叶盆曲线的最小距离，
最后，在确定了叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl数值最大的特征截面的等分份数N之后，
对于其他的特征截面，也采用相同的等分份数N，然后同样以各等分线与型面中线的交点为圆心，以Ri为半径作圆，凸出步骤A所获得的叶盆曲线的圆弧部分作为新的叶盆型面的曲线，半径Ri同样由以下方程确定：
至此，在保持叶背曲线不变的前提下，获得全部特征截面的调整后的叶盆曲线数据，从而也就获得了调整后的所述新的叶片坯件的全部特征截面的完整型面和参数，
步骤C，在经由步骤B，获得了所述新的叶片坯件的全部特征截面的型面和参数后，通过这些特征截面数据进行三维建模，即获得连续完整的所述新的叶片坯件的叶身部分的型面和参数，
步骤D，根据步骤C获得的所述新的叶片坯件的型面和参数，根据用于制造叶片的金属材料在锻造终了温度下的热膨胀系数进行放大，即以此数据为基础设计出新的叶盆模，从而用于制造获得所述新的叶片坯件。
2.根据权利要求1所述的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其特征在于，在步骤A中，在理论叶型的叶身部分选取九个特征截面。
3.根据权利要求1所述的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其特征在于，在步骤A中，所述余量d为所述理论叶型的最大厚度的10％-15％。
4.根据权利要求1所述的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其特征在于，在步骤B中，叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl，通过以下方法获得：分别在叶盆曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_P1)、(X2,Y_P2)……(Xn,Y_Pn)，在叶背曲线上取包括两个端点的若干点：(X1,Y_B1)、(X2,Y_B2)……(Xn,Y_Bn)，之后根据如下公式近似计算叶背曲线的长度和叶盆曲线的长度：
最后根据公式：Δl＝lb-lp获得叶背曲线与叶盆曲线的长度差Δl。
5.根据权利要求1所述的控制锻造叶片挤压成形残余应力的方法，其特征在于，在步骤B中，Δd取值在d＜Δd＜1.5d范围内，同时Δd与等分线的数量(N-1)需满足以下关系：
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