CN111687606B - 复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法 - Google Patents

复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,所述制备方法包括:将前缘金属加强边的内腔加工分为多段,并逐段采用机械加工和蠕变变形的方式扩大侧壁板的开口角度,再利用蠕变成型工艺将两侧壁板进行精确成型。本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法具有如下优势:一、在机械加工的基础上,结合蠕变成型技术,解决了窄开口、深槽结构的机械加工难题,提高内表面的成型精度。二、其将前缘金属加强边的加工分为多段,并采用蠕变变形的方式扩大侧壁版的开口角度,降低了加强边内型面加工的难度,提升内表面的成型精度,降低成型过程中的残余应力。

Description

复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法
技术领域
本发明涉及航空发动机风扇叶片领域,特别涉及一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法。
背景技术
在航空发动机领域中,随着复合材料制备技术的不断提高,复合材料的材料性能也在不断增强,复合材料在航空发动机领域的应用范围也越来越广泛。复合材料的强度高,但是承受外物冲击的能力较弱。为了能够经受住鸟或硬物的撞击,通常在复合材料风扇叶片的前缘采用包覆金属加强边,用于承受来自外物的冲击载荷。
受复合材料风扇叶片特殊结构的影响,前缘金属加强边的设计和加工难度很高,主要包括:
一、加强边结构的尺寸较大,且弯掠程度较大;
二、加强边包覆在复合材料风扇叶片的前缘,与复合材料叶片的本体配合,截面为“V”型,开口窄,开口深度大,同时侧壁板厚度很薄,导致整体刚度较低,不利于机械加工;
三、加强边的加工精度要求较高。
在目前的加强边加工工艺中,传统机加方式存在加工精度低、周期长和加强边整体易变形等问题。
现有技术中,例如采用激光直接熔化技术/3D打印技术制备前缘金属加强边,由于表面精度不够,在完成毛坯件成型后还需要使用电火花、机加等工艺对内外表面进行精加工。这就同样面临着加强边内腔加工的难题,以及成型的变形问题。此外,如果采用热压成型的方法制备前缘金属加强边,在鼻锥成型过程中,试验件存在严重的应力变形问题,接缝处的强度较其他部位明显降低,且成型精度得不到很好的控制。
有鉴于此,本领域技术人员亟待于研制一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,以期解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中前缘金属加强边的加工工艺面临内型腔加工难度大、应力变形等缺陷,提供一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:
一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特点在于,所述制备方法包括:将前缘金属加强边的内腔加工分为多段,并逐段采用机械加工和蠕变变形的方式扩大侧壁板的开口角度,再利用蠕变成型工艺将两侧壁板进行精确成型。
根据本发明的一个实施例,所述制备方法具体包括:
步骤S1、将所述前缘金属加强边的内型面分成多段;
步骤S2、采用机械加工的方式获得所述前缘金属加强边的初加工外型面;
步骤S3、对所述内型面逐段进行机械加工和蠕变变形的方式获得扩大的内型面;
步骤S4、对所述外型面进行精加工;
步骤S5、复合材料风扇叶片本体的前缘包覆所述前缘金属加强边。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S5中所述前缘金属加强边由初始外型面和内型面包围形成,所述前缘金属加强边的侧壁板与所述复合材料风扇叶片本体的外表面连接。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S2中具体包括:先采用机械加工获得外型面,再由所述外型面通过机械加工获得所述初加工外型面。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S3中具体包括:
步骤S31、对所述内型面的第一分段直接进行机械加工,获得所述第一分段的第一内型面;
步骤S32、采用蠕变变形的方式扩大所述第一分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S33、采用机械加工获得所述内型面的第二分段的第二内型面。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S3还包括:
步骤S34、采用蠕变变形的方式扩大所述第二分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S35、采用机械加工获得所述内型面的第三分段的第三内型面。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S3还包括:
步骤S36、采用蠕变变形的方式扩大所述第三分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S37、重复步骤S35、步骤S36,直至将多段内型面均加工完成。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S4中具体包括:采用蠕变成型工艺将所述前缘金属加强边的两侧开口的侧壁板进行精确成型,形成所述前缘金属加强边的加工后内型面。
根据本发明的一个实施例,所述步骤S4还包括:将所述前缘金属加强边的初加工外型面进行精加工,获得所述前缘金属加强边的加工后外型面。
根据本发明的一个实施例,所述加工后内型面为一体成型。
本发明的积极进步效果在于:
本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法具有如下优势:
一、在机械加工的基础上,结合蠕变成型技术,解决了窄开口、深槽结构的机械加工难题,提高内表面的成型精度。
二、其将前缘金属加强边的加工分为多段,并采用蠕变变形的方式扩大侧壁版的开口角度,降低了加强边内型面加工的难度,提升内表面的成型精度,降低成型过程中的残余应力。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显,在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征,其中:
图1为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中复合材料风扇叶片的结构示意图。
图2为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中复合材料风扇叶片的截面示意图。
图3为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中前缘金属加强边加工分段的示意图。
图4为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中前缘金属加强边的制备过程示意图。
【附图标记】
复合材料风扇叶片本体 10
前缘金属加强边 20
初始外型面 21
内型面 22
初加工外型面 30
第一分段 I
第一内型面 22I
第二分段 II
第二内型面 22II
第三分段 III
第三内型面 22III
第四分段 IV
第四内型面 22Ⅳ
加工后内型面 22’
加工后外型面 21’
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例,其示例在附图中示出。在任何可能的情况下,在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。
此外,尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的,但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的,其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。
此外,要求不仅仅通过所使用的实际术语,而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中复合材料风扇叶片的结构示意图。图2为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中复合材料风扇叶片的截面示意图。图3为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中前缘金属加强边加工分段的示意图。图4为本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法中前缘金属加强边的制备过程示意图。
如图1至图4所示,本发明公开了一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,所述制备方法包括:将前缘金属加强边的内腔加工分为多段,并逐段采用机械加工和蠕变变形的方式扩大侧壁板的开口角度,再利用蠕变成型工艺将两侧壁板进行精确成型。
优选地,所述制备方法具体包括:
步骤S1、将前缘金属加强边20的内型面22分成多段。
在开始前缘金属加强边20的加工之前,先根据前缘金属加强边20的内腔开口窄、开口深的结构特点,结合前缘金属加强边20的侧壁板的长度,将前缘金属加强边20的内型面22分成多段,用于后续的蠕变成型和机加。
此处分段的位置和数量与前缘金属加强边20的结构尺寸及机加的水平相关。将前缘金属加强边20的内型面22分段后,能够有效降低后续内型面机加的难度,同时提高内型面22的成型精度。
步骤S2、采用机械加工的方式获得前缘金属加强边20的初加工外型面30。
优选地,所述步骤S2中具体包括:先采用机械加工获得外型面,再由外型面通过机械加工获得所述初加工外型面30。
具体地说,如图4(a)所示,在毛坯料上采用机械加工的方式获得前缘金属加强边20的初加工外型面30,由于风扇叶片对外型面的精度要求较高,为避免在蠕变成型过程中引起的外型面变形,在机加外型面过程中适当留加工余量。
因此,此处机加得到的外型面为初加工后的初加工外型面30,初加工外型面30再经过机械加工后获得前缘金属加强边20的外型面为最后一道工序。初加工外型面30综合考虑了后续蠕变成型过程中的外型面变形以及风扇叶片对外型面的高精度要求。
步骤S3、对所述内型面逐段进行机械加工和蠕变变形的方式获得扩大的内型面。
优选地,所述步骤S3中具体包括:
步骤S31、对内型面22的第一分段I直接进行机械加工,获得第一分段I的第一内型面22I;
步骤S32、采用蠕变变形的方式扩大第一分段I处的侧壁板的开口角度;
步骤S33、采用机械加工获得第二分段II的第二内型面22II。
更进一步地,所述步骤S3还包括:
步骤S34、采用蠕变变形的方式扩大第二分段II处的侧壁板的开口角度;
步骤S35、采用机械加工获得第三分段III的第三内型面22III。
更进一步地,所述步骤S3还包括:
步骤S36、采用蠕变变形的方式扩大第三分段III处的侧壁板的开口角度;
步骤S37、重复步骤S35、步骤S36,直至将多段内型面均加工完成。
例如,如图3和图4所示,本实施例中,将前缘金属加强边20的内型面22分成四段,分别为第一分段I、第二分段II、第三分段III和第四分段IV。
具体的制备过程如下:由于第一分段Ⅰ处加强边的开口和深度能够通过直接机械加工完成。因此,首先对第一分段Ⅰ直接进行机械加工,获得第一分段Ⅰ的第一内型面22I。此处为了避免已经加工好的第一分段I处的第一内型面22I影响或遮挡第二分段II的机加工,采用蠕变变形的方式扩大第一分段I处的侧壁板的开口角度,从而使机械加工的刀头能轻易地、无阻碍地加工第二分段II的内型面,获得第二分段II的第二内型面22II,从而保证第二分段II的第二内型面22II的加工精度(如图4(b)和图4(c)所示)。
随着机加深度的增加,内型面开口的角度越小,机加难度增加,为了避免已完成机加工的第一分段I和第二分段II对第三分段III机加的影响,采用蠕变变形的方式扩大第二分段Ⅱ处的侧壁板的开口角度,降低第三分段III处内型面机加难度,对第三分段Ⅲ的内型面进行机械加工,保证第三分段Ⅲ处内型面的机加精度,较容易地获得满足精度要求的第三分段Ⅲ的第三内型面22Ⅲ(如附图4(d)和图4(e)所示)。
依次类推,如图4(f)所示,采用蠕变变形的方式扩大第三分段Ⅲ处的侧壁板的开口角度,并对第四分段Ⅳ的内型面进行机械加工,获得第四分段Ⅳ的第四内型面22Ⅳ,完成了前缘金属加强边20的内型面22的加工。
步骤S4、对所述外型面进行精加工。
优选地,所述步骤S4中具体包括:采用蠕变成型工艺将前缘金属加强边20的两侧开口的侧壁板进行精确成型,形成前缘金属加强边20的加工后内型面22’。
进一步优选地,所述步骤S4还包括:将前缘金属加强边20的初加工外型面30进行精加工,获得前缘金属加强边20的加工后外型面21’。
具体地制备过程如下:利用蠕变成型工艺将两侧开口的壁板进行精确成型,形成前缘金属加强边20的加工后内型面22’,使前缘金属加强边20的加工后内型面22’一体成型,避免出现接缝强度降低的问题,最后一步蠕变成型,将侧壁板精确成型。同时,减小侧壁板在机加过程中产生的残余应力。最后,将初加工外型面30进行精加工,获得前缘金属加强边20的加工后外型面21’,保证了加强边的外型面精度(如图4(g)和图4(h)所示)。
步骤S5、复合材料风扇叶片本体10的前缘包覆前缘金属加强边20。
此处,所述步骤S5中前缘金属加强边20由初始外型面21和内型面22包围形成,前缘金属加强边20的侧壁板与复合材料风扇叶片本体10的外表面连接。
至此,较为轻易地完成了满足精度要求的前缘金属加强边的成型。
根据上述详细描述,针对前缘金属加强边在加工中存在的问题,根据前缘加强边的实际结构特征,将内型腔的加工工作分成多段,首先使用机械加工方法完成一段侧壁板的加工后,采用蠕变变形的方式扩大两侧已加工的侧壁板的开口角度,再进行下一段的加工工作。这样逐段采用机械加工与蠕变变形扩大侧壁板开口角度的方式,完成前缘金属加强边内腔的加工,最后利用蠕变成型工艺将两侧壁板进行精确成型。
相比于现有技术中纯机械加工工艺、3D打印工艺等,本发明通过结合蠕变成型和机械加工工艺,设置合理的机加分段,逐段采用机械加工与蠕变变形扩大侧壁板开口角度的方式,降低了内型腔的机械加工难度,解决了热压成型工艺过程中接缝处的强度问题以及热应力对成型精度的影响问题。
综上所述,本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法具有如下优势:
一、在机械加工的基础上,结合蠕变成型技术,解决了窄开口、深槽结构的机械加工难题,提高内表面的成型精度。
二、其将前缘金属加强边的加工分为多段,并采用蠕变变形的方式扩大侧壁版的开口角度,降低了加强边内型面加工的难度,提升内表面的成型精度,降低成型过程中的残余应力。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式,但是本领域的技术人员应当理解,这些仅是举例说明,本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下,可以对这些实施方式作出多种变更或修改,但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:将前缘金属加强边的内腔加工分为多段,并逐段采用机械加工和蠕变变形的方式扩大侧壁板的开口角度,再利用蠕变成型工艺将两侧壁板进行精确成型。
2.如权利要求1所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体包括:
步骤S1、将所述前缘金属加强边的内型面分成多段;
步骤S2、采用机械加工的方式获得所述前缘金属加强边的初加工外型面;
步骤S3、对所述内型面逐段进行机械加工和蠕变变形的方式获得扩大的内型面;
步骤S4、对所述外型面进行精加工;
步骤S5、复合材料风扇叶片本体的前缘包覆所述前缘金属加强边。
3.如权利要求2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S5中所述前缘金属加强边由初始外型面和内型面包围形成,所述前缘金属加强边的侧壁板与所述复合材料风扇叶片本体的外表面连接。
4.如权利要求2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中具体包括:先采用机械加工获得外型面,再由所述外型面通过机械加工获得所述初加工外型面。
5.如权利要求2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S3中具体包括:
步骤S31、对所述内型面的第一分段直接进行机械加工,获得所述第一分段的第一内型面;
步骤S32、采用蠕变变形的方式扩大所述第一分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S33、采用机械加工获得所述内型面的第二分段的第二内型面。
6.如权利要求5所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S3还包括:
步骤S34、采用蠕变变形的方式扩大所述第二分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S35、采用机械加工获得所述内型面的第三分段的第三内型面。
7.如权利要求6所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S3还包括:
步骤S36、采用蠕变变形的方式扩大所述第三分段处的侧壁板的开口角度;
步骤S37、重复步骤S35、步骤S36,直至将多段内型面均加工完成。
8.如权利要求2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中具体包括:采用蠕变成型工艺将所述前缘金属加强边的两侧开口的侧壁板进行精确成型,形成所述前缘金属加强边的加工后内型面。
9.如权利要求8所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述步骤S4还包括:将所述前缘金属加强边的初加工外型面进行精加工,获得所述前缘金属加强边的加工后外型面。
10.如权利要求8所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边的制备方法,其特征在于,所述加工后内型面为一体成型。
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