CN112131682B - 一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，根据叶片的检测要求提取叶片各截面的实测、理论轮廓线，以及叶盆、叶背模具上修正前滑系数后的相应截面轮廓线，根据叶片实测、理论轮廓线上各测量点在同一横坐标下的偏移量，调整每个叶盆、叶背截面上的测量点，拟合得到修整后的叶盆、叶背截面轮廓线，根据修整后的轮廓线构建叶盆、叶背模具型面，本发明基于辊轧模具三维设计、型面高精度数控加工和叶片型面数字化检测条件，采用辊轧模具的型面迭代优化技术，通过对轧制叶片型面的偏离情况进行分析，对辊轧模具型面进行迭代优化，可以解决人工修模的技术难题，大幅度缩短修模的周期，减少试片的消耗，该方法目前已开始应用于模具型面的修理中。

Description

一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法

技术领域

本发明涉及透平叶片加工技术领域，具体涉及一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法。

背景技术

叶片精密冷辊轧是一种优异的航空发动机叶片的制造技术，具有加工效率高、成本低的特点，更重要的是可使叶片的机械性能、产品质量和使用性能得到提高(辊轧叶片的纤维方向与叶片受力方向一致，晶粒细小、组织致密，力学性能优异；叶身表面压应力高，抗疲劳性能好)，有利于叶片材料潜在性能的发挥。

叶片辊轧模具是叶片成型的重要工具，其型面的质量水平直接影响叶片的成型精度。按照常规方法设计的辊轧模具，在叶片轧制过程中，由于叶片存在弹塑形性变形和轧制材料性能的差异，轧制后的叶片型面与设计要求会存在一定的偏离，消除这种偏离需要采用辊轧模具与叶片之间的六自由度调整技术和人工反复修理模具型面来完成。

目前，辊轧模具型面人工修模需要高技能工人的进行数十轮次的试轧试修，对操作工人的技能水平要求高，每套模具的修模周期长达两～三周，修模过程要消耗大量的修模试件，更重要的是更换不同批次的坯料，还要重复进行上述过程，对此急需发明一种进行辊轧模具型面进行数字化修理的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待加工叶片的理论设计参数和材料特性，生成叶片轧制用的初始辊轧模具；

步骤2：根据待加工叶片的实际检测要求确定出待加工叶片的n个待测截面，提取每个待测截面的理论轮廓线{l₁,l₂,…,l_i,…,l_n}，l_i表示提取的第i个待测截面；

步骤3：采用初始辊轧模具对待加工叶片进行轧制测试，计算出轧制后叶片的每个待测截面的真实角度值{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}，其中δ’_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值；

步骤4：对于轧制后叶片的n个待测截面，分别在每个待测截面轮廓线上提取J个测量点，然后根据J个测量点拟合得到每个待测截面的实测轮廓线，分别记为{L₁,L₂,…,L_i,…,L_n}，其中L_i表示第i个待测截面的实测轮廓线；

步骤5：以第i个待测截面的真实角度值δ’_i作为截取位置，在辊轧模具的叶盆模具上以真实角度值δ’_i截取叶盆模具的第i个叶盆截面，并提取第i个叶盆截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}截取n个叶盆截面，并依次提取每个叶盆截面的轮廓线，分别记为/>

步骤6：以第i个待测截面的真实角度值δ’_i作为截取位置，在叶背模具上以真实角度值δ’_i截取叶背模具的第i个叶背截面，并提取第i个叶背截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}截取n个叶背截面，并依次提取每个叶背截面的轮廓线，分别记为/>

步骤7：在第i个待测截面的理论轮廓线l_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),…,(x_i,p,y_i,p),…,(x_i,P,y_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y_i,p表示第i个待测截面的理论轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的理论轮廓线上的P个测量点；

步骤8：在第i个待测截面的实测轮廓线L_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y’_i,1),(x_i,2,y’_i,2),…,(x_i,p,y’_i,p),…,(x_i,P,y’_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y’_i,p表示第i个待测截面的实测轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的实测轮廓线上的P个测量点；

步骤9：根据每个待测截面实测轮廓线相对于理论轮廓线的y轴偏移量，分别对每个叶盆截面、每个叶背截面的轮廓线进行修整优化，得到修整后的每个叶盆截面的新轮廓线

修整后的每个叶背截面的新轮廓线/>

步骤10：根据修整后的所有叶盆截面新轮廓线

构建叶盆模具的最终型面，根据修整后的所有叶背截面新轮廓线/>

构建叶背模具的最终型面。

所述步骤3包括：

步骤3.1：测量出待加工叶片在实际轧制状态下的真实前滑系数A；

步骤3.2：定义初始辊轧模具设计时的前滑系数为B，根据公式(1)计算前滑修正系数λ，

λ＝A/B (1)

步骤3.3：定义每个待测截面对应的角度值依次为{δ₁,δ₂,…,δ_i,…,δ_n}，δ_i表示提取的第i个待测截面对应的角度值，根据公式(2)计算出叶片轧制后每个待测截面的真实角度值{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}，

δ’_i＝λδ_i (2)

式中，δ’_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值。

所述步骤9包括：

步骤9.1：利用公式(3)计算第i个待测截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在第p个测量点上的y轴偏移量

令i＝1,2,…n，分别计算出每个测量截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在每个测量点上的y轴偏移量；

步骤9.2：在第i个叶盆截面的轮廓线

上，利用公式(4)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶盆截面的新轮廓线记为

式中，

表示第i个叶盆截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

表示y坐标值

修整后的值；

步骤9.3：令i＝1,2,…n，分别利用公式(4)修整每个叶盆截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶盆截面的新轮廓线分别记为

步骤9.4：在第i个叶背截面的轮廓线

上，利用公式(5)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶背截面的新轮廓线记为

式中，

表示第i个叶背截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

表示y坐标值

修整后的值；

步骤9.5：令i＝1,2,…n，分别利用公式(5)修整每个叶背截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶背截面的新轮廓线分别记为

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，即采用型面数字化迭代技术取代现有落后的辊轧模具的人工修模方法，基于辊轧模具三维设计、型面高精度数控加工和叶片型面数字化检测条件下，采用辊轧模具的型面迭代优化技术，通过对轧制叶片型面的偏离情况进行分析，结合叶片轧制变形过程中获得的经验数据，对辊轧模具型面进行迭代优化，可以解决人工修模的技术难题，大幅度缩短修模的周期，减少试片的消耗，该方法目前已开始应用于模具型面的修理中。

附图说明

图1为本发明中基于片辊轧模具型面迭代优化方法修整叶盆模具型面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，辊轧模具设计好之后，辊轧模具的型面需要经过高精度的数控加工，如果直接用于叶片的轧制，轧制后的叶片型面与叶片理论型面往往会存在偏离，为此，本发明提出一种型面修复的优化方法，具体表述为一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据待加工叶片的理论设计参数和材料特性，生成叶片轧制用的初始辊轧模具；

步骤2：根据待加工叶片的实际检测要求确定出待加工叶片的n个待测截面，提取每个待测截面的理论轮廓线{l₁,l₂,…,l_i,…,l_n}，l_i表示提取的第i个待测截面；

步骤3：采用初始辊轧模具对待加工叶片进行轧制测试，计算出轧制后叶片的每个待测截面的真实角度值{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}，其中δ’_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值，具体表述为：

步骤3.1：测量出待加工叶片在实际轧制状态下的真实前滑系数A；

步骤3.2：定义初始辊轧模具设计时的前滑系数为B，根据公式(1)计算前滑修正系数λ，

λ＝A/B (1)

步骤3.3：定义每个待测截面对应的角度值依次为{δ₁,δ₂,…,δ_i,…,δ_n}，δ_i表示提取的第i个待测截面对应的角度值，根据公式(2)计算出叶片轧制后每个待测截面的真实角度值{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i…δ’_n}，

δ’_i＝λδ_i (2)

式中，δ’_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值；

步骤4：对于轧制后叶片的n个待测截面，分别在每个待测截面轮廓线上提取J个测量点，然后根据J个测量点拟合得到每个待测截面的实测轮廓线，分别记为{L₁,L₂,…,L_i,…,L_n}，其中L_i表示第i个待测截面的实测轮廓线；

步骤5：以第i个待测截面的真实角度值δ’_i作为截取位置，在辊轧模具的叶盆模具上以真实角度值δ’_i截取叶盆模具的第i个叶盆截面，并提取第i个叶盆截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}截取n个叶盆截面，并依次提取每个叶盆截面的轮廓线，分别记为/>

步骤6：以第i个待测截面的真实角度值δ’_i作为截取位置，在叶背模具上以真实角度值δ_i'截取叶背模具的第i个叶背截面，并提取第i个叶背截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ’₁,δ’₂,…,δ’_i,…δ’_n}截取n个叶背截面，并依次提取每个叶背截面的轮廓线，分别记为/>

步骤7：在第i个待测截面的理论轮廓线l_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),…,(x_i,p,y_i,p),…,(x_i,P,y_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y_i,p表示第i个待测截面的理论轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的理论轮廓线上的P个测量点；

步骤8：在第i个待测截面的实测轮廓线L_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y’_i,1),(x_i,2,y’_i,2),…,(x_i,p,y’_i,p),…,(x_i,P,y’_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y’_i,p表示第i个待测截面的实测轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的实测轮廓线上的P个测量点；

步骤9：根据每个待测截面实测轮廓线相对于理论轮廓线的y轴偏移量，分别对每个叶盆截面、每个叶背截面的轮廓线进行修整优化，得到修整后的每个叶盆截面的新轮廓线

得到修整后的每个叶背截面的新轮廓线/>

具体表述为：

步骤9.1：利用公式(3)计算第i个待测截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在第p个测量点上的y轴偏移量

令i＝1,2,…n，分别计算出每个测量截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在每个测量点上的y轴偏移量；

步骤9.2：在第i个叶盆截面的轮廓线

上，利用公式(4)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶盆截面的新轮廓线记为

式中，

表示第i个叶盆截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

表示y坐标值

修整后的值(即第i个叶盆截面新轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值)；

步骤9.3：令i＝1,2,…n，分别利用公式(4)修整每个叶盆截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶盆截面的新轮廓线分别记为

步骤9.4：在第i个叶背截面的轮廓线

上，利用公式(5)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶背截面的新轮廓线记为

式中，

表示第i个叶背截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

表示y坐标值

修整后的值(即第i个叶背截面新轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值)；

步骤9.5：令i＝1,2,…n，分别利用公式(5)修整每个叶背截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶背截面的新轮廓线分别记为

步骤10：根据修整后的所有叶盆截面新轮廓线

构建叶盆模具的最终型面，根据修整后的所有叶背截面新轮廓线/>

构建叶背模具的最终型面。

实施例1：辊轧模具的真实前滑系数A取值为1.015，辊轧模具的设计前滑系数B为1.03，计算得到算前滑修正系数λ＝0.985，采用该系数对模具的截面角度进行修整，修整前后的截面角度如表1所示，

表1实施例1中的截面角度表

叶盆模具的修整示意图如图1所示，借助于UG软件对叶型截面进行调整，即同时将待测截面的实测轮廓线、理论轮廓线、叶背截面轮廓线导入三维设计软件UG中，在同一个坐标系下对比对应三条曲线的位置和形状关系，按照步骤9所述的修整原理对每个叶背截面轮廓线进行迭代优化；同时将待测截面的实测轮廓线、理论轮廓线、叶盆截面轮廓线导入三维设计软件UG中，在同一个坐标系下对比对应三条曲线的位置和形状关系，按照步骤9所述的修整原理对每个叶盆截面轮廓线进行迭代优化，然后根据修整后的新轮廓线构建最终的模具型面；其中测量间隔μ取值范围为0.5～1.5mm，

实施例2：辊轧模具的真实前滑系数A取值为1.02，辊轧模具的设计前滑系数B为1.03，计算得到算前滑修正系数λ＝0.99，采用该系数对模具的截面角度进行修整，修整前后的截面角度如表2所示，按照表2的角度值在辊轧模具型面上截取截面线，然后借助于UG软件进行修整，并构建出最终型面。

表2实施例2中的截面角度表

通过上述两个实施例构建出的叶盆模具的最终型面、叶背模具的最终型面均符合图纸的设计要求，改善效果明显，而且大大缩短了模具型面修整的时间，具有较大的推广意义。

Claims (3)

1.一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据待加工叶片的理论设计参数和材料特性，生成叶片轧制用的初始辊轧模具；

步骤2：根据待加工叶片的实际检测要求确定出待加工叶片的n个待测截面，提取每个待测截面的理论轮廓线{l₁,l₂,…,l_i,…,l_n}，l_i表示提取的第i个待测截面；

步骤3：采用初始辊轧模具对待加工叶片进行轧制测试，计算出轧制后叶片的每个待测截面的真实角度值{δ′₁,δ′₂,…,δ′_i,…δ′_n}，其中δ′_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值；

步骤4：对于轧制后叶片的n个待测截面，分别在每个待测截面轮廓线上提取J个测量点，然后根据J个测量点拟合得到每个待测截面的实测轮廓线，分别记为{L₁,L₂,…,L_i,…,L_n}，其中L_i表示第i个待测截面的实测轮廓线；

步骤5：以第i个待测截面的真实角度值δ′_i作为截取位置，在辊轧模具的叶盆模具上以真实角度值δ′_i截取叶盆模具的第i个叶盆截面，并提取第i个叶盆截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ′₁,δ′₂,…,δ′_i,…δ′_n}截取n个叶盆截面，并依次提取每个叶盆截面的轮廓线，分别记为/>

步骤6：以第i个待测截面的真实角度值δ′_i作为截取位置，在叶背模具上以真实角度值δ′_i截取叶背模具的第i个叶背截面，并提取第i个叶背截面的轮廓线

令i＝1,2,…n，分别以{δ′₁,δ′₂,…,δ′_i,…δ′_n}截取n个叶背截面，并依次提取每个叶背截面的轮廓线，分别记为/>

步骤7：在第i个待测截面的理论轮廓线l_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y_i,1),(x_i,2,y_i,2),…,(x_i,p,y_i,p),…,(x_i,P,y_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y_i,p表示第i个待测截面的理论轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的理论轮廓线上的P个测量点；

步骤8：在第i个待测截面的实测轮廓线L_i上按照预设测量间隔μ提取P个测量点，分别记为{(x_i,1,y′_i,1),(x_i,2,y′_i,2),…,(x_i,p,y′_i,p),…,(x_i,P,y′_i,P)},p＝1,2,…,P，其中x_i,p和y′_i,p表示第i个待测截面的实测轮廓线上第p个测量点的x坐标值和y坐标值，令i＝1,2,…n，分别间隔μ提取每个待测截面的实测轮廓线上的P个测量点；

步骤9：根据每个待测截面实测轮廓线相对于理论轮廓线的y轴偏移量，分别对每个叶盆截面、每个叶背截面的轮廓线进行修整优化，得到修整后的每个叶盆截面的新轮廓线

修整后的每个叶背截面的新轮廓线/>

步骤10：根据修整后的所有叶盆截面新轮廓线

构建叶盆模具的最终型面，根据修整后的所有叶背截面新轮廓线/>

构建叶背模具的最终型面。

2.根据权利要求1所述的一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

步骤3.1：测量出待加工叶片在实际轧制状态下的真实前滑系数A；

步骤3.2：定义初始辊轧模具设计时的前滑系数为B，根据公式(1)计算前滑修正系数λ，

λ＝A/B (1)

步骤3.3：定义每个待测截面对应的角度值依次为{δ₁,δ₂,…,δ_i,…,δ_n}，δ_i表示提取的第i个待测截面对应的角度值，根据公式(2)计算出叶片轧制后每个待测截面的真实角度值{δ′₁,δ′₂,…,δ′_i,…δ′_n}，

δ′_i＝λδ_i (2)

式中，δ′_i表示轧制后的叶片的第i个待测截面的真实角度值。

3.根据权利要求1所述的一种叶片辊轧模具型面迭代优化的方法，其特征在于，所述步骤9包括：

步骤9.1：利用公式(3)计算第i个待测截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在第p个测量点上的y轴偏移量

令i＝1,2,…n，分别计算出每个测量截面的实测轮廓线相对于理论轮廓线在每个测量点上的y轴偏移量；

步骤9.2：在第i个叶盆截面的轮廓线

上，利用公式(4)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶盆截面的新轮廓线记为/>

式中，

表示第i个叶盆截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

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修整后的值；

步骤9.3：令i＝1,2,…n，分别利用公式(4)修整每个叶盆截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶盆截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶盆截面的新轮廓线分别记为

步骤9.4：在第i个叶背截面的轮廓线

上，利用公式(5)修整每个x坐标下的y坐标，即实现对第i个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的第i个叶背截面的新轮廓线记为/>

式中，

表示第i个叶背截面轮廓线/>

在x_i,p坐标下的y坐标值，/>

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修整后的值；

步骤9.5：令i＝1,2,…n，分别利用公式(5)修整每个叶背截面轮廓线上每个x坐标下的y坐标，实现对每个叶背截面轮廓线的修整优化，修整后的每个叶背截面的新轮廓线分别记为

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