CN112355104A - 一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法，包括：热成形机床、榫头夹持夹具、扭转夹具及变形限制模具；热成形机床的上、下工作平台均由加热层、耐热陶瓷层及水冷层组成，榫头夹持夹具用于夹持叶片毛坯的榫头，固定于热成形机床内，扭转夹具用于夹持叶片的叶身；扭转夹具的旋转轴与热成形机床的上、下工作平台的台面平行；变形限制模具安装在变形限制模具固定板上，变形限制模具固定板通过下顶杆与下升降台连接。本发明适用于不同扭转角度及外形尺寸的叶片高温扭转成形，能够保障扭转后叶片精确装配于后续精整成形模具中。

Description

一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法

技术领域

本发明属于叶片精密塑性成形技术领域，具体指代一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法。

背景技术

高性能航空发动机是现代航空工业发展的重要基础，宽弦空心风扇叶片能够有效提升航空发动机性能，实现高推重比、大推力、低油耗航，其精密成形技术是现今航空发动机制造领域的关键技术之一。由于航空发动机宽弦空心风扇叶片拥有复杂的空间曲面形状，且内部为空心结构，成形困难，采用机械加工、增材制造方法均无法实现其精确制造。结合机械加工，采用扩散连接-高温扭转-高温冲压-高温气胀塑性成形工艺路线，能够有效、精确成形出复杂结构空心叶片。由于空心叶片往往具有较大的扭转角度，空心叶片毛坯无法直接装配在高温冲压模具中进行冲压成形。通过高温扭转工艺可以获得具有一定扭转角度的过渡形状叶片毛坯，从而使得叶片能够安装在模具内进行后续冲压成形。高温扭转过程中，由于除扭转夹持部位外叶片其他部位材料变形无模具限制，易出现过变形及局部变形不充分现象。过变形一方面会造成扭转后叶片局部与高温冲压模具干涉，使得叶片而不能在模具中精确定位，另一方面还会引起局部过渡减薄而材料不足，最终导致零件报废。为实现空心叶片的扭转预成形，需要设计并制造专门的高温扭转设备，并精确控制、优化扭转中心、角度、速度及温度等相关工艺参数。目前，针对外形复杂的航空发动机空心风扇叶片的高温扭转成形方法及装备主要采用的形式有：

（1）夹持叶片榫头，推动叶片进入带有扭转型面模具的开孔模腔进行推弯成形。中国发明专利申请号为CN201310508213.0，名称为“一种空心叶片推弯成形工艺”中提出了一种高温下推弯成形工艺及推弯成形模具，通过夹持叶片榫头将叶片推入模具型腔使其受迫弯曲而扭转变形，然而在此工艺过程中叶片未进入模具部分变形不受控制，且叶片向前推弯过程中所受阻力较大，叶片易压缩失稳而导致无法成形。

（2）通过夹具夹持叶片榫头端及叶尖端，榫头端固定，叶尖端旋转从而带动叶身变形实现扭转。中国发明专利申请号为CN201510600373.7，名称为“一种叶片扭转试验装置”中公开采用夹持叶片两端的方式，可以在高温下实现叶片的精确小角度扭转，适用于实验室叶片性能扭转测试，无法应用于大扭转角空心叶片的扭转成形生产应用。中国发明专利申请号为CN201410809328.8，名称为“一种用于叶片成形的扭转炉”中公开应用两端夹持方法可以在真空炉内对叶片进行大角度高温扭转。通过两端夹持方式能够实现叶片夹持部位的精确高温扭转成形，但是叶片中间部分在扭转过程中没有夹具进行变形限制，在两端变形带动下极易造成局部变形不充分以及过变形，从而导致扭转后叶片无法精确定位于高温冲压成形模具中，而且过变形能够致使局部材料不足，无法成形。

（3）基于离散化成形方法，采用多套夹具分别对叶片多个截面或者多个点阵式区域进行扭转成形。中国发明专利申请号为CN201510122613.7，名称为“空心叶片多截面同步扭转成形方法”中公开了在多个截面内通过推杆式扭转装置能够实现叶片不同截面扭转变形的精确控制。中国发明专利申请号为CN201710895074.X，名称为“一种空心叶片多点同步热扭转成形装置及成形方法”中公开了将叶片扭转区域离散为点阵空间，通过点阵式冲头装置可以实现叶片多区域同时扭转。然而，多截面或者多点成形方法需要控制多个驱动装置协同工作，各扭转装置根据各自对应区域的变形情况设计加载过程，而未曾考虑相邻区域的协调变形，在扭转过程各易相互干涉而导致局部变形缺陷，最终无法成形叶片。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置及方法，以解决现有技术中空心叶片高温扭转成形方法引起的扭转过变形等变形缺陷的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，包括：热成形机床、榫头夹持夹具、扭转夹具及变形限制模具；

热成形机床的上、下工作平台均由加热层、耐热陶瓷层及水冷层组成，加热层内布置电加热棒进行加热，水冷层布置有冷却水通道通水冷却；上工作台由上加热层、上耐热陶瓷层及上水冷层组成，上水冷层与上液压缸连接，上液压缸固定在热成形机床支座的顶部；下工作台由下加热层、下耐热陶瓷层及下水冷层组成，下水冷层固定于下工作台立柱上，下工作台底部安装有下液压缸、下升降台及下顶杆，热成形机床四周安装的隔热层与上、下加热层形成封闭加热空间；四周的隔热层与开闭气缸连接，通过开闭气缸实现隔热层的开闭；左隔热层、右隔热层、左开闭气缸、右开闭气缸分别固定在热成形机床支座立柱上，前隔热层及前开闭气缸分别固定在前升降横梁上，前升降横梁与前升降气缸连接，后隔热层及后开闭气缸分别固定在后升降横梁上，后升降横梁与后升降气缸连接；前、后升降气缸均固定在热成形机床支座立柱上，带动前、后升降横梁及前、后开闭气缸上下运动，从而实现前、后隔热层的升降；

榫头夹持夹具用于夹持叶片毛坯的榫头，固定于热成形机床内，包含上榫头夹具和下榫头夹具，上榫头夹具与上支撑框架连接，下榫头夹具与下支撑框架连接，上、下支撑框架分别固定在热成形机床的上、下加热层上；

扭转夹具用于夹持叶片的叶身，扭转夹具的旋转轴与热成形机床的上、下工作平台的台面平行，旋转轴的输入端与热成形机床外设置的扭转步进电机连接，扭转夹具的夹持端置于热成形机床内，通过控制器控制扭转夹具扭转角速度及扭转角度，叶片在扭转夹具带动下实现在扭转夹具截面内的扭转；

变形限制模具安装在变形限制模具固定板上，变形限制模具固定板通过下顶杆与下升降台连接，下升降台与下液压缸连接，通过下液压缸带动下升降平台，进而通过下顶杆带动变形限制模具固定板与变形限制模具上下移动，抑制或修复叶片扭转过程产生的过变形。

进一步地，所述热成形机床的右隔热层上开设有矩形孔，用于安装带有圆孔的波纹板，扭转夹具穿过该波纹板，沿波纹板长度方向移动。

进一步地，所述扭转夹具上安装有水冷环，用于防止热量传递入扭转步进电机。

进一步地，所述扭转步进电机固定在二维水平工作台上，二维水平工作台固定在二维水平工作台支座上，通过二维水平工作台移动实现扭转步进电机及扭转夹具的平面移动，进而对叶片毛坯进行变截面、变扭转中心扭转。

进一步地，所述上工作平台包含：上加热层、上耐热陶瓷层及上水冷层，上加热层通过螺栓与上耐热陶瓷层连接，上耐热陶瓷层通过螺栓与上水冷层连接，上水冷层通过螺栓与上液压缸连接。

进一步地，所述下工作平台包含：下加热层、下耐热陶瓷层及下水冷层，下加热层通过螺栓与下耐热陶瓷层连接，下耐热陶瓷层通过螺栓与下水冷层连接，下水冷层通过螺栓与下工作台立柱连接。

本发明的一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，步骤如下：

1）设计叶片的扭转中心及扭转角度；

2）设计变形限制模具；

3）将叶片毛坯安装在扭转夹具上；

4）对叶片毛坯进行加热；

5）对叶片毛坯进行扭转；

6）冷却：上水冷层、下水冷层及水冷环中通冷却水直至热成形机床内温度降至100℃以下；

7）取出扭转后的叶片。

进一步地，所述步骤1）具体包括：在三维造型软件中依据叶片产品设计外形作叶片中性面；在三维造型软件中作叶片产品设计外形的叶片榫头底部平面；以叶片榫头底部平面为参照，作等距平行的第一底部支撑截面、第二底部支撑截面、第三底部支撑截面、第四底部支撑截面与第五底部支撑截面，在两相邻底部支撑截面间作平行等距的第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面、第四扭转截面及第五扭转截面；分别作第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面、第四扭转截面及第五扭转截面与叶片中性面的相交线；在三维造型软件中移动叶片毛坯及叶片产品设计外形，使其叶片榫头底面中心点重合，在叶片榫头底部平面内作叶片毛坯榫头底部平面中心线、中心线的中点、第五扭转截面与叶片中性面相交线在平面上的投影线，作过投影线两端点的辅助线，作与辅助线平行且与投影线相切的辅助线，作过投影线两端点的辅助线及与辅助线平行且与投影线相切的辅助线的中心线，中心线及交点为第五扭转截面内的扭转中心P，叶片榫头底部平面中心线及辅助线平行且与投影线相切的辅助线的中心线的交角为第五扭转截面内的扭转角α；依据上述方法依次设计第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面及第四扭转截面的扭转中心及扭转角度。

进一步地，所述步骤2）具体包括：依据叶片产品设计外形，以第一底部支撑截面、第二底部支撑截面、第三底部支撑截面、第四底部支撑截面与第五底部支撑截面为中心，设计多个底部变形限制模具。

进一步地，所述步骤3）具体包括：通过气压控制前开闭气缸、后开闭气缸、左开闭气缸及右开闭气缸动作，带动热成形机床的前隔热层、后隔热层、左隔热层及右隔热层至打开状态；通过气压控制前升降气缸及后升降气缸动作，带动前隔热层及后隔热层至升起状态；通过液压控制上液压缸动作，带动上水冷层、上耐热陶瓷层及上加热层至升起状态；利用上加热层及下加热层上的T型槽，通过螺杆及压板分别将上支撑框架与下支撑框架固定于上加热层及下加热层上；上加热层及下加热层内安装电加热棒；通过螺栓连接上榫头夹具与上支撑框架，通过螺栓连接下榫头夹具与下支撑框架；下支撑框架使扭转夹具的中心旋转轴与叶片毛坯榫头底部平面中心线在同一水平面内；扭转夹具穿过安装于右隔热层上的波纹板，扭转夹具的旋转轴输入端通过螺栓与扭转步进电机的转轴连接，二者之间安装有水冷环；扭转步进电机通过螺栓与二维水平工作台连接，二维水平工作台通过螺栓固定在二维水平工作台支座上；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台移动，带动扭转夹具向右隔热层一侧移动至与右隔热层接触；通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向下移动，直至变形限制模具固定板与下加热层接触；安装叶片毛坯的叶片榫头至下榫头夹具上，上液压缸动作，带动上水冷层、上耐热陶瓷层、上加热层、上支撑框架及上榫头夹具向下移动，直至上榫头夹具与下榫头夹具闭合夹紧叶片毛坯的叶片榫头；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台移动，带动扭转夹具向左隔热层一侧移动，使扭转夹具的夹头达到初始扭转截面位置第五扭转截面，扭转夹具的中心旋转轴与过P点且垂直于叶片榫头底部平面的旋转中心线重合；通过气压控制前升降气缸及后升降气缸动作，带动前隔热层及后隔热层至下降状态；通过气压控制前开闭气缸、后开闭气缸、左开闭气缸及右开闭气缸动作，带动前隔热层、后隔热层、左隔热层及右隔热层至闭合状态。

进一步地，所述步骤4）具体包括：上水冷层、下水冷层及水冷环中通冷却水；通过温控仪控制上加热层及下加热层内的电加热棒按设定温度-时间曲线通电加热；待叶片毛坯温度达到设计扭转变形温度后，保温使叶片内温度场均匀。

进一步地，所述步骤5）具体包括：控制扭转步进电机带动扭转夹具旋转，按照均匀角速度在10分钟内完成叶片在第五扭转截面内的扭转，扭转角度为α；扭转步进电机停止转动并保持锁定，扭转夹具在第五扭转截面内保持不动，通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向上移动，直至变形限制模具上表面达到叶片产品设计外形接重合位置，修正叶片扭转过变形；通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向下移动，直变形限制模具固定板与下加热层接触；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台移动，带动扭转夹具向右隔热层一侧移动，使扭转夹具的夹头达到第四扭转截面，且使扭转夹具的中心旋转轴与第四扭转截面相应的扭转中心重合，通过控制扭转步进电机带动扭转夹具旋转，按照均匀角速度在10分钟内完成叶片在第四扭转截面内的扭转，扭转角度为步骤1）获得的第四扭转截面内的扭转角度减去角α；扭转步进电机停止转动并保持锁定，扭转夹具在第四扭转截面内保持不动，通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向上移动，直至变形限制模具上表面达到叶片产品设计外形接重合位置，修正叶片扭转过变形；通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向下移动，直至变形限制模具固定板与下加热层接触；依据上述步骤，依次完成其余扭转截面内的叶片扭转及过变形修正。

进一步地，所述步骤7）具体包括：通过气压控制前开闭气缸、后开闭气缸、左开闭气缸及右开闭气缸动作，带动热成形机床的前隔热层、后隔热层、左隔热层及右隔热层至打开状态；通过气压控制前升降气缸及后升降气缸动作，带动前隔热层及后隔热层至升起状态；通过液压控制上液压缸动作，带动上水冷层、上隔热层、上加热层、上支撑框架及上榫头夹具向上移动，取出扭转后的叶片。

本发明的有益效果：

本发明进行航空发动机钛合金宽弦空心风扇叶片的高温扭转成形，可以通过单扭转夹头实现多个截面内的精确扭转，并且能够有效解决叶片扭转产生的过变形问题，适用于不同扭转角度及外形尺寸的叶片高温扭转成形，能够保障扭转后叶片精确装配于后续精整成形模具中。

附图说明

图1为本发明高温扭转成形装置示意图；

图2为本发明高温扭转成形装置侧视图；

图3为本发明高温扭转成形装置A-A截面视图；

图4为本发明高温扭转成形装置炉体内部结构示意图；

图5为本发明高温扭转夹具及底部变形限制模具示意图；

图6为叶片毛坯及叶片产品设计外形透视图；

图7为扭转截面及底部支撑截面划分示意图；

图8为空心叶片在平面内扭转中心及扭转角度计算示意图；

图9为叶片高温扭转变形限制模具设计示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1至图5所示，本发明的一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，包括：热成形机床、榫头夹持夹具、扭转夹具及变形限制模具；

热成形机床的上、下工作平台均由加热层、耐热陶瓷层及水冷层组成，加热层内布置电加热棒进行加热，水冷层布置有冷却水通道通水冷却；上工作台由上加热层29、上耐热陶瓷层4及上水冷层30组成，上水冷层30与上液压缸34连接，上液压缸34固定在热成形机床支座32的顶部；下工作台由下加热层20、下耐热陶瓷层19及下水冷层18组成，下水冷层18固定于下工作台立柱13上，下工作台底部安装有下液压缸14、下升降台16及下顶杆15，热成形机床四周安装的隔热层与上、下加热层形成封闭加热空间；四周的隔热层与开闭气缸连接，通过开闭气缸实现隔热层的开闭；左隔热层27、右隔热层11、左开闭气缸24、右开闭气缸35分别固定在热成形机床支座立柱38上，前隔热层1及前开闭气缸2分别固定在前升降横梁3上，前升降横梁3与前升降气缸17连接，后隔热层33及后开闭气缸36分别固定在后升降横梁31上，后升降横梁31与后升降气缸21连接；前、后升降气缸均固定在热成形机床支座立柱38上，带动前、后升降横梁及前、后开闭气缸上下运动，从而实现前、后隔热层的升降；

榫头夹持夹具用于夹持叶片毛坯的榫头，固定于热成形机床内，包含上榫头夹具26和下榫头夹具25，上榫头夹具26与上支撑框架28连接，下榫头夹具25与下支撑框架连接，上、下支撑框架分别通过螺栓及压板固定在热成形机床的上、下加热层上；

扭转夹具7用于夹持叶片的叶身，扭转夹具的旋转轴与热成形机床的上、下工作平台的台面平行，旋转轴的输入端与热成形机床外设置的扭转步进电机8连接，扭转夹具的夹持端置于热成形机床内，通过控制器控制扭转夹具扭转角速度及扭转角度，叶片在扭转夹具带动下实现在扭转夹具截面内的扭转；

变形限制模具12安装在变形限制模具固定板23上，变形限制模具固定板23通过下顶杆15与下升降台16连接，下升降台16与下液压缸14连接，通过下液压缸14带动下升降平台16，进而通过下顶杆15带动变形限制模具固定板23与变形限制模具12上下移动，抑制或修复叶片扭转过程产生的过变形。

其中，所述热成形机床的右隔热层11上开设有矩形孔，用于安装带有圆孔的波纹板6，扭转夹具7穿过该波纹板，沿波纹板长度方向移动。

其中，所述扭转夹具7上安装有水冷环37，用于防止热量传递入扭转步进电机8。

其中，所述扭转步进电机8固定在二维水平工作台9上，二维水平工作台9固定在二维水平工作台支座10上，通过二维水平工作台9移动实现扭转步进电机8及扭转夹具7的平面移动，进而对叶片毛坯进行变截面、变扭转中心扭转。

其中，所述上工作平台包含：上加热层29、上耐热陶瓷层4及上水冷层30，上加热层29通过螺栓与上耐热陶瓷层4连接，上耐热陶瓷层4通过螺栓与上水冷层30连接，上水冷层30通过螺栓与上液压缸34连接。

其中，所述下工作平台包含：下加热层20、下耐热陶瓷层19及下水冷层18，下加热层20通过螺栓与下耐热陶瓷层19连接，下耐热陶瓷层19通过螺栓与下水冷层18连接，下水冷层18通过螺栓与下工作台立柱13连接。

本发明的一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，基于上述装置，步骤如下：

1）设计叶片的扭转中心及扭转角度；

在三维造型软件中依据叶片产品设计外形39作叶片中性面40，图6所示；如图7所示，在三维造型软件中作叶片产品设计外形39的叶片榫头底部平面51；以叶片榫头底部平面51为参照，作等距平行的第一底部支撑截面41、第二底部支撑截面42、第三底部支撑截面43、第四底部支撑截面44与第五底部支撑截面45，在两相邻底部支撑截面间作平行等距的第一扭转截面46、第二扭转截面47、第三扭转截面48、第四扭转截面49及第五扭转截面50；分别作第一扭转截面46、第二扭转截面47、第三扭转截面48、第四扭转截面49及第五扭转截面50与叶片中性面340的相交线；在三维造型软件中移动叶片毛坯5及叶片产品设计外形39，使其叶片榫头底面中心点重合，如图8，在叶片榫头底部平面51内作叶片毛坯榫头底部平面中心线52、中心线的中点52、第五扭转截面与叶片中性面相交线在平面51上的投影线53，作过投影线53两端点的辅助线54,作与辅助线54平行且与投影线53相切的辅助线55，作过投影线53两端点的辅助线54及与辅助线54平行且与投影线53相切的辅助线55的中心线56，中心线52及交点56为第五扭转截面50内的扭转中心P，叶片榫头底部平面中心线52及辅助线54平行且与投影线53相切的辅助线55的中心线56的交角为第五扭转截面50内的扭转角α；依据上述方法依次设计第一扭转截面46、第二扭转截面47、第三扭转截面48及第四扭转截面49的扭转中心及扭转角度。

2）设计变形限制模具；

依据叶片产品设计外形39，以第一底部支撑截面41、第二底部支撑截面42、第三底部支撑截面43、第四底部支撑截面44与第五底部支撑截面45为中心，设计多个变形限制模具12，如图9所示。

3）将叶片毛坯安装在扭转夹具上；

通过气压控制前开闭气缸2、后开闭气缸36、左开闭气缸24及右开闭气缸35动作，带动热成形机床的前隔热层1、后隔热层33、左隔热层27及右隔热层11至打开状态；通过气压控制前升降气缸17及后升降气缸21动作，带动前隔热层1及后隔热层33至升起状态；通过液压控制上液压缸34动作，带动上水冷层30、上耐热陶瓷层4及上加热层29至升起状态；利用上加热层29及下加热层20上的T型槽，通过螺杆及压板分别将上支撑框架28与下支撑框架22固定于上加热层29及下加热层20上；上加热层29及下加热层20内安装电加热棒；通过螺栓连接上榫头夹具26与上支撑框架28，通过螺栓连接下榫头夹具25与下支撑框架22；下支撑框22架使扭转夹具7的中心旋转轴与叶片毛坯榫头底部平面中心线52在同一水平面内；扭转夹具7穿过安装于右隔热层11上的波纹板6，扭转夹具7的旋转轴输入端通过螺栓与扭转步进电机8的转轴连接，二者之间安装有水冷环37；扭转步进电机8通过螺栓与二维水平工作台9连接，二维水平工作台9通过螺栓固定在二维水平工作台支座10上；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台9移动，带动扭转夹具7向右隔热层11一侧移动至与右隔热层接触；通过液压控制下液压缸14动作，带动下升降台16、下顶杆15、变形限制模具固定板23及变形限制模具12向下移动，直至变形限制模具固定板23与下加热层20接触；安装叶片毛坯5的叶片榫头至下榫头夹具25上，上液压缸34动作，带动上水冷层30、上耐热陶瓷层4、上加热层29、上支撑框架28及上榫头夹具26向下移动，直至上榫头夹具26与下榫头夹具25闭合夹紧叶片毛坯5的叶片榫头；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台9移动，带动扭转夹具7向左隔热层27一侧移动，使扭转夹具7的夹头达到初始扭转截面位置第五扭转截面50，扭转夹具7的中心旋转轴与过P点且垂直于叶片榫头底部平面51的旋转中心线重合；通过气压控制前升降气缸17及后升降气缸21动作，带动前隔热层1及后隔热层33至下降状态；通过气压控制前开闭气缸2、后开闭气缸36、左开闭气缸24及右开闭气缸35动作，带动前隔热层1、后隔热层33、左隔热层27及右隔热层11至闭合状态。

4）对叶片毛坯进行加热；

上水冷层30、下水冷层18及水冷环37中通冷却水；通过温控仪控制上加热层29及下加热层20内的电加热棒按设定温度-时间曲线通电加热；待叶片毛坯温度达到设计扭转变形温度后，保温使叶片内温度场均匀。

5）对叶片毛坯进行扭转；

控制扭转步进电机8带动扭转夹具7旋转，按照均匀角速度在10分钟内完成叶片在第五扭转截面50内的扭转，扭转角度为α；扭转步进电机8停止转动并保持锁定，扭转夹具7在第五扭转截面50内保持不动，通过液压控制下液压缸14动作，带动下升降台16、下顶杆15、变形限制模具固定板23及变形限制模具12向上移动，直至变形限制模具12上表面达到叶片产品设计外形39接重合位置，修正叶片扭转过变形；通过液压控制下液压缸14动作，带动下升降台16、下顶杆15、变形限制模具固定板23及变形限制模具12向下移动，直变形限制模具固定板23与下加热层20接触；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台9移动，带动扭转夹具7向右隔热层11一侧移动，使扭转夹具7的夹头达到第四扭转截面49，且使扭转夹具7的中心旋转轴与第四扭转截面49相应的扭转中心重合，通过控制扭转步进电机8带动扭转夹具7旋转，按照均匀角速度在10分钟内完成叶片在第四扭转截面49内的扭转，扭转角度为步骤1）获得的第四扭转截面49内的扭转角度减去角α；扭转步进电机8停止转动并保持锁定，扭转夹具7在第四扭转截面49内保持不动，通过液压控制下液压缸14动作，带动下升降台16、下顶杆15、变形限制模具固定板23及变形限制模具12向上移动，直至变形限制模具12上表面达到叶片产品设计外形38接重合位置，修正叶片扭转过变形；通过液压控制下液压缸14动作，带动下升降台16、下顶杆15、变形限制模具固定板23及变形限制模具12向下移动，直至变形限制模具固定板23与下加热层20接触；依据上述步骤，依次完成其余扭转截面内的叶片扭转及过变形修正。

6）冷却：上水冷层、下水冷层及水冷环中通冷却水直至热成形机床内温度降至100℃以下。

7）取出扭转后的叶片；

通过气压控制前开闭气缸2、后开闭气缸36、左开闭气缸24及右开闭气缸动作35，带动热成形机床的前隔热层1、后隔热层33、左隔热27层及右隔热层11至打开状态；通过气压控制前升降气缸17及后升降气缸21动作，带动前隔热层1及后隔热层33至升起状态；通过液压控制上液压缸34动作，带动上水冷层30、上隔热层4、上加热层29、上支撑框架28及上榫头夹具26向上移动，取出扭转后的叶片。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，其特征在于，包括：热成形机床、榫头夹持夹具、扭转夹具及变形限制模具；

热成形机床的上、下工作平台均由加热层、耐热陶瓷层及水冷层组成，加热层内布置电加热棒进行加热，水冷层布置有冷却水通道通水冷却；上工作台由上加热层、上耐热陶瓷层及上水冷层组成，上水冷层与上液压缸连接，上液压缸固定在热成形机床支座的顶部；下工作台由下加热层、下耐热陶瓷层及下水冷层组成，下水冷层固定于下工作台立柱上，下工作台底部安装有下液压缸、下升降台及下顶杆，热成形机床四周安装的隔热层与上、下加热层形成封闭加热空间；四周的隔热层与开闭气缸连接，通过开闭气缸实现隔热层的开闭；左隔热层、右隔热层、左开闭气缸、右开闭气缸分别固定在热成形机床支座立柱上，前隔热层及前开闭气缸分别固定在前升降横梁上，前升降横梁与前升降气缸连接，后隔热层及后开闭气缸分别固定在后升降横梁上，后升降横梁与后升降气缸连接；前、后升降气缸均固定在热成形机床支座立柱上，带动前、后升降横梁及前、后开闭气缸上下运动，从而实现前、后隔热层的升降；

榫头夹持夹具用于夹持叶片毛坯的榫头，固定于热成形机床内，包含上榫头夹具和下榫头夹具，上榫头夹具与上支撑框架连接，下榫头夹具与下支撑框架连接，上、下支撑框架分别固定在热成形机床的上、下加热层上；

扭转夹具用于夹持叶片的叶身，扭转夹具的旋转轴与热成形机床的上、下工作平台的台面平行，旋转轴的输入端与热成形机床外设置的扭转步进电机连接，扭转夹具的夹持端置于热成形机床内，通过控制器控制扭转夹具扭转角速度及扭转角度，叶片在扭转夹具带动下实现在扭转夹具截面内的扭转；

变形限制模具安装在变形限制模具固定板上，变形限制模具固定板通过下顶杆与下升降台连接，下升降台与下液压缸连接，通过下液压缸带动下升降平台，进而通过下顶杆带动变形限制模具固定板与变形限制模具上下移动，抑制或修复叶片扭转过程产生的过变形。

2.根据权利要求1所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，其特征在于，所述热成形机床的右隔热层上开设有矩形孔，用于安装带有圆孔的波纹板，扭转夹具穿过该波纹板，沿波纹板长度方向移动。

3.根据权利要求1所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，其特征在于，所述扭转步进电机固定在二维水平工作台上，二维水平工作台固定在二维水平工作台支座上，通过二维水平工作台移动实现扭转步进电机及扭转夹具的平面移动，进而对叶片毛坯进行变截面、变扭转中心扭转。

4.根据权利要求1所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，其特征在于，所述上工作平台包含：上加热层、上耐热陶瓷层及上水冷层，上加热层通过螺栓与上耐热陶瓷层连接，上耐热陶瓷层通过螺栓与上水冷层连接，上水冷层通过螺栓与上液压缸连接。

5.根据权利要求1所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形装置，其特征在于，所述下工作平台包含：下加热层、下耐热陶瓷层及下水冷层，下加热层通过螺栓与下耐热陶瓷层连接，下耐热陶瓷层通过螺栓与下水冷层连接，下水冷层通过螺栓与下工作台立柱连接。

6.一种钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，基于上述权利要求1-5中任意一项的装置，其特征在于，步骤如下：

1）设计叶片的扭转中心及扭转角度；

2）设计变形限制模具；

3）将叶片毛坯安装在扭转夹具上；

4）对叶片毛坯进行加热；

5）对叶片毛坯进行扭转；

6）冷却：上水冷层、下水冷层及水冷环中通冷却水直至热成形机床内温度降至100℃以下；

7）取出扭转后的叶片。

7.根据权利要求6所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，其特征在于，所述步骤1）具体包括：在三维造型软件中依据叶片产品设计外形作叶片中性面；在三维造型软件中作叶片产品设计外形的叶片榫头底部平面；以叶片榫头底部平面为参照，作等距平行的第一底部支撑截面、第二底部支撑截面、第三底部支撑截面、第四底部支撑截面与第五底部支撑截面，在两相邻底部支撑截面间作平行等距的第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面、第四扭转截面及第五扭转截面；分别作第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面、第四扭转截面及第五扭转截面与叶片中性面的相交线；在三维造型软件中移动叶片毛坯及叶片产品设计外形，使其叶片榫头底面中心点重合，在叶片榫头底部平面内作叶片毛坯榫头底部平面中心线、中心线的中点、第五扭转截面与叶片中性面相交线在平面上的投影线，作过投影线两端点的辅助线，作与辅助线平行且与投影线相切的辅助线，作过投影线两端点的辅助线及与辅助线平行且与投影线相切的辅助线的中心线，中心线及交点为第五扭转截面内的扭转中心P，叶片榫头底部平面中心线及辅助线平行且与投影线相切的辅助线的中心线的交角为第五扭转截面内的扭转角α；依据上述方法依次设计第一扭转截面、第二扭转截面、第三扭转截面及第四扭转截面的扭转中心及扭转角度。

8.根据权利要求6所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，其特征在于，所述步骤2）具体包括：依据叶片产品设计外形，以第一底部支撑截面、第二底部支撑截面、第三底部支撑截面、第四底部支撑截面与第五底部支撑截面为中心，设计多个底部变形限制模具。

9.根据权利要求6所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，其特征在于，所述步骤3）具体包括：通过气压控制前开闭气缸、后开闭气缸、左开闭气缸及右开闭气缸动作，带动热成形机床的前隔热层、后隔热层、左隔热层及右隔热层至打开状态；通过气压控制前升降气缸及后升降气缸动作，带动前隔热层及后隔热层至升起状态；通过液压控制上液压缸动作，带动上水冷层、上耐热陶瓷层及上加热层至升起状态；利用上加热层及下加热层上的T型槽，通过螺杆及压板分别将上支撑框架与下支撑框架固定于上加热层及下加热层上；上加热层及下加热层内安装电加热棒；通过螺栓连接上榫头夹具与上支撑框架，通过螺栓连接下榫头夹具与下支撑框架；下支撑框架使扭转夹具的中心旋转轴与叶片毛坯榫头底部平面中心线在同一水平面内；扭转夹具穿过安装于右隔热层上的波纹板，扭转夹具的旋转轴输入端通过螺栓与扭转步进电机的转轴连接，二者之间安装有水冷环；扭转步进电机通过螺栓与二维水平工作台连接，二维水平工作台通过螺栓固定在二维水平工作台支座上；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台移动，带动扭转夹具向右隔热层一侧移动至与右隔热层接触；通过液压控制下液压缸动作，带动下升降台、下顶杆、变形限制模具固定板及变形限制模具向下移动，直至变形限制模具固定板与下加热层接触；安装叶片毛坯的叶片榫头至下榫头夹具上，上液压缸动作，带动上水冷层、上耐热陶瓷层、上加热层、上支撑框架及上榫头夹具向下移动，直至上榫头夹具与下榫头夹具闭合夹紧叶片毛坯的叶片榫头；通过控制器及驱动器控制二维水平工作台移动，带动扭转夹具向左隔热层一侧移动，使扭转夹具的夹头达到初始扭转截面位置第五扭转截面，扭转夹具的中心旋转轴与过P点且垂直于叶片榫头底部平面的旋转中心线重合；通过气压控制前升降气缸及后升降气缸动作，带动前隔热层及后隔热层至下降状态；通过气压控制前开闭气缸、后开闭气缸、左开闭气缸及右开闭气缸动作，带动前隔热层、后隔热层、左隔热层及右隔热层至闭合状态。

10.根据权利要求6所述的钛合金空心叶片变截面高温扭转预成形方法，其特征在于，所述步骤4）具体包括：上水冷层、下水冷层及水冷环中通冷却水；通过温控仪控制上加热层及下加热层内的电加热棒按设定温度-时间曲线通电加热；待叶片毛坯温度达到设计扭转变形温度后，保温使叶片内温度场均匀。

Images