CN112395742B - 一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，包括以下步骤：S01，建立夹具基础模型和叶片工件模型；S02，模拟航空发动机叶片在重力作用下悬挂于夹具上的状态；S03，热处理夹具的优化数据分析；S04，根据数据分析结果对热处理夹具进行优化。本发明根据叶片在热处理夹具上面悬挂状态的分析数据对热处理夹具进行优化，使实际设计制造出的热处理夹具能在实际生产中让叶片叶身接近理想竖直悬挂于其上，以降低叶片热处理变形，从而提高叶片加工制造与设计图纸的相符性，降低叶片加工制造成本；同时，本发明通过模拟实物及场景的方法代替实物试验来对夹具进行优化，节省了材料成本缩短了制造周期，提高了叶片研制生产效率。

Description

一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法
技术领域
本发明涉及一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法。
背景技术
目前在叶片热处理实际应用过程中，为了降低其因为自重和相互间挤压而带来的热处理变形，往往采用吊挂的方式来进行热处理。无锡透平叶片有限公司专利CN204455214U《一种降低汽轮机叶片锻件热处理变形的装料结构》说明书公开了一种装料结构，此结构可利用叶片的自重将叶片自由悬挂于其上进行热处理以减少热处理变形；西安航空动力股份有限公司专利CN204097530U《一种精锻叶片真空热处理组合式料架》说明书也公开了一种组合式料架，使用该料架可使榫头长度方向带斜度的叶片叶身竖直悬挂于其上，以减少叶片发生热处理变形。以上两个专利反映了目前大多数悬挂式叶片热处理夹具的目的都是要将叶片叶身竖直悬挂于热处理夹具上以减少叶片热处理变形，因在叶片实际热处理过程中，叶片叶身竖直悬挂状态偏转几度的小差别往往会带来较大的变形差异(靠近叶尖叶身截面的扭转变形差别可达到1.8度以上)，实践中发现：叶片自由悬挂时其叶身越竖直，叶片热处理后发生的变形越小，反之亦然。并且大多数在制叶片的榫头内侧面为圆弧面或圆锥面等非简单平面，且叶片结构不规则其重心不在几何中心，目前未有一种有效方法在制造热处理夹具之前判断叶片在实际重力作用下竖直悬挂于夹具上与否，这就会造成实际设计制造出的热处理夹具并不能使叶片叶身接近理想竖直悬挂于其上，往往会有几度甚至十几度的偏转差别。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，包括以下步骤：
S01，建立夹具基础模型和叶片工件模型：
根据热处理夹具的阵列结构特点进行精简，取最小有效装夹单元作为夹具基础模型，并建立航空发动机叶片的真实三维模型，设置好叶片与夹具最小有效装夹单元间的位置关系，并使叶片的悬挂方向为正X、Y、Z中的任一向；
S02，模拟航空发动机叶片在重力作用下悬挂于夹具上的状态：
将设置好的夹具最小有效装夹单元和叶片真实模型导入仿真模块中，模拟工件在重力作用下自由下落悬挂到夹具上的过程；
S03，热处理夹具的优化数据分析：
将上一步骤模拟后的夹具最小有效装夹单元模型及叶片真实模型导入三维建模基础模型中，结合航空发动机叶片结构特点，利用辅助画线、测量等功能，分析热处理夹具的叶片装夹间距、装夹角度等参数对叶片竖直悬挂状态的影响；
S04，根据数据分析结果对热处理夹具进行优化：
根据上一步骤中分析的叶片装夹间距、装夹角度等参数对叶片竖直悬挂状态的影响，对热处理夹具的叶片装夹间距、装夹角度等参数进行优化，使实际设计制造出的热处理夹具能够有效地让叶片叶身接近理想竖直悬挂于热处理夹具上，从而降低叶片热处理变形。
进一步的，所述步骤S01中，最小有效装夹单元件三维模型及叶片的真实三维模型分别导出为兼容仿真模块的文件格式。
进一步的，所述步骤S02中，将夹具最小有效装夹单元设为下模，航空发动机叶片真实模型设为工件。
进一步的，所述步骤S02中，将最小有效装夹单元件三维模型及叶片的真实三维模型进行仿真模块导入时，使用的为重力仿真模块，导入时，将最小有效装夹单元件三维模型及叶片的真实三维模型生成的兼容仿真模块的格式文件进行导入。
进一步的，所述步骤S02中，将最小有效装夹单元件设置为刚性，叶片的真实三维模型设置为塑性。
进一步的，所述步骤S02中，需设置允许叶片在下落过程中发生自由旋转，从而真实模拟工件在重力作用下下落悬挂到夹具上的过程。
进一步的，所述步骤S04中，进行优化的结果需使叶片在悬挂于夹具上时与Z向的夹角为0.5°以内。
本发明的有益效果在于：本发明提供的优化方法，与现有技术相比，提供了一种切实有效的方法用于在制造热处理夹具之前判断叶片在实际重力作用下竖直悬挂于夹具上与否，从而根据叶片在热处理夹具上面悬挂状态的分析数据对热处理夹具进行优化，使实际设计制造出的热处理夹具能在实际生产中让叶片叶身接近理想竖直悬挂于其上，以降低叶片热处理变形，从而提高叶片加工制造与设计图纸的相符性，降低叶片加工制造成本；同时，本发明通过模拟实物及场景的方法代替实物试验来对夹具进行优化，节省了材料成本缩短了制造周期，提高了航空发动机叶片的研制生产效率。
附图说明
图1为本发明方法具体实施例中优化的夹具对象(组合式料架)其整体示意图；
图2为本发明方法对图1组合式料架夹具对象进行精简的最小有效装夹单元示意图；
图3为本发明方法具体实施例中悬挂于夹具上的叶片实体造型示意图；
图4为图3中叶片的侧视图；
图5为取图3叶片叶身截面X＝0的各点进行连线作出的叶展形成线示意图；
图6为模拟在重力作用下叶片悬挂于优化之前的夹具上的实际效果图；
图7为模拟在重力作用下叶片悬挂于优化之后的夹具上的实际效果图；
图中：1-料架，2-置料托盘。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
在以下实施例具体实施过程中借助了UG和Deform两个软件，其中Deform软件主要运用在锻造数值仿真模拟，其设置模具相对位置关系的“Object positioning”菜单项中有“Drag”、“Drop”、“Offset”、“Interference”、“Rotational”五个功能选项，其中“Drop”功能为在重力作用下以自由下落的方式来设置模具之间或模具与工件之间的位置关系。本发明方法的实施例巧用Deform软件仿真模块及其“Objectpositioning”菜单项中的“Drop”功能，模拟工件在重力作用下自由悬挂于夹具上的过程，而后将结果模型导入UG中对工件竖直悬挂状态进行分析及根据分析数据对夹具进行优化，使实际设计制造出的热处理夹具能够有效地让叶片叶身接近理想竖直悬挂于其上，以降低叶片热处理变形。下面通过具体实施例和附图来对本发明方法作详细说明。
具体实施例
图1所示示意图为本发明方法具体实施例中优化的夹具对象——组合式料架，由料架主体1及置料托盘2组合而成；图3所示叶片实体造型示意图为本发明方法具体实施例中悬挂于夹具上的精锻叶片，根据该精锻叶片的结构特点及实体造型，以该叶片叶身截面X＝0的各点连线作出其叶展形成线如图5所示，分析其背向叶展线与盆向叶展线发现基本与Z向平行，且该精锻叶片设计的叶尖定位轴颈的轴线方向为Z向，因此本具体实施例中以叶片悬挂于夹具上稳定后其叶尖定位轴颈轴线方向与Z向的夹角数值来判断该叶片叶身是否竖直悬挂于夹具上，其之间的角度越接近于0°，表明该叶片叶身越接近理想竖直悬挂于夹具上。本发明对夹具的优化方法具体步骤如下：
1)建立夹具基础模型和叶片工件模型
在UG建模环境中根据图1组合式料架夹具中置料托盘2的阵列等结构特点对其进行精简，取其最小有效装夹单元件作为夹具基础模型如图2所示，并在同一个UG建模环境中建立叶片的真实三维模型如图3，通过移动的方式设置好叶片模型与最小有效装夹单元件之间的位置关系，并使叶片的悬挂方向为正X、Y、Z中的任一轴向，如图2俯视图及图5所示的Z向为本实例中叶片的悬挂方向，之后将以上最小有效装夹单元件三维模型及叶片的真实三维模型分别导出为STL文件格式。
2)模拟工件在重力作用下悬挂于夹具上
将步骤1)中导出的最小有效装夹单元件三维模型和叶片真实三维模型的STL文件导入Deform仿真模块中，夹具最小有效装夹单元件为下模(Bottom Die)并设置为刚性(Rigid)，叶片真实模型为工件(Workpiece)并设置为塑性(Plastic)，打开“Objectpositioning”菜单项中的“Drop”功能模块，设置重力方向为Z向，并允许叶片在下落至接触夹具过程中发生自由旋转(即不选择“Don’t allowrotation”这一选项)，模拟工件在重力作用下自由下落悬挂到夹具上的过程，叶片稳定悬挂于夹具上后其效果图如图6所示。
3)热处理夹具的优化数据分析
如上步骤2)所述模拟过程，叶片最终稳定悬挂于夹具上，此时将最小有效装夹单元件三维模型和叶片的真实三维模型分别导出并导入UG建模环境中，利用UG的强大功能并辅助画线分析热处理夹具的叶片装夹间距、装夹角度等参数对叶片竖直悬挂状态的影响。如图5所示，两陶瓷管之间实际间距为7mm，而叶片榫头宽度为13mm，由以上两个尺寸分析知陶瓷管之间的实际间隙可对叶片进行有效装夹，但是叶片在重力作用下会绕Y轴发生旋转，如图6所示叶片往左侧偏转4.6°，且叶片榫头与右侧陶瓷管接触处离右侧陶瓷管顶点的水平距离为2.6mm，因该叶片榫头结构在长度方向上不带角度，因此该水平距离是叶片装夹后在重力作用下发生旋转的主要原因。
4)根据数据分析结果对热处理夹具进行优化
根据步骤3)中分析的叶片装夹间距、装夹角度等参数对叶片竖直悬挂状态的影响，对夹具的叶片装夹间距、装夹角度等参数进行优化。本实例中对图6右侧陶瓷管往左偏移2mm，调整其两根陶瓷管之间实际装夹间距为5mm，此处对图6右侧陶瓷管往左偏移2mm而不一定等于2.6mm是为了综合考虑悬挂在夹具上的两行叶片之间的间距；此时再根据三角函数关系进行相关尺寸计算，算出需对右侧陶瓷管往上抬高0.05mm。用优化后的热处理夹具最小有效装夹单元件模拟叶片在重力作用下悬挂于其上并稳定后的效果如图7所示，此时其叶身与Z向的夹角为0.1°基本接近于0°，由此表明夹具优化后可使实际设计制造出的热处理夹具能够有效地让叶片叶身接近理想竖直悬挂于热处理夹具上，以降低叶片热处理变形。
本实施例中叶片榫头结构在长度方向上不带角度，因此根据三角函数关系进行相关尺寸计算，算出需对图6右侧陶瓷管往Z向调节的尺寸较小，接近制造公差，在具体实施夹具的优化过程中，要尽量避免如此类似的接近制造公差的夹具相关尺寸的调整优化。因在实际加工制造过程中有系统误差等，对于关键的尺寸需特别控制其误差，使优化后并实际制造出的热处理夹具能够让叶片叶身无限接近理想竖直悬挂于热处理夹具上，以减少叶片发生热处理变形。

Claims (6)

1.一种用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于包括以下步骤：
S01，建立夹具基础模型和叶片工件模型；
根据热处理夹具的阵列结构特点进行精简，取最小有效装夹单元作为夹具基础模型，并建立航空发动机叶片的真实三维模型，设置好叶片与夹具最小有效装夹单元间的位置关系，并使叶片的悬挂方向为正X、Y、Z中的任一向；
S02，模拟航空发动机叶片在重力作用下悬挂于夹具上的状态；
将设置好的夹具最小有效装夹单元和叶片真实模型导入仿真模块中，模拟工件在重力作用下自由下落悬挂到夹具上的过程；
S03，热处理夹具的优化数据分析；
将上一步骤模拟后的夹具最小有效装夹单元模型及叶片真实模型导入基础模型中，结合航空发动机叶片结构特点，利用辅助画线、测量功能，分析热处理夹具的叶片装夹间距、装夹角度参数对叶片竖直悬挂状态的影响；
S04，根据数据分析结果对热处理夹具进行优化；
根据上一步骤中分析的叶片装夹间距、装夹角度参数对叶片竖直悬挂状态的影响，对热处理夹具的叶片装夹间距、装夹角度参数进行优化，使实际设计制造出的热处理夹具能够有效地让叶片叶身接近理想竖直悬挂于热处理夹具上，从而降低叶片热处理变形；
所述步骤S04中，进行优化的结果需使叶片在悬挂于夹具上时与Z向的夹角为0.5°以内。
2.如权利要求1所述的用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于：所述步骤S01中，最小有效装夹单元件三维模型及叶片的真实三维模型分别导出为STL文件格式。
3.如权利要求1所述的用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于：所述步骤S02中，将夹具最小有效装夹单元设为下模，航空发动机叶片真实模型设为工件。
4.如权利要求1所述的用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于：所述步骤S02中，设置最小有效装夹单元件为下模，叶片的真实三维模型设置为工件。
5.如权利要求1所述的用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于：所述步骤S02中，将最小有效装夹单元件设置为刚性，叶片的真实三维模型设置为塑性。
6.如权利要求1所述的用于航空发动机叶片装夹热处理的夹具优化方法，其特征在于：所述步骤S02中，需设置允许叶片在下落过程中发生旋转，从而真实模拟工件在重力作用下下落悬挂到夹具上的过程。
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