CN113976699A - 一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法 - Google Patents

一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，通过有限元模拟仿真技术获得叶片扭转过程的力‑位移变化关系，将得到的力‑位移曲线设定成PLC程序控制叶片精准成形，在确保零件外形精度的同时还极大的改善了现有航空发动机空心叶片热扭转过程中发生的凹陷、失稳等缺陷；通过不同温度及应变速率条件下的单向拉伸试验获取叶片材料本构关系，表征了叶片在恒应变速率扭转条件下的材料流动特性，对研究叶片的服役性能提供了理论基础。

Description

一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法
技术领域
本发明涉及金属板制成的空心结构件扭曲成形方法技术领域，特别涉及一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法。
背景技术
空心叶片是涡轮风扇发动机的关键部件，位于外涵道首级，经由内涵道中的涡轮驱动，通过高速旋转产生外涵推力，需要气动设计、结构设计和加工制造一体化协作，现代高性能涡扇发动机为实现高推重比、大推力、低油耗和宽失速裕度，普遍采用轻质高强的大尺寸宽弦无凸肩空心叶片；现代钛合金宽弦空心叶片采用超塑性扩散连接成形工艺技术，国内外研究和使用的典型工艺主要有：蜂窝夹心工艺、三层结构工艺和两层结构工艺。我国在此领域起步较晚，目前仍处于技术探索阶段。
现有技术CN105397086A中发明的一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，在空心叶片整个制造过程中无须模具，缩短了制造周期，大大降低了生产成本；对于材料的性能要求大幅度降低，有效的提升了材料选择的可能性；但由于该方法将叶片三维模型进行了分层切片离散处理，对成形出的叶片整体性能一致性有较大的影响，从而影响其服役性能；
现有技术CN109214032A提出了一种空心叶片的自适应加工方法，其依据在机测量装夹后叶片的实际形状和位置进行理论模型的配准，划分模型加工区域后对自适应加工区域进行模型重构，按照重构后的叶片前、后缘自适应加工区的模型进行叶身加工；该加工方法很好的消除了加工阶差，实现了叶根与叶身部位加工的光顺过渡；然而自适应加工方法的计算过程是在封闭环境内完成的，计算效率较低，机测量装夹的叶片的实际位置与形状与理论模型的配准存在误差，无法获取准确的叶片模型，造成加工误差。
现有技术CN103551472B及CN203580106U中提出了一种高温下推弯成形工艺及推弯成形模具，其依据成品空心叶片外形曲面设计出带有两边开口模腔通道的模具，夹持叶片榫头将叶片从模腔通道一端推入模具型腔，叶片在模具型腔内表面的作用下受迫弯曲，发生扭转变形；该推弯成形工艺能够将平板空心叶片坯料成形出复杂的扭转形态，使其具备所需的扭转角，成形过程平稳便捷，速度可控。然而，该推弯成形工艺中叶片从尖部开始逐步发生扭转变形，直至叶片根部，此成形过程中未进入推弯模具中的叶片部分变形不受控制。若叶片扭转角度较大或叶身较长，模具型腔内叶片向前推弯过程中所受阻力较大，未进入模具型腔叶片部分将受挤压而变形，易出现受压失稳，最终推弯成形后的叶片外形精度难以保证。
发明内容
为解决上述技术问题，提出了一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，具体技术方案如下：
一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，包括如下步骤：
步骤一：根据逆向工程确定叶片尺寸，增加一定的加工余量；
步骤二：通过不同温度及应变速率条件下的单向拉伸试验获取叶片材料本构关系，应用有限元仿真技术模拟叶片恒应变速率扭转过程，得到成形过程的力-位移变化关系，优化工艺参数；
步骤三：经过扩散焊接得到钛合金空心叶片的毛坯，对其表面进行防氧化处理；
步骤四：利用钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置中的叶片榫头固定夹头对叶根榫头部位进行固定，从而确定叶片的位置；
步骤五：利用加热装置对叶身与叶片榫头固定夹头进行加热，布置热电偶监测叶片温度，待叶片加热至指定温度后保温1-2小时，确保叶身温度均匀；
步骤六：PLC控制器输出脉冲信号驱动伺服电机，伺服电机带动行星减速器输出扭转力矩；
步骤七：扭转成形完成，加热装置停止加热，拆除限位工装，取出叶片放至室温条件下空冷，实验结束。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：步骤四中，钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置包括：伺服电机、行星减速器、行星减速器底座、设备底座、加热装置、榫头固定底座、叶片榫头固定夹头、叶片扭转夹头、扭转轴、联轴器和行星减速器底座；
所述加热装置包括加热炉和支撑底座，其加热炉为长方体，炉体上设有前炉门、侧炉门和后炉门，且炉体底部和顶部均设有隔热层；
炉体底部隔热层设有开口，用于装配榫头固定底座；
所述行星减速器底座通过地脚螺栓固定在设备底座上，其行星减速器底座上端设置连接伺服电机和联轴器的行星减速器；
所述扭转轴与叶片扭转夹头连接在一起；
所述榫头固定底座通过地脚螺栓固定在设备底座上；
所述榫头固定底座上端面安装叶片榫头固定夹头；
所述扭转轴贯穿后炉门，榫头固定底座贯穿底部隔热层，其加热装置将叶片榫头固定夹头和叶片扭转夹头罩住，形成密封，对叶身及夹头进行加热，并布置热电偶检测叶片温度。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：步骤五中，用隔热材料将炉体底部隔热层的开口的区域位置填满，避免漏温。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：所述隔热层采用高温耐火陶瓷纤维。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：所述前炉门采用推拉形式开闭，后炉门采用左右装配形式开闭。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：所述叶片榫头固定夹头由两个夹紧块和螺栓组成，其夹紧块设有内槽，内槽与叶片榫头贴合，叶片榫头安装后通过螺栓将上下两个夹紧块与榫头贴合。
所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其优选方案为：所述叶片榫头固定夹头可在叶身型面沿长度方向移动，用于确定最佳扭转位置。
本发明的有益效果：
本发明打破国外在先进对开式空心叶片扭转成形工艺的封锁，实现变截面钛合金宽弦空心叶片的大角度扭转成形，减少传统成形工艺过程中由于叶片夹头扭转引发的叶身部位材料流动不均匀导致出现的凹陷等问题；本发明提出一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，进行钛合金空心叶片恒应变速率热扭转成形，通过有限元模拟仿真技术获得叶片扭转过程的力-位移变化关系，得到在该条件下叶片扭转成形的力-位移曲线，而后通过程序控制的方式控制叶片恒应变速率扭转，设定成PLC程序控制叶片精准成形，程序控制的方式可以有效降低人为误差；另一方面，叶片材料的力学性能参数通过高温拉伸试验获得，将应变速率作为唯一变量，获得材料在不同应变速率条件下的力学性能，更好的控制叶片材料在扭转过程中的流变特性，降低凹陷等缺陷发生的可能性。通过不同温度及应变速率条件下的单向拉伸试验获取叶片材料本构关系，表征了叶片在恒应变速率扭转条件下的材料流动特性，对研究叶片的服役性能提供了理论基础；区别于传统的加工方法，本发明极大的简易了航空发动机空心叶片的热扭转成形方式，提高了叶片扭转成形的效率，最大程度上降低了实验成本。
附图说明
图1为基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法技术方案的流程图；
图2为钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置整体示意图；
图3为钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形机构示意图；
图4为钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形机构侧视图；
图5为榫头夹紧固定装置示意图。
其中：1.伺服电机；2.行星减速器；3.行星减速器底座；4.地脚螺栓；5.设备底座；6.支撑底座；7.榫头固定底座；8.炉体底部隔热层；9.炉体前炉门；10.侧炉门；11.叶片榫头固定夹头；12.夹头固定螺栓；13.钛合金叶片；14.炉体顶部隔热层；15.叶片扭转夹头；16.后炉门；17.扭转轴；18.联轴器；19.加热炉；20.夹紧块；21.内槽。
具体实施方式
以下结合附图1-5和实施例对本发明作进一步详述。
一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，包括如下步骤：
步骤一：首先，通过目标叶身形状经逆向工程获取到原始未加工的叶片毛坯数模，将其按照中性面等分为两瓣，按照所需的中空结构形状分别在两瓣叶身中分别加工出对应的凹槽，而后经过扩散焊接技术将两瓣叶身焊接成一个完整的叶片毛坯；
步骤二：通过万能试验机进行叶片材料的高温力学性能测试，获取其在不同温度、应变速率条件下的力学性能，得到材料的本构模型，结合叶片扭转成形毛坯模型、叶片成品模型及叶根榫头装夹定位设计，应用有限元仿真模拟技术对叶片扭转成形过程进行模拟，依据不同工艺设计下的仿真结果数据，不断优化成形参数，得到最终实验工艺参数；同时得到叶片扭转过程中的力-位移关系，依托力-位移关系绘制成形过程的力-位移曲线并将曲线信息在PLC编程软件中编码出来；
步骤三：对钛合金空心叶片叶身进行防氧化处理，在叶身部位均匀地喷涂氮化硼止焊剂，使用装夹定位夹具对叶根榫头进行定位，将叶片放入扭转夹具内，检查是否存在干涉等情况；
步骤四：叶片通过榫头夹紧固定装置来固定，如图5所示，夹紧装置的内槽与叶片榫头能够很好好贴合，确保榫头在叶片扭转的过程中无法移动，而后经过夹紧螺栓将上下两个夹头与榫头贴合在一起，完成叶片的固定；
步骤五：通过布置的热电偶确认叶片温升情况，待叶片温度达到设计扭转成形温度后保温1-2个小时，确保叶片受热均匀；
步骤六：通过PLC程序控制伺服电机加载叶片恒应变速率扭转成形的力-位移曲线，直至扭转成形结束，停止加热；
步骤七：待叶片冷却至370-420℃时，将加热装置前炉门打开，拆下定位螺栓，取出叶片，叶片扭转成形完成。
钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置包括：伺服电机1、行星减速器2、行星减速器底座3、设备底座5、加热装置、榫头固定底座7、叶片榫头固定夹头9、叶片扭转夹头15、扭转轴17和联轴器18；
所述加热装置包括加热炉19和支撑底座6，其加热炉19为长方体，炉体上设有前炉门9、侧炉门10和后炉门16，且炉体底部和顶部均设有隔热层；
炉体底部隔热层8设有开口，用于装配榫头固定底座7；
所述行星减速器底座3通过地脚螺栓4固定在设备底座5上，其行星减速器底座3上端设置连接伺服电机1和联轴器18的行星减速器2；
所述扭转轴17与叶片扭转夹头15连接在一起；
所述榫头固定底座7通过地脚螺栓4固定在设备底座5上；
所述榫头固定底座7上端面安装叶片榫头固定夹头11；
所述扭转轴17贯穿后炉门16，榫头固定底座7贯穿炉体底部隔热层8，其加热装置将叶片榫头固定夹头11和叶片扭转夹头15罩住，形成密封，对叶身及夹头进行加热，并布置热电偶检测叶片温度。
用隔热材料将炉体底部隔热层的开口的区域位置填满，避免漏温。
所述炉体底部隔热层8和炉体顶部隔热层14采用高温耐火陶瓷纤维。
所述前炉门9采用推拉形式开闭，后炉门16采用左右装配形式开闭。
所述叶片榫头固定夹头11由两个夹紧块20和螺栓12组成，其夹紧块20设有内槽21，内槽21与叶片榫头贴合，叶片榫头安装后通过螺栓将上下两个夹紧块20与榫头贴合。
所述叶片榫头固定夹头11可在叶身型面沿长度方向移动，用于确定最佳扭转位置。

Claims (7)

1.一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：根据逆向工程确定叶片尺寸，增加一定的加工余量；
步骤二：通过不同温度及应变速率条件下的单向拉伸试验获取叶片材料本构关系，应用有限元仿真技术模拟叶片恒应变速率扭转过程，得到成形过程的力-位移变化关系，优化工艺参数；
步骤三：经过扩散焊接得到钛合金空心叶片的毛坯，对其表面进行防氧化处理；
步骤四：利用钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置中的叶片榫头固定夹头对叶根榫头部位进行固定，从而确定叶片的位置；
步骤五：利用加热装置对叶身与叶片榫头固定夹头进行加热，布置热电偶监测叶片温度，待叶片加热至指定温度后保温1-2小时，确保叶身温度均匀；
步骤六：PLC控制器输出脉冲信号驱动伺服电机，伺服电机带动行星减速器输出扭转力矩；
步骤七：扭转成形完成，加热装置停止加热，拆除限位工装，取出叶片放至室温条件下空冷，实验结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：步骤四中，钛合金空心叶片恒应变速率扭转成形装置包括：伺服电机、行星减速器、行星减速器底座、设备底座、加热装置、榫头固定底座、叶片榫头固定夹头、叶片扭转夹头、扭转轴、联轴器和行星减速器底座；
所述加热装置包括加热炉和支撑底座，其加热炉为长方体，炉体上设有前炉门、侧炉门和后炉门，且炉体底部和顶部均设有隔热层；
炉体底部隔热层设有开口，用于装配榫头固定底座；
所述行星减速器底座通过地脚螺栓固定在设备底座上，其行星减速器底座上端设置连接伺服电机和联轴器的行星减速器；
所述扭转轴与叶片扭转夹头连接在一起；
所述榫头固定底座通过地脚螺栓固定在设备底座上；
所述榫头固定底座上端面安装叶片榫头固定夹头；
所述扭转轴贯穿后炉门，榫头固定底座贯穿底部隔热层，其加热装置将叶片榫头固定夹头和叶片扭转夹头罩住，形成密封，对叶身及夹头进行加热，并布置热电偶检测叶片温度。
3.根据权利要求1所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：步骤五中，用隔热材料将炉体底部隔热层的开口的区域位置填满，避免漏温。
4.根据权利要求2所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：所述隔热层采用高温耐火陶瓷纤维。
5.根据权利要求2所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：所述前炉门采用推拉形式开闭，后炉门采用左右装配形式开闭。
6.根据权利要求2所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：所述叶片榫头固定夹头由两个夹紧块和螺栓组成，其夹紧块设有内槽，内槽与叶片榫头贴合，叶片榫头安装后通过螺栓将上下两个夹紧块与榫头贴合。
7.根据权利要求2所述的一种基于恒应变速率扭转的钛合金空心叶片成形方法，其特征在于：所述叶片榫头固定夹头可在叶身型面沿长度方向移动，用于确定最佳扭转位置。
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