CN114535598A - 叶片金属加强边的制造方法、制造系统和风扇叶片 - Google Patents
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Abstract
一种叶片金属加强边的制造方法，使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯，对毛坯进行热处理和内外型面后处理，提供叶片模具，叶片模具与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，将毛坯与叶片模具初步配合，使用辊压机构对毛坯的外型面进行顺序配置的多道次辊压，直至毛坯与叶片模具完全贴合，实现金属加强边的近净成型，最后分离叶片模具和成型金属加强边，得到符合技术要求的金属加强边，有效降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及叶片金属加强边的制造。
背景技术
目前采用的复合材料风扇叶片主要为树脂基复合材料风扇叶片，其作为大涵道比涡扇发动机的关键部件之一，有效地降低了航空发动机的重量，满足了新一代商用航空发动机“低噪声、低污染、低成本”的要求。但由于树脂基复合材料本身抗鸟撞冲击、抗冲刷及腐蚀等能力较金属差，且在高速旋转过程中容易产生开裂分层，尤其是风扇叶片在鸟体高速冲击下，叶片前缘会产生很大变形，远远超出复合材料能承受的变形范围。目前航空发动机公司的复合材料风扇叶片均采用金属加强边进行保护，以提高叶片的抗鸟撞能力。
复合材料风扇叶片金属加强边在国内研制尚属起步阶段，由于前缘金属加强边长度大，具有双薄壁曲面结构，腔槽深且狭长、扭曲度大等特征，而且加强边尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等要求高，给金属加强边的加工带来了新的挑战。现阶段的制备工艺加工周期长、材料利用率低、加工成本高和加工精度低等问题还比较明显，这些问题急需得到解决。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种叶片金属加强边的制造方法，可实现金属加强边的近净成型，有效降低生产成本。
为实现上述目的的制造方法，包括下列步骤：
使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯；对所述毛坯进行热处理和内外型面后处理；提供叶片模具，所述叶片模具与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，将所述毛坯与所述叶片模具初步配合；使用辊压机构对所述毛坯的外型面进行顺序配置的多道次辊压，直至所述毛坯与所述叶片模具完全贴合，实现金属加强边的近净成型；分离所述叶片模具和成型金属加强边。
在叶片模具上还设置顶出孔，分离叶片模具和成型金属加强边是通过叶片模具上的顶出孔将成型金属加强边顶出。
毛坯的V型角大于成型金属加强边3°～5°，以容纳叶片模具并与其初步配合。
按照设定的辊压轨迹和压力，使用辊压机构对毛坯的外型面逐步进行辊压，直至毛坯与叶片模具完全贴合。
上述打印金属加强边毛坯的金属增材制造工艺采用选区激光熔化技术。
采用磨粒流加工方法对所述毛坯的内外型面进行后处理。
本发明的另一目的是提供一种叶片金属加强边的制造系统，包括金属增材制造系统，用于使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯；热处理系统，用于对所述毛坯进行热处理；表面处理系统，用于对毛坯的内外型面进行后处理；叶片模具，与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，用于嵌入所述毛坯的内型面；以及辊压机构，用于对所述毛坯的外型面进行顺序配置的多道次辊压。
辊压机构包括辊压头、压头压帽、变幅顶杆和压紧装置，所述辊压头对所述毛坯外型面进行辊压；所述压头压帽前端固定所述辊压头，后端固定连接所述变幅顶杆前端，所述压紧装置包括顶杆和移动端，所述顶杆前端顶紧所述变幅顶杆后端，所述移动端可沿轴向移动从而调整所述顶杆顶紧所述变幅顶杆的力。
所述变幅顶杆的直径沿轴向方向靠近辊压头一侧较小，靠近变幅顶杆一侧较大。
所述辊压机构还包括传感器和信号调节装置，所述传感器可在辊压过程中即时感知所述辊压装置的压力，所述信号调节装置可即时调整所述移动端的轴向位移。
所述辊压机构还包括固定罩，所述固定罩套设在所述辊压头、所述压头压帽和所述变幅顶杆的外周。
所述叶片模具还包括加持端，用于在辊压过程中夹持和固定所述叶片模具。
本发明的再一目的是提供一种风扇叶片，所述风扇叶片包括由上述叶片金属加强边的制造方法所制造的金属加强边。
通过采用金属增材制造工艺制造金属加强边的毛坯，提供叶片模具，通过顺序配置的多道次成型辊压将毛坯与叶片模具完全贴合，可以实现金属加强边的近净成型，辊压头的灵活进给可控制每道次的塑性变形量，避免金属加强边出现回弹、变形、破裂等问题，同时辊压成型的效率高、工艺可控性好、材料利用率高，可缩短金属加强边的制备工艺周期，降低整体加工成本。
附图说明
本发明的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得更加明显，其中：
图1是叶片金属加强边的制造方法的流程图。
图2是叶片模具和毛坯配合的示意图。
图3是叶片模具后缘的示意图。
图4是辊压机构示意图。
图5是沿图4中A-A线的剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
一种叶片金属加强边的制造方法，步骤如图1所示。首先进行步骤11使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯20。这一步优选采用选区激光熔化(Selective LaserMelting，SLM)技术，通过计算机辅助设计，将材料逐层累加以打印出毛坯20，可以精准的打印具有腔槽深且狭长、扭曲度大等复杂特征的金属加强边毛坯，使得打印出的毛坯20的尺寸精度和表面质量相对较高。
随后进行步骤12对毛坯进行热处理和内外型面后处理。由于毛坯20是材料在激光熔化后快速凝固下来的组织，强度较高，但塑性较差，需要通过热处理来改变其组织，去除残余应力，以获得综合性能较好的力学性能。根据力学性能要求，选择合适的热处理工艺进行处理，通过热处理工艺去除打印出的毛坯20的残余应力。
此外，金属加强边表面粗糙度的要求较高，因此步骤12中还需要对内、外型面进一步处理。目前复合材料叶片本体与金属加强边的连接均采用胶接连接，由于钛合金表面处理对后续的胶接强度有很大影响，经过打磨或喷砂表面后的胶接性能最好，因此根据内、外型面的技术要求，优选的采用磨粒流加工方法对毛坯20的内、外型面进行处理。磨粒流加工方法可以对毛坯20的复杂曲面或微小孔流道表面去毛刺和精修加工，有效改善内、外型面的质量，使打印出的毛坯20符合技术标准。
随后进行步骤13提供叶片模具21，叶片模具21根据复合材料风扇叶片的外形所设计，与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，保证依据叶片模具21制作出的成型金属加强边与待保护叶片可以完全贴合。叶片模具21采用合适的金属材料制造，保证后续的辊压过程不易变形。
经过步骤11和步骤12后的毛坯20接近成型金属加强边的最终形状，如图2所示，经过SLM技术打印出的毛坯20的V型角27比最终成型金属加强边的角度略大3°～5°，以容纳叶片模具21并与其初步配合。叶片模具21的前缘22可以进入毛坯20的V型角27中，此时毛坯20的内型面28与叶片模具21的外表面初步贴合。随后进行步骤15使用辊压机构对毛坯20的外型面进行顺序配置的多道次辊压，直至毛坯20与叶片模具21完全贴合，实现金属加强边的近净成型。
利用多辊压成型工艺多次碾压毛坯20的外型面，按照设定的辊压轨迹和压力，使用辊压机构对毛坯20的外型面逐步进行辊压，并控制好进给量实现毛坯20的微塑性变形，直至毛坯20与所述叶片模具完全贴合。可选的，使用多个辊压头同时对毛坯20进行辊压，可有效提高辊压效率。辊压成型属于宏观渐进成型，效率高、工艺可控性好，可通过辊压机构的进给灵活控制每道次毛坯21的塑性变形量，避免回弹、变形、破裂等，可实现金属加强边形状的精确成型。
最后进行步骤16分离叶片模具21和成型金属加强边。结合图2和图3所示，叶片模具21上设置顶出孔24，顶出孔24贯穿叶片模具前缘21并分别在上部22和下部25开孔，通过叶片模具21上的顶出孔24将成型金属加强边顶出，以分离叶片模具21和成型的金属加强边。可选的，叶片模具21还包括加持端23，用于在辊压过程中夹持和固定叶片模具21，防止在多道次的辊压过程中叶片模具21脱离毛坯20，影响辊压效果。
使用上述方法制造金属加强边的制造系统，包括金属增材制造系统、热处理系统、表面处理系统、叶片模具以及辊压机构。
金属增材制造系统(图中未示出)用于使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯，优选的，使用选区激光熔化技术。首先在电脑终端设计出所打印毛坯20的三维模型，将三维模型进行切片分层，得到各层截面的轮廓数据；然后将这些数据导入快速成型设备，快速成型设备控制激光束根据各层截面轮廓数据选择性地熔化各层已铺好的金属粉末材料，随后层层加工，逐层堆叠，直至形成金属加强边的毛坯20。
热处理系统用于对毛坯20进行热处理，可以去除残余应力，改变毛坯20材料的力学性能。可选的，采用920℃下保温1小时固溶处理后水冷，随即800℃下保温2小时时效处理后炉冷的工艺可显著提升毛坯的断裂延伸率力学性能。
表面处理系统用于对毛坯的内外型面进行后处理。优选的，使用磨粒流加工设备对毛坯20内外型面进行精加工，以使后续辊压成型的金属加强边内外型面满足表面粗糙度要求。
提供叶片模具21，与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，用于嵌入毛坯20的内型面28，叶片模具21根据复合材料风扇叶片的外形设计，采用金属材料制造。
还包括如图4和图5所示的辊压机构，用于对毛坯20的外型面29进行顺序配置的多道次辊压。辊压机构包括辊压头31、压头压帽32、变幅顶杆33和压紧装置35。辊压头31为球型压头，对毛坯20的外型面29进行辊压，压头压帽32前端固定辊压头31，后端固定连接变幅顶杆33前端。压紧装置35包括顶杆37和移动端38，顶杆37前端顶紧变幅顶杆33后端，移动端38可沿辊压机构的轴线方向移动从而调整顶杆37顶紧变幅顶杆33的力。
优选的，变幅顶杆33的直径沿轴向方向靠近辊压头31一侧较小，靠近压紧装置35一侧较大，此时压紧装置35的移动端37只需要较小的轴向力即可通过变幅顶杆33向辊压头31输出较大的力，较为省力。
辊压机构还包括固定罩34，固定罩34套设在辊压头31、压头压帽32和变幅顶杆33的外周，对辊压机构起到保护支撑作用。
辊压机构的一种实施方式如图5所示，移动端38与固定罩34的外表面通过螺纹连接，移动端38通过上述螺纹连接可沿辊压机构的轴线方向移动。
当移动端38的移动方向朝向辊压头31时将增加顶杆37施加在压头压帽32上的轴向力，进而增加辊压头31的辊压压力；当移动端38的移动方向朝向辊压头31的相反方向时，将减轻顶杆37施加在压头压帽32上的轴向力，进而减小辊压头31的辊压压力。
辊压机构的另一种实施方式为，移动端38具有电缸(图中未示出)，电缸可以调整顶杆37沿辊压机构的轴线方向移动的位移距离。当顶杆37朝辊压头31移动时，将增加施加在压头压帽32上的轴向力，进而增加辊压头31的辊压压力；当顶杆37朝辊压头31远离时，将减轻施加在压头压帽32上的轴向力，进而减小辊压头31的辊压压力。
优选的，辊压机构还包括传感器和信号调节装置(图中未示出)，传感器可在辊压过程中即时感知辊压头31的压力并将信号输送回处理终端，信号调节装置可即时传输处理信号以调整移动端37的轴向位移，进而改变辊压头31的辊压压力，实现在辊压成型过程中辊压参数的及时调整，使得辊压过程可根据具体工况进行灵活调整，以制得符合条件的金属加强边。
还包括一种风扇叶片，包括由上述叶片金属加强边的制造方法所制造的金属加强边，可提升风扇叶片的抗冲击能力。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种叶片金属加强边的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯；
对所述毛坯进行热处理和内外型面后处理；
提供叶片模具，所述叶片模具与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，将所述毛坯与所述叶片模具初步配合；
使用辊压机构对所述毛坯的外型面进行顺序配置的多道次辊压，直至所述毛坯与所述叶片模具完全贴合，实现金属加强边的近净成型；
分离所述叶片模具和成型金属加强边。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述叶片模具上设置顶出孔，所述分离所述叶片模具和成型金属加强边是通过所述叶片模具上的顶出孔将成型金属加强边顶出。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述毛坯的V型角大于成型金属加强边3°～5°，以容纳所述叶片模具并与其初步配合。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，按照设定的辊压轨迹和压力，使用所述辊压机构对所述毛坯的外型面逐步进行辊压，直至所述毛坯与所述叶片模具完全贴合。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述金属增材制造工艺采用选区激光熔化技术打印所述毛坯。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，采用磨粒流加工方法对所述毛坯的内外型面进行后处理。
7.一种叶片金属加强边的制造系统，其特征在于，包括：
金属增材制造系统，用于使用金属增材制造工艺打印出金属加强边毛坯；
热处理系统，用于对所述毛坯进行热处理；
表面处理系统，用于对毛坯的内外型面进行后处理；
叶片模具，与待保护叶片的至少前缘部分的几何外形一致，用于嵌入所述毛坯的内型面；以及
辊压机构，用于对所述毛坯的外型面进行顺序配置的多道次辊压。
8.如权利要求7所述的制造系统，其特征在于，所述辊压机构包括辊压头、压头压帽、变幅顶杆和压紧装置，所述辊压头对所述毛坯外型面进行辊压；所述压头压帽前端固定所述辊压头，后端固定连接所述变幅顶杆前端；
所述压紧装置包括顶杆和移动端，所述顶杆前端顶紧所述变幅顶杆后端，所述移动端可沿轴向移动从而调整所述顶杆顶紧所述变幅顶杆的力。
9.如权利要求8所述的的制造系统，其特征在于，所述变幅顶杆的直径沿轴向方向靠近辊压头一侧较小，靠近压紧装置的一侧较大。
10.如权利要求8所述的制造系统，其特征在于，所述辊压机构还包括传感器、信号调节装置和处理终端，所述传感器可在辊压过程中即时感知所述辊压头的压力并将信号输送回处理终端，所述信号调节装置可即时传输处理信号以调整所述移动端的轴向位移。
11.如权利要求8所述的制造系统，其特征在于，所述辊压机构还包括固定罩，所述固定罩套设在所述辊压头、所述压头压帽和所述变幅顶杆的外周。
12.如权利要求7所述的制造系统，其特征在于，所述叶片模具还包括加持端，用于在辊压过程中夹持和固定所述叶片模具。
13.一种风扇叶片，其特征在于，包括由权利要求1至6任一项所制造的金属加强边。
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