CN114669970A - 一种复材叶片钛合金包边的成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复材叶片钛合金包边的成形方法，该方法针对包边模型进行工艺补充，将原来并不封闭的实体进行补充得到封闭三维模型；采用基于有限元的方法来确定不等厚度包边的最佳毛坯外形及内部止焊区边界线；制备扩散焊毛坯；装配毛坯并在扩散连接设备中进行扩散连接；对得到的不等厚毛坯进行数控加工；加热预成形，得到热气胀成形前的过渡形状；在高温下用惰性气体对预成形件进行热气胀成形，形成内部空心构件；对气胀成形后的工件进行数控加工，得到复材叶片的包边形状。本发明通过两层板材扩散连接得到的空心构件解决了使用管材存在的厚度较薄的问题，并且有成本低、制造效率高、产品质量好等优点。
Description
技术领域
本发明属于复合材料航空发动机叶片制造技术，具体涉及一种复材叶片钛合金包边的成型方法。
背景技术
复合材料航空发动机叶片具有重量轻、效率高、噪音低的特点，但复材航空发动机叶片同时也存在边缘厚度薄、强度低等问题。在正常工作中，复材叶片高速转动，若受到异物如鸟类、冰雹等的冲击，容易产生损伤，甚至导致断裂。
采用钛合金包覆在复材叶片边缘的方法可以有效抵抗外部冲击导致的叶片损伤。现有的钛合金包覆工艺方法主要有：
1.采用数控机床对钛合金包覆边进行铣削加工，利用网状包覆层对叶片进行包覆增强制造钛合金叶片包边，该工艺技术存在制造效率低、成本高等问题；
2.采用3D打印技术打印包边基体，该工艺技术存在对设备要求较高、制造效率低等问题；
3.采用金属管材通过热气胀方法成形叶片包边，该工艺技术存在成形包边厚度较小，且包裹叶片前缘较短等问题。
申请号为CN202110024330.4的中国发明专利申请公开了一种采用超塑成形对直升机旋翼桨叶进行包边的方法：首先对薄壁钛合金管材进行预成形处理，生成扁形异型管，然后通过超塑模具对扁形异型管进行气压热胀成形处理，生成双包边复合工件，最后对工件进行切割，得到包边工件。该工艺技术采用的原材料为管材，无法对各处壁厚进行控制，同时因为壁厚较薄，无法满足航空发动机对风扇叶片包边厚度的要求。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于扩散连接和热气胀成形的复材叶片钛合金包边成形方法，该方法以板材为原材料，成形之前对板材各处进行不同厚度的加工，相比于使用管材为原材料，可以更加精确地控制各处的厚度，并且可以成形出更加复杂的工件形状，热气胀成形出的包边形状更加精确，减少后续精加工的工作量，在提升包边的生产效率的同时降低了生产的成本。本发明的技术方案具体如下：
一种复材叶片钛合金包边的成形方法，包括以下步骤：
S1针对复材叶片钛合金包边进行实体建模，对模型进行补充，得到封闭的三维模型；
S2基于S1所得三维模型，采用有限元法确定不等厚包边的最佳毛坯外形及内部止焊边界线；
S3制备扩散焊毛坯；
S4清洗扩散焊毛坯的待连接表面，在扩散焊毛坯相互接触但不需要扩散的连接部分涂止焊剂；
S5装配扩散焊毛坯，进行扩散连接；
S6数控加工得到不等厚包边的最佳毛坯；
S7对不等厚包边的最佳毛坯进行加热预成形，经保温、冷却后得到热气胀成形前的预成形件；
S8对预成形件进行热气胀成形；
S9对热气胀成形后的工件进行数控加工，得到复材叶片钛合金包边。
优选的，所述S2具体包括：所述三维模型包括中间面，中间面将三维模型切分为上下两部分，在有限元软件中，进行体网格剖分，并将上下两部分的体网格在连接面处做绑定处理，对三维模型的上下表面加压，将三维模型内腔上下表面与中间面的联合曲面展平至目标平面，得到带有曲面外形和内腔边界的三维网格实体，再利用有限元软件生成包容三维网格实体的实体单元，输出点云并进行逆向建模，可得不等厚包边的最佳毛坯外形及内部止焊边界线。
优选的，所述S5中以加热温度900～950℃、压力1～5MPa、保温时间30～180min的工艺参数进行扩散连接，选择GH4169作为扩散连接模具的材料。
优选的，所述S7中加热预成形的温度为700～800℃，采用模具加热或自阻加热方式时。
优选的，采用模具加热时，模具材料为中硅钼球墨铸铁或者耐热不锈钢；
优选的，采用自阻加热时，模具材料为铸造氮化硅，填充材料为熔融石英，并模具进行绝缘处理。
优选的，所述S8中热气胀成形中加热温度为钛合金相变温度以下20～50℃，达到加热温度后，保温3～5min。
优选的，所述S8中热气胀成形模具对角位置放置导向装置，进行上下模具的定位导正。
优选的，所述S9中的数控加工包括对热气胀成形后的工件进行切割，获得包边开口。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
1.本发明的复材叶片钛合金包边的成形方法通过两块板材扩散连接得到封闭截面实体，然后进行热气胀成形得到叶片包边的形状，再辅助以精密数控加工。解决了复材叶片包边依赖于大量数控铣削加工，加工难度大、效率低的技术问题。
2.本发明的复材叶片钛合金包边的成形方法采用扩散连接技术，突破了气胀成形出封闭界面型腔工件时原材料局限于管状材料的局限性，可以采用形状更加灵活的板材进行成形，同时可以更好地控制成形时各处的厚度，更加便于后续的成形加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1为本发明的复材叶片钛合金包边模型结构示意图；
图2为本发明的板材扩散连接示意图；
图3为本发明的复材叶片钛合金包边热气胀成形前状态示意图；
图4为本发明的复材叶片钛合金包边热气胀成形后状态示意图；
图5为本发明的复材叶片钛合金包边的成形方法流程图。
附图标记说明：
1-扩散连接模具上模，2-扩散焊毛坯，3-扩散连接模具下模，4-扩散连接区域，5-非扩散焊接区，6-热气胀成形模具上模，7-预成形件，8-热气胀成形模具下模，9-热气胀成形后的工件。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1-5所示，本发明的一种复材叶片钛合金包边的成形方法，包括如下步骤：
S1针对复材叶片钛合金包边进行实体建模，对模型进行补充，得到封闭的三维模型；
S2根据S1得到的三维模型，采用有限元法确定不等厚度包边工件的最佳毛坯外形及内部止焊区边界线。
在有限元软件中，对叶片包边进行实体建模，利用三维软件生成包边工件上下表面的中间面，利用中间面将包边工件切分为上下两个实体，在通用有限元软件中，对其进行体网格剖分，并将上下两个实体的体网格在连接面处做绑定处理，对工件外上下表面(或中间面与内腔上下表面的联合曲面)进行加压，将包边工件内腔上下表面与中间面的联合曲面展平至目标平面，展平过程中，叶片包边工件其它部位处于自由的不受约束的状态，这样由于材料的连续性，叶片包边实体受上下表面(或中间面与内腔上下表面的联合曲面)带动发生变形。当中间面与内腔上下表面的联合曲面上的所有节点完全处于目标平面上时，叶片包边工件也被完全展平至带有曲面外形和内腔边界的三维网格实体，再利用有限元软件生成包容上下实体单元网格的实体单元，输出点云，利用三维软件进行逆向建模，构建展平后的坯料曲面与实体，并适当增加后续工艺的加工余量。
S3制备扩散焊毛坯，包括下料、加工基准、定位孔、气路槽、磨削扩散焊接面、加工止焊线等工艺。
S4对扩散焊毛坯的待连接面清洗，采用有机溶剂擦拭的方法除去表面的油污，表面氧化膜采用酸洗去除，并用超声波进行清洗，用烘干箱进行烘干。对扩散连接面涂胶，胶干后，刻止焊边界线，将非扩散焊接区5的胶揭除，涂止焊剂，再将扩散连接区域4的胶全部揭下。具体步骤例如：
a采用超声波清洗工件；
b使用丙酮、乙醇、清水依次清洗待连接面；
c采用酸洗液进行清洗；
d采用清水冲洗并烘干；
e检查表面整洁程度；
f涂胶，刻线，揭非扩散焊接区5的胶，涂止焊剂，揭全部胶。
S5装配扩散焊毛坯2，在扩散连接设备中进行扩散连接。工艺参数：温度900～950℃，单位面积压力1～5MPa，时间30～180min。步骤如下：
a清洁扩散连接模具上模1和扩散连接模具下模3，在表面刷防氧化剂，模腔表面喷涂止焊剂；
b放入扩散焊毛坯2后合模，放置于炉内加热；
c采用阶段加热-保温。在300℃、500℃、750℃、900℃上分别进行均温保温，每阶段保温时间在15min左右；
d升温到900～950℃，在恒温下扩散连接30～180min；
e停止加热，自然冷却至室温。
S6通过数控加工得到不等厚包边的最佳毛坯。
S7将最佳毛坯放入模具，加热预成形，保温一段时间后取出工件冷却到常温，得到热气胀成形前的过渡形状。加热方式为模具加热或自阻加热，步骤分别如下：
1.采用模具加热方式：
a将毛坯转移到预成形模具中；
b加热到700～800℃；
c以一定的速度对毛坯进行冲压；
d将毛坯放置在隔热棉上，在空气中冷却；
2.采用自阻加热方式：
a通电，将毛坯加热到700～800℃；
b将毛坯转移到预成形模具中；
c以一定的速度对毛坯进行冲压；
d将毛坯放置在隔热棉上，在空气中冷却；
S8热气胀成形：加工通气孔，并焊接气嘴，连接通气管路，在高温下用惰性气体对预成形件7进行热气胀成形，通过热气胀成形形成内部空心构件，通过热气胀成形模具上模6和热气胀成形模具下模8的限制，热气胀成形工件基本符合空气动力学要求的形状，带有少许的磨削加工余量。具体工艺例如：
a使用润滑剂对成形面进行处理；
b加热，使预成形件7的温度升高到相变温度以下20～50℃；
c保温3～5min；
d向预成形件7内充入高压气体，成形压力在2～5MPa；
e贴模后保持气压，预成形件7温度保持在500℃以上，继续保持30min使其进一步蠕变。
S9对热气胀成形后的工件进行数控加工，包括对外形进行磨削加工，切除工艺补充部分的毛料，得到复材叶片的包边形状。
此外，前述仅说明了一些实施方式，可进行改变、修改、增加和/或变化而不偏离所公开的实施方式的范围和实质，该实施方式是示意性的而不是限制性的。此外，所说明的实施方式涉及当前考虑为最实用和最优选的实施方式，其应理解为实施方式不应限于所公开的实施方式，相反地，旨在覆盖包括在该实施方式的实质和范围内的不同的修改和等同设置。此外，上述说明的多种实施方式可与其它实施方式共同应用，如，一个实施方式的方面可与另一个实施方式的方面结合而实现再另一个实施方式。另外，任何给定组件的各独立特征或构件可构成另外的实施方式。
为了示意和说明的目的提供实施方式的前述说明，其不意图穷举或限制本公开。具体实施方式的各元件或特征通常不限于该具体实施方式，但是在可应用的情况下，即使没有具体地示出或说明，各元件或特征也是可互换且可用于选择的实施方式，还可以多种方式改变。该改变不看作从本公开偏离，且所有该改变都包括在本公开的范围内。
因此，应理解这里通过示例的方式提供了附图和说明书，以有助于对本发明的理解，且不应构成对其范围的限制。
Claims (9)
1.一种复材叶片钛合金包边的成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1针对复材叶片钛合金包边进行实体建模，对模型进行补充，得到封闭的三维模型；
S2基于S1所得三维模型，采用有限元法确定不等厚包边的最佳毛坯外形及内部止焊边界线；
S3制备扩散焊毛坯；
S4清洗扩散焊毛坯的待连接表面，在扩散焊毛坯相互接触但不需要扩散的连接部分涂止焊剂；
S5装配扩散焊毛坯，进行扩散连接；
S6数控加工得到不等厚包边的最佳毛坯；
S7对不等厚包边的最佳毛坯进行加热预成形，经保温、冷却后得到热气胀成形前的预成形件；
S8对预成形件进行热气胀成形；
S9对热气胀成形后的工件进行数控加工，得到复材叶片钛合金包边。
2.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S2具体包括：所述三维模型包括中间面，中间面将三维模型切分为上下两部分，在有限元软件中，进行体网格剖分，并将上下两部分的体网格在连接面处做绑定处理，对三维模型的上下表面加压，将三维模型内腔上下表面与中间面的联合曲面展平至目标平面，得到带有曲面外形和内腔边界的三维网格实体，再利用有限元软件生成包容三维网格实体的实体单元，输出点云并进行逆向建模，可得不等厚包边的最佳毛坯外形及内部止焊边界线。
3.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S5中以加热温度900～950℃、压力1～5MPa、保温时间30～180min的工艺参数进行扩散连接，选择GH4169作为扩散连接模具的材料。
4.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S7中加热预成形的温度为700～800℃，采用模具加热或自阻加热方式时。
5.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，采用模具加热时，模具材料为中硅钼球墨铸铁或者耐热不锈钢。
6.根据权利要求4所述的成形方法，其特征在于，采用自阻加热时，模具材料为铸造氮化硅，填充材料为熔融石英，并模具进行绝缘处理。
7.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S8中热气胀成形中加热温度为钛合金相变温度以下20～50℃，达到加热温度后，保温3～5min。
8.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S8中热气胀成形模具对角位置放置导向装置，进行上下模具的定位导正。
9.根据权利要求1所述的成形方法，其特征在于，所述S9中的数控加工包括对热气胀成形后的工件进行切割，获得包边开口。
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