CN117124027B - 一种叶片成型制造方法及叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶片成型制造方法及叶片，叶片成型制造方法通过叶片模型确定出前缘线路径和后缘线路径，以供切割工具根据该路径实施切割作业，从而形成叶片所需的前后缘线，其相较于现有铣削加工的方式，其有利于降低加工处理量，降低加工难度，减少叶片在生产阶段的加工成本，缩短叶片加工周期；可通过调整变化切割路径，即可实现对于不同尺寸叶片结构的制造，相较于铸造方式生产，具备良好的加工能力，满足不同尺寸叶片结构的制造需求。
Description
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，具体涉及一种叶片成型制造方法及叶片。
背景技术
叶片作为航空发动机及燃气轮机等机械的基本做功单元，其形状关系到做功效率，会影响到整个机械的性能。以压气机叶片为例，一排转子叶片和一排静子叶片组成一级，气流从转子叶片进口进气，从静子叶片出口排气，其中转子叶片以一定转速旋转，对气体做功，静子叶片静止，起到导流的作用。
由于叶片从根到尖前后缘角度往往是不同的，因此叶轮机械的叶片通常为扭转构造的，为了在设计和加工中保证这种规律，通常会采用复杂的设计及制造工艺，其叶片在设计时，会采用复杂的型线来保证从前缘到后缘的角度分布规律，在加工时，一般采用五轴机床数铣，利用数控机床对棒体毛坯进行铣削加工，然后再通过打磨形成符合标准的叶片。
此种方式适合于对气动性能要求十分严苛的场合，尤其对于高气流速度的使用场合会十分必要；而对于风机、泵等低速叶轮机械来说，其前后缘设计形成的型线形状对叶轮的气动性能并不敏感；因而对于低速叶轮，若采用铣削加工的方式，其实际加工处理量多，不利于生产阶段的成本控制，相关技术中，可通过采取铸造的方式进行生产低速叶轮的，需针对叶轮的叶片结构，设计出与之尺寸匹配的铸造模具，但当所需叶片结构的尺寸发生改变，匹配的铸造模具需要重新调整，其应对加工能力不足，无法有效满足不同尺寸叶片结构的制造需求。
发明内容
本发明所要解决或至少部分解决的技术问题在于，相关技术中，对于低速叶轮机械，若采用铣削加工的方式，其实际加工处理量多，不利于生产阶段的成本控制；若采取铸造的方式，其应对加工能力不足，无法有效满足不同尺寸叶片结构的制造需求。
本发明提供了一种叶片成型制造方法，包括如下步骤：
构建叶片模型，几何分割所述叶片模型，确定参数化的叶型截面；
获取目标叶片在所述参数化的叶型截面上的前缘角度和后缘角度；
根据所述叶片模型、前缘角度和后缘角度，计算目标叶片在所述叶型截面的前缘坐标位置和后缘坐标位置；遍历所述参数化的叶型截面，并合成各所述叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，确定目标叶片成型的前缘线路径和后缘线路径；
基于所述前缘线路径和所述后缘线路径，通过切割工具对叶片坯料实施切割作业。
可选地，所述叶片坯料为圆弧板结构。
作为优选方案，叶片成型制造方法，还包括冲压步骤：
通过冲压机械将等厚叶片板材冲压成型所述圆弧板结构。
作为优选方案，所述等厚叶片板材的宽度和所述叶片模型的中弧线弧长的最大值设置为相等。
作为优选方案，叶片成型制造方法，还包括打磨步骤：在切割作业后，通过打磨机械进行打磨作业。
作为优选方案，所述前缘和所述后缘设置为圆形结构，在所述打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
；
；
其中，t为等厚叶片板材的厚度，为前缘半径，/>为后缘半径；
或
所述前缘和所述后缘设置为直角结构，在所述打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
d
1
≤0.5t；
d
2
≤0.5t；
其中，t为圆弧板结构的厚度。
作为优选方案，几何分割所述叶片模型为平面切割，所述平面切割形成的所述叶型截面同所述叶片模型在其长度方向和宽度方向上所共同确定的平面相平行设置。
作为优选方案，所述切割工具配置为线切割机构，所述叶片坯料为导电材料。
作为优选方案，所述叶片坯料设置有线切割机构的线切割余量；对于所述前缘线路径，所述线切割余量设置为0.45-0.65的前缘半径；对于所述后缘线路径，所述线切割余量设置为0.45-0.65的后缘半径/>。
第二方面，本发明提供了一种叶片，所述叶片基于上述的叶片成型制造方法制成。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的叶片成型制造方法，通过构建叶片模型，对叶型截面参数处理，利用叶片模型计算目标叶片在叶型截面的前缘坐标位置和后缘坐标位置；遍历参数化的叶型截面，并合成各叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，确定目标叶片成型的前缘线路径和后缘线路径，再通过切割工具根据前缘线路径和后缘线路径对叶片坯料实施切割作业。本发明采用叶片模型确定出前缘线路径和后缘线路径，以供切割工具根据该路径实施切割作业，从而形成叶片所需的前后缘线，其相较于现有铣削加工的方式，其有利于降低加工处理量，降低加工难度，减少叶片在生产阶段的加工成本，缩短叶片加工周期；可通过调整变化切割路径，即可实现对于不同尺寸叶片结构的制造，相较于铸造方式生产，具备良好的加工能力，满足不同尺寸叶片结构的制造需求。
2.本发明提供的叶片成型制造方法，通过冲压步骤对等厚叶片板材进行粗加工处理，以形成叶片模型期望的圆弧板结构的形状，其加工成本低，便于后续加工，有利于缩短加工周期。
3.本发明提供的叶片成型制造方法，采用线切割机构，可切割生成复杂的形状，能够良好满足于叶片的前缘线和后缘线的加工需求。叶片原材设计方面配置有线切割余量，以供后续精加工处理，消除线切割机构作业时的加工误差和表面缺陷，有利于提高制造精度。
4.本发明提供的叶片成型制造方法，还包括打磨步骤，通过对切割后的叶片产品进行打磨，以提高叶片表面光洁度，提高叶片的生产质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法的流程图；
图2为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中叶片坯料的结构示意图；
图3为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中叶片第i-i截面的示意图；
图4为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中作为示例性的三个叶型截面的示意图；
图5为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中作为示例性的三个叶型截面的参数示意图；
图6为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中示例性的叶片模型示意图；
图7为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中等厚叶片板体的示意图；
图8为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中示例性的叶片模型的叶片截面S1的示意图；
图9为本发明的实施例中提供的叶片成型制造方法中示例性的叶片模型的叶片截面S6的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供了一种叶片成型制造方法，例如用于泵、风机或压缩机等叶轮机械领域静叶的成型制造，这些场景中的静叶进、出口角度从根到尖的变化不剧烈，通常根到尖叶型的中弧线曲率也较为接近。本文所示的实例方法涉及将根到尖的中弧线曲率设置为相等，仅通过前、后缘不同切割点坐标来达到所需的叶片进、出口角度。
对于尺寸接近的一批叶片，本文涉及的成型制造方法可以采用同一种板材，利用同一套冲压模具，仅对前、后缘切割点坐标进行更新即可，可大大节省成本。
如图1至图3所示，本实施例提供的叶片成型制造方法包括如下步骤：
构建叶片模型，几何分割叶片模型，确定参数化的叶型截面；
获取目标叶片在参数化的叶型截面上的前缘角度和后缘角度；
根据叶片模型、前缘角度和后缘角度，计算目标叶片在叶型截面的前缘坐标位置和后缘坐标位置；遍历参数化的叶型截面，并合成各叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，确定叶片成型的前缘线路径和后缘线路径；
基于前缘线路径和后缘线路径，通过切割工具对叶片坯料实施切割作业。
本发明采用叶片模型确定出前缘线路径和后缘线路径，以供切割工具根据该路径实施切割作业，从而形成叶片所需的前后缘线，其相较于现有铣削加工的方式，其有利于降低加工处理量，降低加工难度，减少叶片在生产阶段的加工成本，缩短叶片加工周期；可通过调整变化切割路径，即可实现对于不同尺寸叶片结构的制造，相较于铸造方式生产，具备良好的加工能力，满足不同尺寸叶片结构的制造需求。
在本实施例中，为降低加工量，叶片坯料设置为圆弧板结构，从而适应匹配叶片模型的形状，为切割作业做准备。
作为一种优选方案，叶片成型制造方法还包括冲压步骤：通过冲压机械将等厚叶片板材冲压成型圆弧板结构。本方案通过冲压步骤对等厚叶片板材进行粗加工处理，以形成叶片模型期望的圆弧板结构的形状，其加工成本低，便于后续加工，有利于缩短加工周期。
需要说明的是，可以根据具体需求，不同截面的型线半径可以采用变化的趋势；在冲压步骤中，冲压模具可对应设计成不同的半径即可；也就是，将不同的叶片截面的冲压半径设置成不同的半径，对应于圆弧板结构的半径值，每个截面可取不同值，这个可在冲压成型时选择不同的冲压模具。
进一步地，等厚叶片板材的宽度和叶片模型的中弧线弧长的最大值设置为相等。在加工时，线切割量为叶片模型的中弧线弧长的最大值减去叶片模型的中弧线弧长的最小值；此种设置有利于减少后续的加工处理量。以图6作为例，图6示出了叶片模型配置有6个叶型截面（S1至S6）的示意图，其中，叶型截面S1的中弧线弧长La1最长，叶型截面S6的中弧线弧长La6最短。如图7和图8所示，将冲压前的等厚叶片板材的宽度Lb设置成与叶型截面S1中弧线弧长La1一致，此时，板材的加工处理量将最少；如图9所示，处理量最大处在叶型截面6的位置，其沿叶型截面延伸方向的加工长度为La1-La6。
作为优选方案，几何分割叶片模型为平面切割，平面切割形成的叶型截面同叶片模型在其长度方向和宽度方向上所共同确定的平面相平行设置。其中，叶型截面同叶片模型的径向高度方向相垂直。
本实施例提供的叶片成型制造方法，首先进行叶型设计，构建叶片模型，建立型线半径为R、厚度为t的理论叶型，分割叶片模型，确定叶片模型的多个不同的叶型截面；
获取目标叶片在各个不同的叶型截面上的前缘角度ɑ3i和后缘角度ɑ4i，其中下标i表示叶片第i个截面；
将厚度为t的等厚板材冲压成型为圆弧板结构，圆弧板结构的半径为R；其中，前缘角度指的是圆弧板结构的中弧线前端点切向方向和叶型截面所成夹角的角度，后缘角度指的是圆弧板结构的中弧线后点切向方向和叶型截面所成夹角的角度；
计算坐标：将上述的圆弧板结构对称放置，以i-i截面为例，如图2所示，利用几何关系，其前、后缘切割位置坐标分别为：
X
3i
=-R×sin(ɑ
3i
)
Y
3i
=-R×cos(ɑ
3i
)
X
4i
=-R×sin(ɑ
4i
)
Y
4i
=-R×cos(ɑ
4i
)
将其他叶型截面均按上述计算坐标的方式，求出各叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，得到图3所示的前缘线路径和后缘线路径；
接着，利用切割工具根据前缘线路径和后缘线路径，将叶片从圆弧板结构上切割出来，再进行后续精加工处理。
作为示例，以图4和图5示出以一个典型的压气机静子叶片为例，根到尖用三个叶型截面（1-1、2-2、3-3）设计而成，三个叶型截面的高度（Z方向，叶型与转轴的径向高度）分别为:Z1=17.3,Z2=34.6,Z3=50.2,具体步骤如下：
在将厚度为t的等厚板材冲压成型为半径R的圆弧板结构后；
利用几何关系，求出圆弧板结构沿1-1截面前、后缘点A1和B1的坐标：
X
31
=-R×sin(ɑ
31
)=-26.5
Y
31
=-R×cos(ɑ
31
)=-26.5
X
41
=-R×sin(ɑ
41
)=-7.3
Y
41
=-R×cos(ɑ
41
)=-36.9
则A1和B1坐标为（-26.5，-26.5，17.3）和（-7.3，-36.9，17.3）；
同样地，求得圆弧板结构沿2-2截面的前后缘点A2和B2的坐标为（-27.4，-25.6，34.6）和（-6.3，-37.0，34.3），求得圆弧板结构沿3-3截面的前后缘点A3和B3的坐标为（-28.3，-24.6，50.2）和（-5.3，-37.1，50.2）。此时，分别连接A1、A2、A3和连接B1、B2、B3，以分别得到前缘线路径和后缘线路径；
将确定完毕的前缘线路径和后缘线路径导入切割工具，通过切割工具切割叶片坯料，以形成叶片所需的前缘线和后缘线。
本发明通过采用圆弧型线、等厚度分布的制造加工方式，等厚叶片板材冲压成型后再切割出前后缘线，有利于节约叶片的原材料。
在本实施例中，切割工具配置为线切割机构，可切割生成复杂的形状，能够良好满足于叶片的前缘线和后缘线的加工需求。其中，叶片坯料为导电材料。叶片坯料可设置为包括但不限于铝、钢；对于使用要求高的场合，叶片坯料可设置为高等级钢、钛合金、高温合金。
作为优选方案，叶片坯料设置有线切割机构的线切割余量，以供后续精加工处理，消除线切割机构作业时的加工误差和表面缺陷，有利于提高制造精度。对于前缘线路径，线切割余量d设置为0.45-0.65的前缘半径；对于前缘线路径，线切割余量d设置为0.45-0.65的后缘半径/>。
作为一种优选方案，叶片成型制造方法还包括打磨步骤：在切割作业后，通过打磨机械进行打磨作业。通过对切割后的叶片产品进行打磨，以提高叶片表面光洁度，提高叶片的生产质量。
在一种实施方式中，前缘和后缘设置为圆形结构，在打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
；
其中，为圆弧板结构的厚度，/>为前缘半径,/>为后缘半径。
在另一实施方式中，前缘和后缘设置为直角结构，在打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
d
1
≤0.5t；
d
2
≤0.5t；
其中，为圆弧板结构的厚度。
实施例2
本实施例提供了一种叶片，通过实施例1的叶片成型制造方法制成。
本实施例提供的叶片，先通过叶片模型确定出待加工的前缘线路径和后缘线路径，以供切割工具根据该路径实施切割作业，从而形成叶片所需的前后缘线，其具有较小的加工处理量，加工难度低，加工周期短。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种叶片成型制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建叶片模型，建立型线半径为R的理论叶型，几何分割所述叶片模型，确定参数化的叶型截面；
获取目标叶片在所述参数化的叶型截面上的前缘角度ɑ3i和后缘角度ɑ4i，其中下标i表示叶片第i个截面；
根据所述叶片模型、前缘角度和后缘角度，计算目标叶片在所述叶型截面的前缘坐标位置（X 3i，Y 3i）和后缘坐标位置（X 4i，Y 4i），如下：
X3i=-R×sin(ɑ3i)；
Y3i=-R×cos(ɑ3i)；
X4i=-R×sin(ɑ4i)；
Y4i=-R×cos(ɑ4i)；
遍历所述参数化的叶型截面，并合成各所述叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，确定目标叶片成型的前缘线路径和后缘线路径；
基于所述前缘线路径和所述后缘线路径，通过切割工具对叶片坯料实施切割作业；
所述叶片坯料为圆弧板结构；将厚度为t的等厚叶片板材冲压成型为圆弧板结构，圆弧板结构的半径为R；其中，前缘角度ɑ3i指的是圆弧板结构的中弧线前端点切向方向和叶型截面所成夹角的角度，后缘角度ɑ4i指的是圆弧板结构的中弧线后点切向方向和叶型截面所成夹角的角度；
所述叶片成型制造方法还包括打磨步骤：在切割作业后，通过打磨机械进行打磨作业；
所述前缘和所述后缘设置为圆形结构，在所述打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
；
；
其中，为等厚叶片板材的厚度，/>为前缘半径,/>为后缘半径。
2.根据权利要求1所述的叶片成型制造方法，其特征在于，还包括冲压步骤：
通过冲压机械将等厚叶片板材冲压成型所述圆弧板结构。
3.根据权利要求1所述的叶片成型制造方法，其特征在于，所述等厚叶片板材的宽度和所述叶片模型的中弧线弧长的最大值设置为相等。
4.根据权利要求1所述的叶片成型制造方法，其特征在于，几何分割所述叶片模型为平面切割，所述平面切割形成的所述叶型截面同所述叶片模型在其长度方向和宽度方向上所共同确定的平面相平行设置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的叶片成型制造方法，其特征在于，所述切割工具配置为线切割机构，所述叶片坯料为导电材料。
6.根据权利要求5所述的叶片成型制造方法，其特征在于，所述叶片坯料设置有线切割机构的线切割余量；对于所述前缘线路径，所述线切割余量设置为0.45-0.65的前缘半径；对于所述后缘线路径，所述线切割余量设置为0.45-0.65的后缘半径/>。
7.一种叶片成型制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建叶片模型，建立型线半径为R的理论叶型，几何分割所述叶片模型，确定参数化的叶型截面；
获取目标叶片在所述参数化的叶型截面上的前缘角度ɑ3i和后缘角度ɑ4i，其中下标i表示叶片第i个截面；
根据所述叶片模型、前缘角度和后缘角度，计算目标叶片在所述叶型截面的前缘坐标位置（X 3i，Y 3i）和后缘坐标位置（X 4i，Y 4i），如下：
X3i=-R×sin(ɑ3i)；
Y3i=-R×cos(ɑ3i)；
X4i=-R×sin(ɑ4i)；
Y4i=-R×cos(ɑ4i)；
遍历所述参数化的叶型截面，并合成各所述叶型截面上的前缘坐标位置和后缘坐标位置，确定目标叶片成型的前缘线路径和后缘线路径；
基于所述前缘线路径和所述后缘线路径，通过切割工具对叶片坯料实施切割作业；
所述叶片坯料为圆弧板结构；将厚度为t的等厚叶片板材冲压成型为圆弧板结构，圆弧板结构的半径为R；其中，前缘角度ɑ3i指的是圆弧板结构的中弧线前端点切向方向和叶型截面所成夹角的角度，后缘角度ɑ4i指的是圆弧板结构的中弧线后点切向方向和叶型截面所成夹角的角度；
所述叶片成型制造方法还包括打磨步骤：在切割作业后，通过打磨机械进行打磨作业；
所述前缘和所述后缘设置为直角结构，在所述打磨步骤中，前缘打磨量和后缘打磨量/>满足如下公式：
d
1
≤0.5t；
d
2
≤0.5t；
其中，为等厚叶片板材的厚度。
8.一种叶片，其特征在于，所述叶片基于如权利要求1-7任一项所述的叶片成型制造方法制成。
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