[發(fā)明專利]一種精鑄渦輪葉片氣膜冷卻孔的參數(shù)化加工方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710548930.4
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107506519B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董一巍;尤延鋮;殷春平;李曉琳;趙奇;李效基;王爾泰;黃玥;王希
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué);廈門大學(xué)深圳研究院
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

1.一種精鑄渦輪葉片氣膜冷卻孔的參數(shù)化加工方法，其特征在于包括以下步驟：

1)根據(jù)渦輪葉片設(shè)計模型獲取氣膜孔的幾何參數(shù)；所述氣膜孔的幾何參數(shù)包括氣膜孔的孔徑、孔深、氣膜孔中心點(diǎn)坐標(biāo)；

2)獲得葉片鑄件的實(shí)際三維模型；所述獲得葉片鑄件的實(shí)際三維模型，通過ATOS光學(xué)掃描儀或三坐標(biāo)測量設(shè)備獲得葉片鑄件的實(shí)際三維模型，或通過熱力耦合有限元模擬商用軟件，獲得葉片的實(shí)際三維模型；

3)將由步驟2)獲取的葉片鑄件模型與葉片的設(shè)計模型進(jìn)行三維配準(zhǔn)，對配準(zhǔn)后的模型沿高度方向截取表征模型三維特征的截面，將每條截面線離散成型值點(diǎn)，則設(shè)計模型與鑄件模型具有相同型值參數(shù)的點(diǎn)為對應(yīng)點(diǎn)，計算對應(yīng)點(diǎn)之間的位移，即得到渦輪葉片精鑄過程中產(chǎn)生的精鑄位移場；

4)對步驟3)中建立的精鑄位移場進(jìn)行變形特征分解，分解出為扭轉(zhuǎn)變形D_ti，彎曲變形D_bi以及收縮變形D_si，則位移場D_i＝D_si+D_bi+D_ti，具體步驟如下：

(1)基于二維截面線的離散點(diǎn)計算截面形心點(diǎn)，設(shè)離散點(diǎn)集為p₁,p₂,...p_n，離散點(diǎn)坐標(biāo)為p_i(x_i,y_i,z_i)，其中i＝1,2,...,n；則截面形心點(diǎn)M的計算公式為：將扭轉(zhuǎn)變形D_ti定義為葉片鑄件模型與葉片設(shè)計模型對應(yīng)截面形心點(diǎn)的位移量；利用公式P_i'＝P_i+D_ti補(bǔ)償扭轉(zhuǎn)變形量，式中，P_i為葉片鑄件模型二維截面的離散點(diǎn)集，P_i'為補(bǔ)償扭轉(zhuǎn)變形后的截面點(diǎn)集；

(2)連接二維截面線的形心點(diǎn)與截面線的前緣點(diǎn)得到一條直線，將彎曲變形量D_bi定義為葉片鑄造模型與設(shè)計模型對應(yīng)截面上兩條直線間的夾角θ，求得旋轉(zhuǎn)矩陣：

利用公式P_i”＝P_i'·R補(bǔ)償彎曲變形量，其中，P_i”為點(diǎn)集P_i'經(jīng)過彎曲變形補(bǔ)償?shù)慕孛纥c(diǎn)集；

5)基于六點(diǎn)定位原則，采用6個定位元件將葉片鑄件裝夾固定，定位器沿著葉片表面某點(diǎn)的法線方向緊貼該點(diǎn)，由于定位元件的制造與安裝誤差，定位點(diǎn)處會產(chǎn)生定位誤差δr＝[δr₁,δr₂,...δr_i,...δr_n]^T，會對葉片裝夾參考坐標(biāo)系CS_ω產(chǎn)生誤差δq＝[δx_ω,δy_ω,δz_ω,δα_ω,δβ_ω,δγ_ω]^T，其中δr_i是第i個定位元件的位移，[δx_ω,δy_ω,δz_ω]為坐標(biāo)系CS_ω在X,Y,Z方向上的位移變化，[δα_ω,δβ_ω,δγ_ω]為坐標(biāo)系CS_ω的旋轉(zhuǎn)角度，基于剛體運(yùn)動學(xué)公式δr＝Gδq確定裝夾坐標(biāo)系CS'_ω，其中：

6)葉片鑄件表面任意點(diǎn)i在裝夾定位過程中的位移e_li由公式e_li＝T(δα_ω)·T(δβ_ω)·T(δγ_ω)·R(r_i)-P_i，其中，T(δα_ω)，T(δβ_ω)，T(δγ_ω)為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣；P_i＝[x_i,y_i,z_i]^T，R(r_i)＝[x_i+δx_ω,y_i+δy_ω,z_i+δz_ω]^T；

7)采用時域離散法求解氣膜孔在加工過程中的葉片鑄件變形量，由于氣膜孔加工過程中應(yīng)力應(yīng)變與加工時間和氣膜孔的坐標(biāo)相關(guān)，將單孔加工過程按照時間間隔Δt進(jìn)行劃分，根據(jù)靜態(tài)平衡條件[K]r(t_I)＝f(t_I)，求得鑄件變形誤差，式中，K為氣膜孔加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度矩陣，r(t_I)為鑄件位移向量，f(t_I)為鉆孔的瞬時力向量，其中，瞬時力F表征為：

8)根據(jù)步驟3)～7)得到的葉片鑄造過程中的變形量、葉片定位誤差，以及氣膜孔加工過程中的誤差，對氣膜孔設(shè)計參數(shù)進(jìn)行修正，首先修正氣膜孔小孔中心點(diǎn)P_c＝[x_c,y_c,z_c]^T與氣膜孔孔的法矢求解P_c的步驟為：

(1)利用公式求出經(jīng)過葉片鑄造產(chǎn)生變形后的孔中心點(diǎn)其中R^e1與T^e1為根據(jù)步驟4)求得的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣，i為葉片鑄件表面上的離散點(diǎn)編號；

(2)利用公式求出葉片鑄件裝夾后在裝夾坐標(biāo)系CS'_ω中孔中心點(diǎn)的坐標(biāo)其中R^e2，T^e2為根據(jù)步驟5)和6)求得的旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣；

(3)根據(jù)步驟7)中求得的鑄變形誤差修正孔中心點(diǎn)為

9)孔的法矢的求解步驟為：在孔中心點(diǎn)周圍取四個臨近點(diǎn)P₁，P₂，P₃，P₄，按順序連接，取線段的中心點(diǎn)分別為M₁，M₂，M₃，M₄；根據(jù)運(yùn)動學(xué)幾何理論，且M₁，M₂，M₃，M₄位于同一平面上，則孔的法矢的求解方法為：

10)確定氣膜孔的孔深：垂直于葉片高度方向截取一系列二維截面，將外輪廓線進(jìn)行離散得到離散點(diǎn)P_i(i＝1,2,...,n)，N_i(i＝1,2,..n)為沿該點(diǎn)內(nèi)法線方向的單位向量，直線L_i＝P_i+tN_i(i＝1,2,...,n)與內(nèi)輪廓線r＝r(μ)的兩個交點(diǎn)為Q_i1與Q_i2，則葉片該點(diǎn)的垂直壁厚T_i＝|P_iQ_i1|；由此，根據(jù)垂直壁厚T與小孔法矢求得小孔深度L。