一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法

1.本发明涉及涡轮叶片尺寸控制技术领域，尤其涉及一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法。


背景技术：

2.作为航空发动机的关键热端部件，涡轮叶片工作在高温、高压和高负荷的极端环境中，其质量直接影响和决定了发动机的性能。熔模铸造是一种原材料利用率高的近净成形技术，后续加工少，特别适用于无法加工或加工过程过于浪费材料的工件。此外，通过熔模铸造生产的铸件不会像机械加工存有尖锐的边缘或毛刺。而涡轮叶片具有复杂的蛇形内部空腔，叶身厚度不均，曲率大且后缘存在劈缝，因此涡轮叶片通常采用熔模铸造工艺生产。
3.国内外工业生产中常用bridgman方式生产高温合金或单晶叶片。在定向凝固过程中，由于铸件各部位冷却速度不同，材料不同，造成收缩不同，因此各部位互相制约产生非均匀热应力，极易导致叶片变形，而模壳、陶芯和浇注系统等约束的去除同样导致机械阻碍应力以变形的方式重新分布，叶片的变形呈现非线性和非均匀。目前空心涡轮叶片精铸成品率较低，其中尺寸超差导致的不合格约占一半。因此，为了提高空心涡轮叶片的制造成品率，必须严格控制涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸精度。因此，亟待提出一种精度控制方法，以期解决上述技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的：为了提高涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸精度，本发明提出一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法。首先，对定向凝固和去除约束过程进行数值模拟，叶身和缘板的变形量较大，成功预测了涡轮叶片的变形分布。然后，计算了涡轮叶片各个节点p＝{p1,p2,...,pn}在xyz方向上的收缩率λ＝[λ
x
λyλz]，得到连续变化的变收缩因子k＝[k
x k
y kz]，代入改进的反变形迭代公式得到新模具p
′m(x,y,z)。最后，使用三坐标测量仪(cmm)采集叶片的横截面数据，实验验证了所提方法成功将变形量控制在设计要求
±
0.15mm范围内，表明薄壁空心涡轮在熔模铸造过程中的尺寸精度得到了有效控制。
[0005]
为实现上述目的，本发明提供一种技术方案：
[0006]
一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法，包括以下方法步骤：
[0007]
步骤1：对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，得到设计模型，记为pd(x,y,z)；
[0008]
步骤2：计算涡轮叶片精铸去约束阶段数值模拟，得到铸件模型，记为pc(x,y,z)；
[0009]
步骤3：将步骤1和2得到的设计模型和铸件模型进行反变形迭代计算，得到优化后的模具型腔，记为p
′m(x,y,z)，判断变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δdn}；
[0010]
步骤4：通过控制变量法重复步骤1-3，直至控制薄壁空心涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸变形精度。
[0011]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟过程为：
[0012]
步骤1.1：将薄壁空心涡轮叶片模型转化为有限元模型；
[0013]
步骤1.2：设置熔模铸造关键参数，达到第一预设条件，完成涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，导出反变形所需的初始设计模型pd(x,y,z)。
[0014]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中，计算精铸去约束阶段数值模拟的过程为：
[0015]
步骤2.1：提供去约束阶段初始温度场、应力场和位移场；
[0016]
步骤2.2：设置铸件的位移约束，达到第二预设条件，计算完成精铸去约束阶段数值模拟；
[0017]
步骤2.3：去除模壳、陶芯和浇注系统约束，导出变形后铸件模型pc(x,y,z)。
[0018]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1.1中，空心涡轮叶片模型转化为有限元模型的过程为：利用软件工具将模型进行拆分，得到多个体文件同时导入hypermesh划分网格，模型被离散成不同大小的tetra元素；将模型划分为后缘、前缘、叶身、浇注系统和炉体，设置不同网格尺寸，涡轮叶片被离散化为n个节点的集合，其中n表示涡轮叶片节点总数量。
[0019]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤1.2中，熔模铸造关键参数包括：材料类型、模壳厚度h、抽拉速率v、冷铜温度t
ch
、浇注温度t
pr
、模壳预热温度t
po
；第一预设条件指降温至300℃为计算终止条件。
[0020]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2.1中，提取映射凝固阶段最终步后处理结果作为去约束阶段初始温度场、应力场和位移场。
[0021]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2.2中，采用“四点约束法”作为铸件的位移约束；第二预设条件指从300℃降温至25℃作为计算终止条件。
[0022]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，进行反变形迭代计算过程为：
[0023]
将步骤1和2得到的设计模型pd(x,y,z)和铸件模型pc(x,y,z)代入反变形迭代公式(1)-公式(2)：
[0024][0025][0026]
其中，p
′m(x,y,z)即为模具型腔，pm(x,y,z)为反变形优化模型；λ为收缩率；k为收缩因子；
[0027]
得到优化后的模具型腔p
′m(x,y,z)，误差采用判断所有离散点的变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δdn}是否满足设计要求。
[0028]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，计算涡轮叶片收缩率λ＝{λ1,λ2,...,λn}，将其沿xyz方向分解为λ1＝[λ
1x λ
1y λ
1z
]，进而得到与收缩率λ相关的变收缩因子k＝[k
x k
y kz]，则涡轮叶片节点在不同方向上的收缩因子k为公式(3)，减少反向补偿迭代的次数：
[0029][0030]
本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中，模具型腔p
′m(x,y,z)计算过程为：
[0031]
将pd、pc和k代入反变形迭代公式(1)，则：
[0032][0033]
其中，j表示反变形迭代次数；则符合要求的最终模具形状为
[0034]
p
′m(x,y,z)＝p
′m(x
j+1
,y
j+1
,z
j+1
)
ꢀꢀꢀ
(5)
[0035]
利用新模具p
′m(x,y,z)重新进行定向凝固和去约束阶段的数值模拟，将变形后模型与设计模型通过配准得到优化后的变形量。
[0036]
本发明的进一步技术方案是：涡轮叶片结构按照约束方式分为约束结构和非约束结构，其中约束结构收缩率的计算为公式(6)：
[0037][0038]
其中，点o是熔模铸造时叶片的收缩中心，点b在模具轮廓上，变形后为点c，b1和b2分别表示铸件叶盆和叶背侧节点，b3和b4分别表示靠近叶盆和叶背侧陶芯上的节点，c1、c2、c3和c4为变形后的对应点，λ
n,(x,y,z)
表示在第n个节点坐标为(x,y,z)处的收缩率；
[0039]
非约束结构收缩率的计算为公式(7)：
[0040][0041]
有益效果：
[0042]
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0043]
(1)本发明提出一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法，对定向凝固过程进行模拟，预测涡轮叶片的变形分布，去除约束后，叶身和缘板的变形进一步增大，然后，通过计算涡轮叶片每个有限元节点的收缩率，将其沿xyz三个方向分解，得到与收缩率相关的变收缩因子；通过改进传统的反变形迭代公式，将模具设计与变收缩因子及收缩率相结合，减少反向补偿迭代的次数，减少由二维曲面重构造成的误差累计，通过一次
或少量迭代即可得到满足要求的模具型腔，该方法可以有效控制空心涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸精度，提高叶片合格率。
[0044]
(2)本发明提出一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法，使用三坐标测量仪(cmm)采集叶片的横截面数据，实验验证了所提方法成功将变形量控制在设计要求
±
0.15mm范围内，表明薄壁空心涡轮在熔模铸造过程中的尺寸精度得到了有效控制，提高了涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸精度。
附图说明
[0045]
图1是本发明基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法流程图；
[0046]
图2是本发明的一种实施方式的涡轮叶片定向凝固和去约束后的变形示意图；
[0047]
图3是本发明的一种实施方式的涡轮叶片ⅱ、
ⅴ
和
ⅸ
三个截面收缩因子示意图；
[0048]
图4是本发明的一种实施方式的反变形优化后的铸件变形示意图；
[0049]
图5是本发明的一种实施方式的三坐标测量实验示意图；
[0050]
图6是本发明的一种实施方式的实测涡轮叶片的真实变形量。
[0051]
图中的附图标记表示为：
[0052]
1—涡轮叶片；2—反振动平台；3—计算机；4—驱动单元；5—测头系统；6—定位夹具。
具体实施方式
[0053]
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0054]
实施例1
[0055]
一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法，包括以下方法步骤：
[0056]
步骤1：对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，得到设计模型，记为pd(x,y,z)；
[0057]
步骤2：计算涡轮叶片精铸去约束阶段数值模拟，得到铸件模型，记为pc(x,y,z)；
[0058]
步骤3：将步骤1和2得到的设计模型和铸件模型进行反变形迭代计算，得到优化后的模具型腔，记为p
′m(x,y,z)，判断变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δdn}；
[0059]
步骤4：通过控制变量法重复步骤1-3，直至控制薄壁空心涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸变形精度。
[0060]
实施例2
[0061]
以某型号航空涡轮叶片为例，本发明一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法的具体实施流程如图1所示：
[0062]
步骤1：
[0063]
利用工具，比如ug软件，将cad模型进行拆分，得到多个体文件同时导入hypermesh划分网格，为了接近叶片的几何形状并提高计算效率，模型被离散成不同大小的tetra元素。后缘、前缘、叶身、浇注系统和炉体的网格尺寸分别为0.1、0.2、2、5和10mm，涡轮叶片被离散化为n个节点的集合p＝{p1,p2,...,p
26966
}。设置模拟参数：模壳厚度h＝5mm，材料类型为sand_silica，抽拉速率v＝6mm/min，冷铜温度t
ch
＝20℃，浇注温度t
pr
＝1550℃，模壳预
热温度t
po
＝1550℃，降温至300℃为计算终止条件，完成涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，导出初始cad设计模型pd＝{p
d1
,p
d2
,...,p
d,26966
}。
[0064]
步骤2：
[0065]
图2是涡轮叶片在定向凝固和去约束后的变形示意图；复制凝固阶段*.vdb和p.dat仿真文件，同时提取/映射凝固最终步后处理结果*.unf作为去约束阶段初始温度场、应力场和位移场。采用“四点约束法”约束铸件，即约束节点28837的xyz位移为0，沿该点x方向选定28793点，约束y位移为0，沿该点y方向选定28773点，约束z位移为0，沿该点z方向选定18671点，约束其x位移为0。从300℃降温至25℃为计算终止条件，提交计算，完成精铸过程去约束阶段仿真。300℃和25℃温度均来源于在实际生产涡轮叶片中的数据，为了提高模拟精度，该数值与实际生产涡轮叶片中的数据保持一致。
[0066]
去除模壳、引晶段、陶芯、浇注系统等约束，约束去除后涡轮叶片进一步发生变形，导出变形后网格pc＝{p
c1
,p
c2
,...,p
c,26966
}。将变形后模型与cad模型通过配准得到ⅱ、
ⅴ
和
ⅸ
三个截面的变形图。
[0067]
步骤3：
[0068]
利用步骤1和步骤2的前、后处理文件进行反变形优化，从而控制涡轮叶片在熔模铸造过程中的变形。传统反变形迭代公式为
[0069]
p
′m＝p
m-k(p
c-pd)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0070]
其中pd(x,y,z)、pc(x,y,z)和pm(x,y,z)分别表示cad设计模型、铸件和反变形优化模型，k为收缩因子，一般取经验常数。本文引入结构收缩率将k变为跟涡轮叶片结构相关的连续变化量，更符合叶片在熔模铸造过程中的变形，上式变形为
[0071][0072]
为了准确描述叶片收缩情况，k沿xyz方向分解为k＝[k
x k
y kz]，则涡轮叶片节点在不同方向上的收缩因子为
[0073][0074]
涡轮叶片结构按照约束方式可分为：约束结构和非约束结构。假设点o是熔模铸造时叶片的收缩中心，点b在模具轮廓上，变形后为点c，则约束结构收缩率的计算可以表示为
[0075][0076]
其中b1和b2分别表示铸件叶盆和叶背侧节点，b3和b4分别表示靠近叶盆和叶背侧
陶芯上的节点，c1、c2、c3和c4为变形后的对应点。
[0077]
非约束结构收缩率的计算可以表示为
[0078][0079]
将步骤1和2得到的cad设计模型pd＝{p
d1
,p
d2
,...,p
dn
}和铸件模型pc＝{p
c1
,p
c2
,...,p
cn
}代入反变形迭代公式(2)，得到优化后的模具型腔p
′m(x,y,z)，误差采用判断所有离散点的变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δdn}是否满足设计要求。
[0080]
图3是涡轮叶片ⅱ、
ⅴ
和
ⅸ
三个截面收缩因子示意图；将收缩率与模具设计相结合减少反向补偿迭代的次数，计算涡轮叶片收缩率为λ＝{λ1,λ2,...,λ
26966
}，将其沿xyz方向分解为λ1＝[λ
1x
λ
1y
λ
1z
]，进而得到变收缩因子k＝[k
x k
y kz]，将pd、pc和k代入反变形迭代公式
[0081][0082]
其中，j表示反变形迭代次数。则符合要求的最终模具形状为
[0083]
p
′m(x,y,z)＝p
′m(x
j+1
,y
j+1
,z
j+1
)
ꢀꢀꢀ
(7)
[0084]
利用新模具p
′m(x,y,z)重新进行定向凝固和去约束阶段的数值模拟，将变形后模型与cad模型通过配准得到优化后的ⅱ、
ⅴ
和
ⅸ
三个截面变形量。图4是反变形优化后的铸件变形示意图。
[0085]
步骤4：
[0086]
图5是三坐标测量实验示意图；实验测量装置为hexagon(青岛)有限公司生产的三坐标测量机，型号为global status 121510。其中驱动单元4控制导轨的运动，反振动平台2和定位夹具6提高被测涡轮叶片1的稳定性，测量结果通过测头系统5传输到计算机3并实时显示，测头半径为1mm，实验室温度保持在25℃左右。通过三坐标获取截面点云数据后，将实测点云与cad理论模型配准，从而得到涡轮叶片1在精铸全过程的真实变形量。
[0087]
图6是实测涡轮叶片的真实变形量；由于叶片存在劈缝和大曲率结构，其后缘点的变形较大，导致熔模铸造过程中变形量较大。图6可以看出，仿真和实验结果显示出相同的趋势，误差都在设计要求的
±
0.15mm以内。优化后不同截面的最大变形量平均值由0.3736mm变为0.1154mm，三坐标测量机实际测量的最大变形量为0.1272mm，结果表明，所提出的基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法成功控制了涡轮叶片在熔模铸造过程中的变形。
[0088]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法，其特征在于：包括如下方法步骤：步骤1：对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，得到设计模型，记为p
d
(x,y,z)；步骤2：计算涡轮叶片精铸去约束阶段数值模拟，得到铸件模型，记为p
c
(x,y,z)；步骤3：将步骤1和2得到的设计模型和铸件模型进行反变形迭代计算，得到优化后的模具型腔，记为p
′
m
(x,y,z)，判断变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δd
n
}；步骤4：通过控制变量法重复步骤1-3，直至控制薄壁空心涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸变形精度。2.根据权利要求1所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤1中，对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟过程为：步骤1.1：将薄壁空心涡轮叶片模型转化为有限元模型；步骤1.2：设置熔模铸造关键参数，达到第一预设条件，完成涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，导出反变形所需的初始设计模型p
d
(x,y,z)。3.根据权利要求2所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤1.1中，空心涡轮叶片模型转化为有限元模型的过程为：利用工具将模型进行拆分，得到多个体文件同时导入hypermesh划分网格，模型被离散成不同大小的tetra元素；将模型划分为后缘、前缘、叶身、浇注系统和炉体，设置不同网格尺寸，涡轮叶片被离散化为n个节点的集合，其中n表示涡轮叶片节点总数量。4.根据权利要求2所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤1.2中，熔模铸造关键参数包括：材料类型、模壳厚度h、抽拉速率v、冷铜温度t
ch
、浇注温度t
pr
、模壳预热温度t
po
；第一预设条件指降温至300℃为计算终止条件。5.根据权利要求1所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤2中，计算精铸去约束阶段数值模拟的过程为：步骤2.1：提供去约束阶段初始温度场、应力场和位移场；步骤2.2：设置铸件的位移约束，达到第二预设条件，计算完成精铸去约束阶段数值模拟；步骤2.3：去除模壳、陶芯和浇注系统约束，导出变形后铸件模型p
c
(x,y,z)。6.根据权利要求5所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤2.1和2.2中，提取映射凝固阶段最终步后处理结果作为去约束阶段初始温度场、应力场和位移场；采用“四点约束法”作为铸件的位移约束；第二预设条件指从300℃降温至25℃作为计算终止条件。7.根据权利要求1所述的精度控制方法，其特征在于：所述步骤3中，进行反变形迭代计算过程为：将步骤1和步骤2得到的设计模型和铸件模型代入反变形迭代公式(1)-公式(2)：公式(2)：其中，p
′
m
(x,y,z)即为模具型腔，p
m
(x,y,z)为反变形优化模型；λ为收缩率；k为收缩因
子；得到优化后的模具型腔p
′
m
(x,y,z)，误差采用判断所有离散点的变形量δd＝max{δd1,δd2,...,δd
n
}是否满足设计要求。8.根据权利要求7所述的精度控制方法，其特征在于：计算涡轮叶片收缩率λ＝{λ1,λ2,...,λ
n
}，将其沿xyz方向分解为λ1＝[λ
1x λ
1y λ
1z
]，进而得到与收缩率λ相关的变收缩因子k＝[k
x k
y k
z
]，则涡轮叶片节点在不同方向上的收缩因子为公式(3)，减少反向补偿迭代的次数：9.根据权利要求8所述的精度控制方法，其特征在于：模具型腔p
′
m
(x,y,z)计算过程为：将p
d
、p
c
和k代入反变形迭代公式(1)，则：其中，j表示反变形迭代次数；则符合要求的最终模具形状为p
′
m
(x,y,z)＝p
′
m
(x
j+1
,y
j+1
,z
j+1
)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)利用新模具p
′
m
(x,y,z)重新进行定向凝固和去约束阶段的数值模拟，将变形后模型与设计模型通过配准得到优化后的变形量。10.根据权利要求7所述的精度控制方法，其特征在于：涡轮叶片结构按照约束方式分为约束结构和非约束结构，其中约束结构收缩率的计算公式(6)为：其中，点o是熔模铸造时叶片的收缩中心，点b在模具轮廓上，变形后为点c，b1和b2分别表示铸件叶盆和叶背侧节点，b3和b4分别表示靠近叶盆和叶背侧陶芯上的节点，c1、c2、c3和c4为变形后的对应点；λ
n,(x,y,z)
表示在第n个节点坐标为(x,y,z)处的收缩率；非约束结构收缩率的计算公式(7)为：

技术总结
本发明涉及涡轮叶片尺寸控制技术领域，尤其涉及一种基于变收缩因子的薄壁空心涡轮叶片尺寸精度控制方法。对涡轮叶片精铸凝固阶段数值模拟，得到设计模型；计算涡轮叶片精铸去约束阶段数值模拟，得到铸件模型；将得到的设计模型和铸件模型进行反变形迭代计算，得到优化后的模具型腔，判断变形量；通过控制变量法重复步骤1-3，直至控制薄壁空心涡轮叶片在熔模铸造过程中的尺寸变形精度。方法成功预测了涡轮叶片的变形分布，计算了涡轮叶片各个节点在XYZ方向上的收缩率，得到连续变化的收缩因子，代入改进的反变形迭代公式得到新模具。实验验证所提方法将变形量控制在设计要求


技术研发人员：任胜杰 卜昆 张瑞媛 牟升 王斌强 刘军
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.05
技术公布日：2023/8/1