一种风扇叶片的高温渐进扭转成形装置及方法

本发明涉及金属扭转加工设备领域。

背景技术：

为了最大化的将风能转化为动能，风扇叶片的叶身往往需要扭转一定的角度。目前常见的叶片扭转成形工艺是通过固定叶片榫头，使用扭转夹具夹持叶尖进行扭转变形。扭转成形后的叶片只具备初步的过渡外形，一般还需要采用模压成形的方式对叶片进行进一步外形精整。这种工艺流程生产效率较低，而且需要合理设计模具型腔尺寸，成本较高。

目前现有技术中的成形设备有很多，具有代表性的如下所述：

国家局于2015年9月9日公告的一份名为“一种空心叶片推弯成形工艺”、申请号为“201310508213.0”的中国发明专利中提出了一种风扇叶片推弯成形工艺及模具，其依据成品风扇叶片成形曲面设计出带有两边开口模腔通道的模具，通过夹持叶片榫头将叶片从模腔通道一端推入模腔中，使叶片在模具型腔内表面的作用下受迫弯曲，发生扭转变形。该推弯成形工艺能够将平板风扇叶片坯料成形出复杂的扭转形态，使其具备所需的扭转角。但是对于扭转角较大的叶片，推弯过程中模具对叶片的阻力较大，可能造成未进入模具型腔的叶身部分发生压缩失稳变形，同时容易导致叶片与模具型腔接触时造成模具内表面的磨损，进而影响成形后续叶片的精度控制，极大限制了成形叶片的数量。

国家局于2019年1月11日公告的一份名为“一种基于应力松弛的等截面空心风扇叶片小角度扭转方法”、申请号为“201710852930.3”的中国发明专利中公开了一种基于应力松弛的风扇叶片小角度扭转方法，即在室温下通过扭转装置将叶片扭转至最终成形角度，随后将装夹好的叶片和装夹扭转装置一同放入加热装置中进行应力松弛，待冷却后拆除装夹装置得到最终零件。该方法能够有效减少回弹，提高成形效率，但室温下扭转变形时产生的塑性损伤以及高温应力松弛时造成的晶粒长大也对最终零件质量带来了不容忽视的影响。

国家局于2017年1月18日公告的一份名为“空心叶片多截面同步扭转成形方法”、申请号为“201510122613.7”的中国发明专利中以及国家局于2015年7月29日公告的一份名为“扭转组件及空心叶片多截面同步扭转成形装置”、申请号为“201520157870.x”的中国实用新型专利中提出了一种风扇叶片多截面同步扭转成形的方法和装置，能够实现对叶片叶身不同截面扭转变形的精确控制。但对于叶身较长的叶片，该方法需要较多的扭转组件来提供扭转成形，增大工装成本。

技术实现要素：

本发明针对以上问题，提出了一种可以实现预变形和最终成形同时进行，有效改善叶片质量，缩短精整过程的时间，从而提高成形效率，并降低生产成本的风扇叶片的高温渐进扭转成形装置及方法。

本发明的技术方案为：所述高温渐进扭转成形装置包括机床18、上扭转组件、下扭转组件以及底部扭转组件；所述机床18中布置有加热机构，所述加热机构可以由电阻丝、感应线圈或加热棒等满足加热温度及加热空间的装置可以构成；所述机床18的中部开设有用于成形叶片1的空腔，所述空腔中固定连接有至少一处竖直设置的滑轨17，所述机床18的底部设有与其连为一体的底座16；

所述底部扭转组件包括依次固定相连接的活动夹头13、定位装置14以及下伺服电机15，所述下伺服电机15固定连接在底座16的中心处，通过下伺服电机15驱动活动夹头13转动；

所述下扭转组件包括下扭转夹具8以及直线驱动机构，所述下扭转夹具8位于活动夹头13的上方、且与滑轨17滑动连接，所述直线驱动机构连接所述下扭转夹具8，通过直线驱动机构驱动下扭转夹具8沿滑轨17做直线升降运动；

所述上扭转组件包括上扭转夹具2、拉杆3、升降驱动机构、旋转驱动机构以及顶部支架7，所述顶部支架7固定连接在机床18的顶部，所述旋转驱动机构连接在顶部支架7中，所述升降驱动机构的顶端与旋转驱动机构连接、且其底端伸入空腔中；所述上扭转夹具2位于下扭转夹具8的上方，所述拉杆3固定连接在上扭转夹具2和升降驱动机构的底端之间，通过旋转驱动机构驱动升降驱动机构以及上扭转夹具2旋转，并通过升降驱动机构驱动上扭转夹具2做直线升降运动。

所述活动夹头13呈长条状、且其中心点与下伺服电机15的轴心相交。

所述直线驱动机构包括右多级推杆9、左多级推杆10、左液压机11以及右液压机12，所述右多级推杆9、左多级推杆10分设于下扭转夹具8的两侧，且二者均连接在下扭转夹具8和底座16之间；所述左液压机11、右液压机12固定连接在底座16的两侧，通过左液压机11、右液压机12驱动左多级推杆10和右多级推杆9做同步的直线升降运动。

所述旋转驱动机构为上伺服电机6，所述升降驱动机构包括多级活塞杆4和伸缩装置5，所述上伺服电机6竖直设置、且其壳体固定连接在顶部支架7中，所述伸缩装置5可旋转地穿设于机床18的上部、且其顶部与上伺服电机6的输出轴固定相连，所述多级活塞杆4的顶端连接所述伸缩装置5、且其底端伸入空腔中；

所述上伺服电机6、多级活塞杆4、伸缩装置5三者同轴心，且三者的轴心与上扭转夹具2的中心点相交。

所述伸缩装置5为液压缸或气缸。

所述拉杆3具有两个，两所述拉杆3之间留有用于成形叶片1的空隙。

按以下步骤进行扭转成形：

s1、建模：建立叶片的毛坯模型和零件模型；

s2、计算扭转角度：将扭转前后叶片的榫头重合在一起，水平投影叶片叶尖处的轮廓曲线，分别提取两条轮廓曲线的中心线，两中心线的交点o即为扭转中心，两中心线的夹角α即为扭转角度；

s3、加工设计：

s3.1、根据叶片的具体外形尺寸，计算叶身的扭转角度分布，并设计上扭转夹具、下扭转夹具的截面形状；

s3.2、采用有限元方法分别优化上扭转夹具的位移-时间和扭转角度-时间加载曲线、下扭转夹具的位移-时间加载曲线以及活动夹头的扭转角度-时间加载曲线；

s4、加工前准备：

s4.1、对叶片表面进行预处理，包括喷涂高温防氧化剂、喷砂或打磨等，促进叶片扭转变形均匀；

s4.2、将叶片榫头固定在活动夹头上；

s4.3、将上扭转夹具、下扭转夹具和叶片加热至成形温度并保温；

s5、扭转加工：根据优化的加载路径，通过独立控制上扭转夹具、下扭转夹具和活动夹头的运动实现叶片渐进扭转变形；

s6、冷却：扭转完成后停止加热，待叶片冷却后将其取出。

本发明提供的高温渐进扭转成形工艺通过独立控制扭转夹具的运动，使叶片叶身渐进扭转变形，降低成形抗力，提高叶片成形精度。同时，本发明的扭转设备结构简单且使用方便，无需模具，大大降低工装成本。此外，可以实现对扭转过程的时间及速度可控，易于实现自动化，提高生产效率。

附图说明

图1是本案的工作流程图，

图2是本案的结构示意图，

图3是本案的使用状态参考图，

图4是叶片的加工过程参考图一，

图5是叶片的加工过程参考图二；

图中1是叶片，2是上扭转夹具，3是拉杆，4是多级活塞杆，5是伸缩装置，6是上伺服电机，7是顶部支架，8是下扭转夹具，9是右多级推杆，10是左多级推杆，11是左液压机，12是右液压机，13是活动夹头，14是定位装置，15是下伺服电机，16是底座，17是滑轨，18是机床，19是未加工的叶片，20是加工后的叶片。

具体实施方式

为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。

本发明如图1-5所示，所述高温渐进扭转成形装置包括机床18、上扭转组件、下扭转组件以及底部扭转组件；所述机床18中布置有加热机构，所述加热机构可以由电阻丝、感应线圈或加热棒等满足加热温度及加热空间的装置可以构成；所述机床18的中部开设有用于成形叶片1的空腔，所述空腔中固定连接有至少一处竖直设置的滑轨17，所述机床18的底部设有与其连为一体的底座16；

所述底部扭转组件包括依次固定相连接的活动夹头13、定位装置14以及下伺服电机15，所述下伺服电机15固定连接在底座16的中心处，通过下伺服电机15驱动活动夹头13转动；

所述下扭转组件包括下扭转夹具8以及直线驱动机构，所述下扭转夹具8位于活动夹头13的上方、且与滑轨17滑动连接，所述直线驱动机构连接所述下扭转夹具8，通过直线驱动机构驱动下扭转夹具8沿滑轨17做直线升降运动；

所述上扭转组件包括上扭转夹具2、拉杆3、升降驱动机构、旋转驱动机构以及顶部支架7，所述顶部支架7固定连接在机床18的顶部，所述旋转驱动机构连接在顶部支架7中，所述升降驱动机构的顶端与旋转驱动机构连接、且其底端伸入空腔中；所述上扭转夹具2位于下扭转夹具8的上方，所述拉杆3固定连接在上扭转夹具2和升降驱动机构的底端之间，通过旋转驱动机构驱动升降驱动机构以及上扭转夹具2旋转，并通过升降驱动机构驱动上扭转夹具2做直线升降运动。使用时，可将叶片1的底部夹持于活动夹头13中，并使得上扭转夹具2、下扭转夹具8套接在叶片上。加工前，需要先根据叶片的具体外形尺寸，计算叶身的扭转角度分布，并设计上扭转夹具、下扭转夹具的截面形状；再采用有限元方法分别优化上扭转夹具的位移-时间和扭转角度-时间加载曲线、下扭转夹具的位移-时间加载曲线以及活动夹头的扭转角度-时间加载曲线；此后，即可在高温环境下，通过上扭转夹具的竖直运动和转动控制风扇叶片的预成形，下扭转夹具的竖直运动及活动夹头的转动共同控制叶片的最终成形，预成形和最终成形的同时进行缩短了后续热校形工艺的时间甚至无需热校形，提高了生产效率，缩短精整了加工过程的时间，有效改善了叶片质量，并降低生产成本。同时，本发明的扭转设备结构简单且使用方便，无需模具，大大降低工装成本。

所述活动夹头13呈长条状、且其中心点与下伺服电机15的轴心相交。从而确保活动夹头13在运动过程中可绕自身中心旋转。

所述直线驱动机构包括右多级推杆9、左多级推杆10、左液压机11以及右液压机12，所述右多级推杆9、左多级推杆10分设于下扭转夹具8的两侧，且二者均连接在下扭转夹具8和底座16之间；所述左液压机11、右液压机12固定连接在底座16的两侧，通过左液压机11、右液压机12驱动左多级推杆10和右多级推杆9做同步的直线升降运动。一方面，通过左多级推杆10和右多级推杆9的同步直线升降运动可稳定地带动下下扭转夹具8沿滑轨17做直线升降运动；另一方面，将右多级推杆9、左多级推杆10分设于下扭转夹具8的两侧也可有效避免对加工过程中对工件的运动干涉。

所述旋转驱动机构为上伺服电机6，所述升降驱动机构包括多级活塞杆4和伸缩装置5，所述上伺服电机6竖直设置、且其壳体固定连接在顶部支架7中，所述伸缩装置5可旋转地穿设于机床18的上部、且其顶部与上伺服电机6的输出轴固定相连，所述多级活塞杆4的顶端连接所述伸缩装置5、且其底端伸入空腔中；

所述上伺服电机6、多级活塞杆4、伸缩装置5三者同轴心，且三者的轴心与上扭转夹具2的中心点相交。这样，上伺服电机6开启后可带动伸缩装置5、多级活塞杆4、拉杆3以及上扭转夹具2同步旋转，而伸缩装置5开始工作后，则可经过拉杆带动上扭转夹具2做直线升降运动。

所述伸缩装置5为液压缸或气缸。

所述拉杆3具有两个，两所述拉杆3之间留有用于成形叶片1的空隙。从而在对扭力及拉力进行稳定传输的同时，有效避免在加工过程中与叶片出现运动干涉。

按以下步骤进行扭转成形：

s1、建模：建立叶片的毛坯模型和零件模型；叶片扭转前后模型如图4所示，其中19为未变形叶片，20为变形后叶片。

s2、计算扭转角度：将扭转前后叶片的榫头重合在一起，水平投影叶片叶尖处的轮廓曲线，分别提取两条轮廓曲线的中心线，两中心线的交点o即为扭转中心，两中心线的夹角α即为扭转角度；如图5所示。

s3、加工设计：

s3.1、根据叶片的具体外形尺寸，计算叶身的扭转角度分布，并设计上扭转夹具、下扭转夹具的截面形状；

s3.2、采用有限元方法分别优化上扭转夹具的位移-时间和扭转角度-时间加载曲线、下扭转夹具的位移-时间加载曲线以及活动夹头的扭转角度-时间加载曲线；

s4、加工前准备：

s4.1、对叶片表面进行预处理，包括喷涂高温防氧化剂、喷砂或打磨等，促进叶片扭转变形均匀；

s4.2、将叶片榫头（即叶片的底端）固定在活动夹头上；

s4.3、将上扭转夹具、下扭转夹具和叶片加热至成形温度并保温；

s5、扭转加工：根据优化的加载路径，通过独立控制上扭转夹具、下扭转夹具和活动夹头的运动实现叶片渐进扭转变形；

s6、冷却：扭转完成后停止加热，待叶片冷却后将其取出。

本发明提供的风扇叶片的高温渐进扭转成形装置中，上扭转夹具的竖直运动和转动控制风扇叶片的预成形，下扭转夹具的竖直运动及活动夹头的转动共同控制叶片的最终成形，进而缩短后续热校形工艺的时间甚至无需热校形，提高生产效率。其中，上扭转夹具、下扭转夹具以及活动夹头的运动均独立受控，且扭转夹具的截面形状可根据不同风扇叶片的具体外形尺寸而灵活设计。

本发明提供的风扇叶片的高温渐进扭转成形装置中，机床内部的加热室可以采用惰性气体氛围保护，也可以抽成真空状态，从而减少高温氧化对材料性能的影响。加热室中设置有滑轨，用于限制下扭转夹具的水平移动。

本发明提供的风扇叶片的高温渐进扭转成形装置及方法不只局限于叶片的高温扭转，对于部分易变形材料，在室温下也可以进行扭转成形。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是可拆卸连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。