一种精锻过程叶片频率的控制方法与流程

1.本发明涉及锻造技术领域，具体为一种精锻过程叶片频率的控制方法。


背景技术：

2.航空发动机叶片是航空发动机重要零件之一，常常因共振而导致断裂失效，共振引起的叶片疲劳损伤故障比率往往占发动机零件疲劳故障的30％～40％。航空发动机叶片的频率主要与叶片的设计尺寸和材料密度相关，又称为叶片的固有频率。为了更好的满足发动机叶片气流控制要求，叶片的设计尺寸在不断优化改进，但同时也带了叶片振动频率的变化，导致某些叶片的尺寸符合设计要求，但频率却不满足设计要求。
3.目前，在“一种航空发动机风扇叶片固有频率的修正方法”发明专利中，针对叶片尺寸合格而叶片频率不满足要求的情况，需采用一种调整排列、调整频率差等选配叶片的方法，并进行反复修频工艺。此工艺对叶片进行多次返修并进行测频检测，直至频率合格，但是该方法无法应用到叶片热加工成型过程中，仅是在叶片最终尺寸合格后进行返修处理，废品率达到20％左右，而且时常会破坏了叶片的表面完整性，甚至会降低叶片的使用寿命。
4.为了提升精锻叶片一次测频的合格率，需要从精锻叶片设计和生产工艺的前端进行改进，因此，在精锻叶片的设计和锻造阶段进行研究和控制就显得尤为重要。例如高压6级转子叶片为tc11钛合金精锻叶片，该叶片频率超差是航空发动机叶片装配的一项技术难题之一。经统计，目前该叶片的一阶频率值在875hz～1010hz之间，要使该叶片的频率满足要求频率值，必须研究钛合金精锻叶片的锻件设计、工装模具设计、表面质量控制、变形控制等技术。通过分析叶片最终尺寸与频率之间的关系，研究新工艺进行改进，达到对叶片尺寸精度及表面质量的准确控制，从而解决叶片频率超差问题。因此设计一种针对精锻叶片热加工过程的频率控制方法，从而解决精锻叶片的频率超差问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种精锻过程叶片频率的控制方法，通过精锻叶片锻件设计、锻造尺寸控制，表面处理过程改进的方式来实现最终叶片频率的控制。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种精锻过程叶片频率的控制方法，包括以下步骤：
8.步骤1、在叶身的设计公差范围内，采用差分法对叶身数字模型的厚度调整，使叶尖至叶根方向的厚度变化均匀；
9.步骤2、根据步骤1得到的叶身数字模型制备对应的叶片终锻模具的型腔，并根据调整后叶身的厚度对型腔边缘桥部的宽度进行调整；
10.步骤3、采用步骤2得到的叶片终锻模具对待锻造叶片进行锻造，锻造过程中根据叶片的厚度数据使用润滑剂对叶片的厚度进行控制；
11.步骤4、对锻造后的叶片进行弯曲和扭曲的热校正，校正过程中对叶身造成的压痕深度低于设定值。
12.优选的，步骤1中叶身厚度调整方法如下：
13.使叶尖的厚度向上公差带调整，叶身的叶根方向的厚度向下公差带，同时使叶身从叶根至叶尖方向的厚度变化均匀。
14.优选的，步骤2中叶片终锻模具桥部的调整方法如下：
15.叶身厚度增加的区域对应的桥部宽度减窄，叶身厚度减少的区域对应的桥部宽度加宽。
16.优选的，步骤3中所述润滑剂为石墨润滑剂。
17.优选的，步骤4中所述压痕深度小于0.025mm。
18.优选的，对步骤3得到叶片的叶根转接r进行测量，根据测量结果对叶片终锻模具进行修整，使锻造的叶片的叶根转接r符合要求。
19.优选的，还包括以下步骤：当叶身的厚度不符合要求，采用化学铣的方法进行厚度调整，使叶身的厚度符合要求。
20.优选的，所述化学铣的方法为，将叶身浸泡在酸性溶液中进行腐蚀。
21.优选的，当叶身上靠近叶根区域的厚度大于设定值，则将叶尖向下固定在溶液中。
22.优选的，当叶身的叶尖区域的厚度大于设定值，则将叶根向下固定在溶液中。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
24.本发明提供的一种精锻过程叶片频率的控制方法，首先对精锻叶片的三维模型进行调整，在设计公差范围内对叶身的厚度进行调整，使其厚度变化分布均匀，然后采用调整的叶片模型设计相应的精锻模具，并根据厚度调整参数对精锻模具的桥部宽度进行控制，在锻造过程中使毛边分布均匀，进而保证叶身厚度尺寸均匀变化，其次在锻造的过程中通过润滑剂控制叶身的厚度，是叶身的频率符合设计要求，最后，在热校正的过程中对压痕厚度进行控制，使叶身的频率符合要求，该叶身的频率控制方法点从锻件设计、叶片模具设计、锻造过程厚度分散度控制、表面处理变形控制方面进行研究，得出了多项热加工的控制方法与频率变化之间的控制关系，可以有效的解决此类精锻叶片机械加工后的频率超差问题。
附图说明
25.图1为本发明叶片的结构示意图；
26.图a为叶片主视图，图b为叶片侧视图；
27.图2为本发明叶片的剖视图；
28.图3为本发明叶片的厚度调整示意图；
29.图4为本发明叶片终锻模具的结构示意图；
30.图5为本发明叶片终锻模具桥部调整示意图；
31.图中：1、桥部；2、型腔；3、叶根定位凸台；4、叶根转接r；5、叶身；6、叶尖定位凸台；11、上公差带；12、叶片名义值；13、调整后的叶形；14、下公差带；21、第一段；22、第二段；23、第三段；24、第四段。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
33.参阅图1和2，航空发动机的叶片包括叶身5和叶根，叶身5的叶尖端设置有叶尖定位凸台6，叶根的端部设置有叶根定位凸台3，叶身5和叶根的连接处为叶根转接r。
34.参阅图3-5，一种精锻过程叶片频率的控制方法，包括以下步骤：
35.步骤1、在叶身的设计公差范围内，采用差分法对叶身的厚度进行调整，使叶尖至叶根方向的厚度变化均匀。
36.具体的，根据叶身设计数据，沿叶身的长度方向获取叶身多个截面的厚度，采用差分法将各个截面的厚度在设计公差范围内进行调整，使叶尖的厚度趋近与设计的上公差带，叶根方向的厚度趋近与设计的下公差，同时使叶身从叶根至叶尖方向的厚度变化均匀，并且满足叶身的厚度设计公差要求，该方法通过对叶身各个截面的公差进行调整，虽然对各个截面的公差进行了压缩，实现叶片转动时频率调整的目的。
37.例如，参阅图3，以叶片名义值12为基准对叶片的厚度进行调整，将叶尖的厚度向上公差带11调整，将叶身的叶根部向下公差带14调整，形成调整后的叶形13。
38.步骤2、根据步骤1得到的叶片制备对应的叶片终锻模具的型腔，并根据调整后叶身的厚度对型腔边缘桥部的宽度进行调整，使锻造后的叶身厚度变化均匀。
39.具体的，由于叶身各截面厚度的不同，锻造过程叶片的毛边分布就会不均匀。为了控制热成型过程毛边的均匀性，同时保锻造叶片具有较好的流线，因此需要对叶片终锻模具桥部的宽度进行多次调整，调整时，对叶身厚度增加的区域对应的桥部宽度减窄，叶身厚度减少的区域对应的桥部宽度加宽，进而使锻造后叶身厚度变化均匀。
40.毛边为叶身在锻造过程中经过上模和下模锻压后部分挤出模具型腔2并位于桥部1表面的材料。
41.参阅图5，根据调整后叶身的厚度，将模具型腔自叶根至叶尖分为5段，分别为依次连续的第一段21、第二段22、第三段23和第四段24。
42.第一段对应的叶身厚度需要减薄0.038，则对应的桥部区域宽度减窄减窄1.5mm；
43.第二段对应的叶身厚度需要减薄0.019，则对应的桥部区域宽度减窄0.75mm；
44.第三段对应的叶身厚度需要增加0.019，则对应的桥部区域宽度加宽0.75mm；
45.第四段对应的叶身厚度需要增加0.038，则对应的桥部区域宽度加宽1.5mm。
46.步骤3、采用步骤2得到的叶片终锻模具对待锻造叶片进行锻造时，锻造过程中根据厚度波动数据使用润滑剂对叶片的厚度进行控制，使叶身厚度变化均匀。
47.具体的，在锻造过程中，当叶片的厚度相大于调整后的设计值，则喷涂一定量的石墨润滑剂，具体的，当叶片的厚度大于设计值较多时，则对叶身喷涂较多的石墨润滑剂，当叶片的厚度大于设计值较少时，则对叶身喷涂少量的石墨润滑剂。
48.在精锻叶片锻造过程中，从叶根至叶尖叶片厚度采用增厚递增的方式，叶片各个截面厚度必须在设计的公差范围以内，能够将该叶片的一阶频率调小，相反会调大。
49.步骤4、对步骤3得到叶片的叶根转接r进行测量，根据测量结果对叶片终锻模具进行修整，使锻造的叶片的频率符合设计要求。
50.具体的，叶根转接r为叶身与叶根的连接处的过渡圆角，锻造过程表面经常需要用
抛光砂带消除拉伤缺陷，导致叶根r会渐渐变小同时造成叶片频率会增大，因此，在设计范围内，需对叶根r进行钳修来增大r减小叶片的频率，或减小r增加叶片的频率。
51.步骤5、对锻造后的叶片进行弯曲和扭曲的热校正，校正过程中对叶身造成的压痕深度低于设定值。
52.具体的，精锻叶片热校工序压痕的控制方法：由于钛合金叶片锻造后有较大的内应力和变形回弹，叶片会产生弯曲和扭转变形，需进行热校正消除。因此，为了消除叶片的弯曲和扭转变形，热校正是目前最有效的控制方法之一。热校正消除了弯曲和扭转，但会在叶片表面留下压痕。最终需要通过某种手段消除叶身的压痕，尽量将压痕深度控制在0.025mm以内，且将校正压痕控制在叶片的两端，压痕在叶尖频率会增大，压痕在叶根最终频率会降低。
53.步骤6、对步骤5得到叶片进行测量，当叶身的厚度不符合厚度要求，采用化学铣的方法进行调整，使叶身的厚度符合要求。
54.具体的，化学铣的方法为，将叶片浸泡在注入有酸性溶液的溶液池中，槽液会向上流动冲刷叶身，化铣时将厚度不符合要求的区域放置在上方。
55.例如，当叶尖区域的厚度不符合要求，则将叶根向下叶尖向上，将叶片浸泡在溶液中，化铣过程中叶尖会出现少量水波纹或流痕，通过化铣控制叶片的厚度，实现叶片频率的控制；将叶尖向下固定使叶片频率减小，将叶根向下固定使叶片频率增大，叶片水平固定或运动状态化铣，叶片的频率不变化。
56.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。