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论文案例实践-压气机叶片辊轧模具设计
时间:2021-04-28 16:42:31

  压气机叶片的制造技术要求高,同时还有着较小尺寸,较薄厚度,其型面也更加扭曲。数控加工、精锻及其辊轧是压气机叶片的成型技术工艺采用的主要方法,其中辊轧有着更加明显的优势,它能将成型材料更好的加以利用,从而提高生产效率。航空发动机叶片是最重要的部分之一,,然而叶片的辊轧成型是将叶片放置在一双反向旋转的辊轧模具里,由于相互挤压从而产生塑性变形,因而得到合适的叶片的成型工艺。所以,从理论研究角度来看,通过研究压气机叶片辊轧模具的设计方法,借此提高发动机的使用时间,对改善辊轧成型叶片的精度,缩小模具结构设计的时间和提高模具寿命,有着较高意义。本文主要针对航空发动机叶片在辊轧中的过程展示,进行一定程度的动画仿真,希望可以帮助发展发动机叶片制造工艺。。具体来说,首先,完成压气机辊压模具型腔表面的几何映射,,从而完成典型压气机叶片辊轧模具结构设计,最终对叶片辊轧过程进行运动仿真,校验模具结构合理性。

  压气机叶片的形状结构复杂,因此能用来制作叶片的方法并不多,主要在CNC加工、锻造、辊轧这几个方面展开研究。其中,辊轧较其他方法优势更为突出。然而,由于辊轧叶片型面结构复杂,如何设计辊轧叶片模具已经成为制约辊轧叶片高质量成型的关键技术难题。

  1.1课题的研究背景及意义

  尤其是这几年,中国在航空业领域的进步有目共睹,但是叶片的关键制造技术却制约了我国发动机质量与效益的发展。发展叶片的模具设计问题及其制造企业技术,将会提高发动机更可靠。

  飞机中最核心的部件就是航空发动机,但最重要的部分是一个涡轮,一个压缩机,一个气室,该叶片是最关键的部件中最大的数,叶片一直是发动机加工中的重难点之一[1],如图1.1是航空发动机的内部剖视图。

  压气机叶片有增压效果的作用,压气机叶片会压缩空气,升高温度和气油压力,使得满足燃烧室要求。同时,叶片的型面的设计水平约束了发动机的性能,目前主要集中在CNC加工、锻造、辊轧等领域的研究。其中,辊轧工艺不仅容易生产,存在着较少的加工工序,同时,在相同的时间内,产能更高,最重要的是,加工后的叶片耐疲劳因而使用时间更长,其应用更加广泛。

  为此,本课题拟从辊轧工艺过程出发,探究航空发动机压气机叶片辊轧模具设计方法,并对叶片辊轧过程进行简单运动仿真,从而为获得良好的叶片几何尺寸和组织性能以及提高压气机叶片的质量和稳定性,奠定一定的理论基础。

  1.2国内外研究现状

  压气机叶片和涡轮叶片组成了航空发动机的叶片,通过压气机增压使得发动机产生了高压气体,传输到燃烧室使用[2],如图1.2所示,这是辊轧之后的叶片安装在发动机上的场景。

  图1.2辊轧之后的叶片

  目前,国内外对辊轧工艺的研究主要侧重于金属材料的纹理与微观结构[3],而对于发动机叶片研究较少。将辊轧件坯料放置在两只不同方向旋转的轧辊里,在其中存在着摩擦力的作用,被轧制力影响,在此过程中,辊轧件坯料会发生变形,称为辊轧过程[4]。在国外,辊轧成型工艺已经被成熟地应用在了现代成型工艺中,尤其体现在航空发动机叶片的制造中,冷轧工艺的应用和投产在国外已经变成了现实。上世纪60年代初,用冷轧工艺生产小尺寸17-4PH钢叶片的技术开始得到采用。Sedighi和Mahmoo-di[5]基于决策算法提出了一种模拟薄壁叶片冷轧成型的方法;Akgerman等[6]采用CAD软件将叶型截面的辊轧过程模型建立了出来;Klocke和Mader[7]通过有限元软件研究了压气机叶片在滚压中与接触表面的复杂变形机理,由此得到了接触面应力的分布规律;Gunasekera和Belinski[8]通过三维有限元分析与实验数据优化了叶片的辊轧过程,从而改进了辊轧叶片的质量;国内在叶片辊轧工艺上的研究主要集中在辊轧变形过程中的数值模拟以及对工艺参数的优化[9-12],还有对某种型号叶片的热处理、成型和组织性能在长期时效过程中变化规律的研究[13]。目前这些工作都是关于叶片辊轧工艺材料特性及其参数展开研究,并未涉及到辊轧模具的智能设计。国内外对级进模[14]、注塑模具[15]和精铸涡轮叶片模具的智能设计已经有了较为广泛的研究。但是,由于分布特殊的辊轧模具型腔面不能直接套用其他模具设计系统的方法。同时,计算机技术的发展和对压气机叶片生产技术要求的提高,压气机叶片辊轧模具的设计显得尤为重要[16]。

  1.3叶片辊轧工艺问题分析

  (1)叶片辊轧成型过程缺少理论基础和规范严谨的实验用于技术支撑,现在的辊轧技术基本上是吸取国外经验,所以缺乏工艺的改进基础;

  (2)由于辊轧模具粗糙的制造工艺水平,迟滞了叶片辊轧技术的进步;

  (3)目前的辊轧设备存在过于老化、低精度、低准确性的问题,距离达到复杂曲面型叶片的精度需求还比较困难[17]。

  1.4论文主要研究内容及其章节安排

  在航空发动机中,压气机叶片属于其中种类和数量最多,也是最核心的零件,它的设计和制造水平越高,发动机的性能就会越好。压气机叶片有着复杂的结构,尺寸大小不一,因而有着严格的技术要求,这也导致生产的难度陡增。

  因此,本文的研究内容如下:

  1.主要针对已获取的叶片工艺型腔体模型,开展有理截面线选取及模腔回转映射研究,完成压气机叶片辊轧模具型腔面几何映射;

  2.设计压气机叶片辊轧模具的结构,使其理论上可以完成辊轧过程;同时提高辊轧模具型腔建模的速度,达到明显提高压气机叶片辊轧模具建模的效率的目的;

  3.对叶片辊轧过程进行运动仿真,校验模具结构合理性。

  剩余章节安排如下:

  第二章主要就发动机叶片如何提取截面线族,并对其处理的方法进行论述;具体来说,第一节主要通过弦高求解数学模型,第二节主要明确截面线位置规划步骤;

  第三章主要确立截面线族映射法则;具体来说,第一节主要涉及截面线矢量方程的建立,第二节确立映射法则;

  第四章主要阐述模具型腔体的建模,并且说明通过UG平台建立压气机叶片辊轧模具的模型并生成动画;

  第五章则是对整篇论文的总结,通过理清通篇论文的思路及其脉络,从而达到对压气机叶片辊轧模具设计整个过程的回顾,总结经验,反思不足。

  1.5本章小结

  本章的名称是绪论,因此主要给出本论文的框架结构,将从五个部分展开讨论。首先从压气机叶片辊轧模具设计的研究背景出发,论述了该课题在国内外的研究现状,引出了辊轧工艺存在的问题,从而说明了本篇论文分析的侧重点在于:通过对压气机叶片辊轧模具的设计方法的探究,同时进行简单的辊轧过程运动仿真,从而希望能在理论上提高航空发动机叶片的性能和压气机叶片的辊轧质量。

  本章末尾,对本论文的主要思路以及主要研究内容进行了概括和总结。

  第二章

  截面线族提取处理方法

  如图2.1(a)是某种型号的发动机叶片,由图中可以看出,发动机旋转轴线与叶片的积叠轴互相垂直,积叠轴又与叶片截面互相垂直。可以建立绝对坐标系Oxyz{GCS},z轴方向是叶片的堆叠的方向轴,x轴方向为设计的所有截面线的弦线倾斜程度的平均水平,最后,由三维坐标系的右手规则确定y轴方向。如图2.1(b)所示,弦长、中弧线等构成了叶片截面线的主要特征参数,由中弧面所限定的圆的中心构成了许多内切割叶片的截面线。中弧面的作用是反映出在积叠轴向叶片的扭曲程度以及压气机叶片在竖直方向上的弯曲情况,而中弧面是通过拟合截面线中的中弧线族建立的。

  图2.1某型号压气机叶片示意图

  由于叶片工艺模型表面无法直接映射到筒状辊轧模具上,首先要做的就是对叶身的截面线族提取,然后将其映射到模具扇面上重新分布,最后重新构建型面。然而,由于压气机叶片主体叶身的变形程度不均匀,导致某些区域变形较大,而某些区域变形较小。目前主要通过等距截取20~30条截面线,称作提取叶身截面线法,但是这种方法无法同时保证建模效率和精度。由于叶片的中弧面近似反映出叶身的形面曲率变化,因此,本文采取的方法如下:

  (1)将弧面中扭曲度最具代表性的参数线离散成X个点;

  (2)以其中最少的Y个点为截面位置控制点集,目的在于,由此拟合所得到的新曲面和初始设计曲面的比较误差比叶片制造误差的1/5或1/10小,这一值成为阈值;

  (3)从而得到辊轧叶片模腔的最佳建模截面。

  2.1规划测量路径

  经过查阅各种资料,发现大部分软件都是通过采用等高法测量叶片的型面,也称为等截面法,具体解释为:将垂直于Z轴方向的截面与叶片模型相交,从而可以得到测量点。为了减小叶片线轮廓度的误差,规划测量路径的标准是将测量路径尽可能地限制在剖面中,因为叶片轮廓命令最终将从叶片线轮廓命令传递到面轮廓命令。

  图2.2等高法测量路径

  如图2.2,这是测量路径规划方法之一,即在一个沿着Z轴分布的截面里规划测量路径,同时,从整个叶片的根部到叶片的顶端,必须有截面线,并且截面线均匀分布在叶片根部至顶部的部分。因此若根据该方法测量路径,那么测量路径分为四个部分:叶盆、叶背、前缘和后缘。根据叶片的特性不难发现,叶片背面以及叶盆部分的曲率更大,因此二者相比于前后缘部分的测量点来说,更为密集一些。

  2.2叶型截面线提取

  我们之前已经建立叶片模型,在此基础上,开始提取各个测量点,具体方法为:在叶片模型中插入一组平面,这个平面与XOY平面平行,将这组平面同叶片的模型一一相交,产生一组与叶片相交的线,我们把这些交线称作理论上的测量点,目的在于获取测量路径。

  图2.3叶片截面示意图

  如图2.3所示,这是叶片截面的获取图,在之前建立的坐标系中,Z轴与发动机的旋转轴线互相垂直,所以,由叶根指向叶顶的方向即为Z轴的方向,平行于Z轴以相同的距离移动,就可形成多个截平面,这些截平面垂直于Z轴,然后用截平面在叶片上进行截取,从而形成一组相同高度的法截线,最后通过在截线上取点,就可得到目的测量点,该方法称为等高法获取测量点。可在UG软件中得到如图2.4所示的截面线:

  图2.4UG叶片模型截面线获取图

  在UG中创立一个与XOY平行的截面,它在Z轴方向上和基准坐标系的距离不限,然后,每间隔10mm得到一个叶片的截面,反复得到多个截面,目的在于可以获得完整叶片的各个参数,从而进行检测,而后,在UG软件中选择UG的获取截面线功能,具体的操作步骤为启动建模——插入——派生曲线——截面线,完成上述步骤后,再分别选中叶片叶背型面和截平面[18]。而后采取同样的方法得到另一边的交线。

  2.2.1得到叶型截面测量点

  接下来的主要任务就是利用UG软件采集截面线的各个测量点,以方便下一步的截面线数据处理。结合各种资料,目前采集点集的方法主要是四种,分他们是给定弧长法、等弧长法、弦高公差法以及等参数法,将这几种方法进行比较可以发现,由于第三种方法即弦高公差法可以较好的控制精度,同时操作简单,因此本文采用弦高公差法。

  连接两个相邻的采样点,在这两个点之间形成的曲线的最大距离是弦高公差。采样点多的地方曲率更大,相反,采样点少的地方曲率则更小,公差值决定测量点数,二者成反比关系。设定弦高公差没有固定的选取方式,靠多种因素决定。叶背、叶盆、前后缘构成了一个叶型截面,因此,分析点集时,要分开部分进行处理,具体步骤如下:

  (1)在UG软件选取截面线的过程如下图2.5所示:

  图2.5选取截面线

  (2)选中截面线,随后会弹出对话框,在其中输入弦高的公差;

  (3)最后即可得到数据点集。

  而后,顺序对叶盆和叶背实行上述相同的步骤,获取完成之后,就得到了截面上全面的点集。

  2.3弦线的相关参数提取

  通过查阅航空工业部标准可知,弦线的定义是叶片截面前后缘二者的公切线,可以通过切点的特点确定提取弦线的方法。

  由叶片截面线在坐标系里的几何形状可知,弦线相切与圆弧,这就意味着弦线无论与前后缘的圆弧都只有一个交点,那么就会有两种情况:叶型截面的叶盆型线位于上方,叶背型线则位于下方;第二种是则相反,在下方的是叶盆型线,在上方的是叶背型线。

  前者可以观察出前缘圆弧上y值的最大值是其与弦线的切点,后者的前缘圆弧与弦线的交点则是圆弧上y值的最小值。由此,找到切点就意味着找到了切线。

  2.3.1弦线角的提取

  在叶片截面坐标系里,弦线和X轴构成的角度就是弦线角。查阅航空工业部的标准可得,从Z轴的反方向观察,将X轴按照逆时针的方向旋转α角,这里的α小于90度,若旋转之后的X轴平行于叶型的弦线,那么α为正值,若不平行,则其为负值。

  如图2.6所示,将前缘及其后缘的圆弧与其公切线相交,记为T1,T2,将这两点分别与O1,O2连接,可以证明,这两条线均与前后缘圆弧的公切线垂直,经过O1画出O2T2的垂线,S为垂足,则可以得到O1S与T1T2平行,通过上述转化,弦线角即为O1S和X轴的夹角,在图中记作α1角。

  图2.6弦线角示意图

  将O1与O2连接,由图2.6可得到,O1O2和X轴的夹角是α2,α3是O1S和O1O2形成的夹角,圆心的坐标和半径可以通过约束最小二乘法求出,那么就可得到α2和α3的角度,公式如下:

   (2-1)

  d的值代表两圆心之间的距离,可通过两点距离公式求出,同时通过角α2和α3也可得到α1的大小:

   (2-2)

  2.3.2弦长的提取

  将整个叶型的截面投影到弦线上就形成了弦长,同理,将叶型轮廓投影到弦线上即可得到弦线的长度。结合这种原理,在叶型截面坐标系里沿Z轴按照逆时针方向旋转一个度数为α的弦线角,经过变换,可以确定测量点位于新坐标系里的值,由此可得出弦长的值,即:在新坐标系下,X坐标最大值与最小值形成的差值。

  第一步是把弦线移动到弦线穿过O坐标原点的点,现在X轴和Y轴同时绕Z轴进行旋转,方向为逆时针,角度为α,这就意味着,此时弦线和X轴是重合的,如下图2.7所示:

  图2.7坐标转换法示意图

  ,将(x0,y0)标记为P0,该点位于原来建立的坐标系中,而P1的坐标值为(x1,y1),这是新测量点在新建立的坐标系中的坐标,可以得到P0和P1存在着以下的关系:

  (2-3)

  存在α为负值的情况,此时上述公式仍然成立,上述公式可转化为矩阵形式便于编程,那么便有下列矩阵:

   (2-4)

   (2-5)

  经过上述公式的变换,就可得到P1的新坐标(x,y),由上边叙述可知,在新的坐标系中,弦长等于x坐标值的最大值和最小值的差,可得到以下弦长公式:

   (2-6)

  2.4中弧线的提取

  中弧线位于叶身的截面线且由其内切圆圆心所定义,一系列中弧线可以通过拟合得到中弧面,它也是叶片截面线的主要特征之一,由中弧线产生的误差将直接决定叶片型面是否光滑,传统做法是徒手在放大图上画出许多内切圆,从而达到目的,但这种方法弊端太大,容易造成较大误差。因此,计算机辅助可以对中弧线的计算起到事半功倍的效果。

  2.4.1等半径法

  由内切圆的特点可以得到,其圆心到叶盆的距离与圆心到叶背的距离是相等的,所以不需要求解内切圆,由中弧线的定义出发,这种方法称为等半径法[19-20]。

  如图2.8所示,S1和S2分别是叶背和叶盆的曲线,在叶背上任取一点,记为V点,在V点做其切线的垂线与叶盆相交于点P,假如V点的切线与P点的切线互相平行,那么这就意味着二者的中点即为该处内切圆圆心,若二者不平行,连接VP两点在其中点处做关于P点切线的垂线,与叶盆相交于T点,然后逐渐缩短TP两点之间的距离,当两者距离足够小,VP的中点O可近似看作是内切圆的圆心,不断求解,最后找到与上述条件相符的中心点。

  图2.8等半径法

  2.5截面线位置规划

  由于上文已经提取到了中弧线族,在此基础上,由中弧线族拟合成中弧面,中弧面的意义是是在竖直方向上和积叠轴方向上,分别将叶片在其中的扭曲程度反映出来。然而叶片表面不是相同的扭曲程度,从而导致部分区域产生了较大的扭曲,所以需要在积叠轴上将截面线的位置规划出来,最后将截面线族建立,如图2.9所示。与此同时,将叶片的叶背以及叶盆的截面线在相同的积叠高度截取出来,如图2.10所示。

  

  图2.9表征中弧面的截面线族 图2.10工艺模型的截面线族

  接下来需要做的是提取出位于中弧面中的等参数线。等参线,顾名思义,是位于曲面上的曲线,但其一个参数保持不变,主要分为两种,u线和v线,u线是指v值保持不变,v线则相反,指的是u值保持不变。如下图2.11所示,这是提取后的中弧面与等参数线的示意图。

  图2.11中弧面与等参线

  完成上述步骤之后,需要找出其中曲率最大的参数线,具体方法为:将各条参数线中的离散点的曲率值计算出来,这些点等距同时数量相同分布在参数线上,接下来将得到的曲率值进行绝对值平均化的演算,可以得到参数线方程中平均值最大的那个方程,最后进行弦高判定。

  2.6本章小结

  本章主要从已经建立的叶片模型出发,详细论述了怎样得到截面线族,这一部分中,主要用到了等高法获取测量点,并在UG软件中得到了一系列截面线。在弦线相关参数的提取这一内容中,主要是分为弦线角的提取以及弦长的提取,其中,弦线的求解运用了投影法,这一方法精度较高,能有效减小误差,经过坐标转换之后,就可提取出弦长。

  在提取中弧线的过程中,在内切圆法和等半径法都可提取中弧线的基础上,本文选择了等半径法,这是由于将叶型中所有内切圆圆心连线,就构成了中弧线,因此若采用内切圆法,需要对所有内切圆圆心进行样条曲线的拟合,从而提取出中弧线,然而这种方法算法复杂,容易出错,同时也有很大的计算量,而等半径法不需要求解出叶型内切圆,相对比较简便,精度也相对较高。

  在截面线位置规划的过程中,主要涉及到中弧面的建立,这一步可由已经提取出的中弧线拟合出来,随后可以分别得到表征中弧面的截面线族以及工艺模型的截面线族。

  第三章确立截面线族映射法则

  以轧辊轴线为旋转线,旋转工艺模型的截面线族,最终的目的在于这些截面线族会扇状分布在空间中,从而使得截面线族重新分布在辊轧的表面,模具型腔建模主要的原理是:让零件表面和辊轧成形模具型腔进行接触从而发生共轭运动[21],将叶背和叶盆的截面线族进行映射变换,最终结果是获得对应的模具型腔的截面线族,进而在此基础上建立辊轧模具型腔曲面,从而实现辊轧模具的设计。

  3.1建立截面线矢量方程

  建立截面线矢量方程的答题步骤如下:

  (1)设立关于截面线的三次B样条曲线方程。

  (2)将截面线族通过平移旋转等变换,使得截面线族重新分布在轧辊表面,这一步需要在映射法则中将方程代入。

  (3)最后一步是拟合截面线族,从而建立模具型腔曲面。

  以下是具体的过程:

  首先是建立关于叶片技术模型截面线的矢量方程,将上述得到的截面线设为Sk,如图3.1所示,将Sk离散成a个点,从而形成点集,其中k为对截面的编号,k的值从0取到;i的值为0,1,…,a-1;B样条曲线的特性可以通过代入下式的方式进行逆向计算,从而获得多边形顶点,记作。

  图3.1截面线示意图

   (3-1)

  通常由的前3个点(或最后3个点)线插值,求导后可得到两端的切向量、。

   (3-2)

  方程(3-1)和方程(3-2)的两个约束可以得到唯一的解决方案。通过将,即控制顶点代入公式(3-3)就可以得到剖面线的B样条曲线的三次方程。

   =

   (3-3)

  3.2映射法则的确立

  将最底部的叶型截面线设置为参考截面,沿剖面线x轴的坐标值最大的点用作参考点,将其用作集合中其他剖面映射转换的参考。根据模具辊轧设计的经验,模腔对应于轧辊的圆周角为60°,令r为滚动轴线到参考点的距离,如图3.2所示。

  图3.2映射后的截面线示意图

  图中,位于截面线最顶部,位于中部的第k-1个截面线,通过映射之后的截面线则为、、,由此可求出r:

   (3-4)

  上式中及是在z轴上截面线的两个坐标,下式反映了截面经过映射后和即参考平面形成的夹角,记为,公式为:

   (3-5)

  假设截面线映射之后在轧辊表面建立的矢量方程为,映射在截面线上的任意一点设为,如图3.3所示。

  图3.3截面线点的映射示意图

  由此可得出,将部分截面线族的顶部参考点映射到叶背的法则为

   (3-6)

  绘制叶盆的部分截面线族的基点的映射规则如下:

   (3-7)

  在上式中,S0的B样条曲线的三次方程式。

  把式(3-4)和(3-5)代入式(3-6)和式(3-7)就可求出经过映射之后的矢量方程。

  3.3本章小结

  本章主要从截面线族映射法则的建立从而实现截面线的映射,分为以下两个部分:

  首先是建立截面线的矢量方程,通过建立曲线方程然后将截面线族进行平移旋转等的变换,使得截面线族重新分布,最后将截面线族拟合,目的在于模具型腔曲面的建立。

  在确立映射法则的过程中,设置好参考截面以及参考点,并设置模腔对应于轧辊的圆周角,代入方程求出截面线族映射到叶盆及其叶背的法则。

  第四章辊轧叶片模具建模及运动仿真

  4.1模具型腔体建模

  与有着成熟模具设计系统的注塑模具、精铸涡轮叶片等不同,辊轧叶片模具工艺尚不成熟,同时,辊轧叶片模具型腔位于扇面上,正是由于这个差别,才导致它的建模方法不同于其它种类的模具。下边是辊轧模具具体的建模方法:

  (1)首先将模具型腔的截面线集合从而生成型腔面片体,同时提取出两端的边界线L1和L2,第三章已经得出r值和T00点的坐标,因此轧辊曲线L0的位置和大小可以通过T00点沿着y轴反方向定位。

  (2)第二步是将L0分别同L1、L2的一个顶点连接,可以得到型腔的边线L3、L4,由此可计算出L3和L4的夹角,记为α,将L0顺着L4方向向下偏置a1和a2得到L5与L6,连接L0和L6的两个顶点从而得到L7和L8。图4.1为辊轧叶片上部模具型腔建模的示意图。

  图4.1上部模具型腔建模示意图

  (3)绕着L0并且以L0、L6、L7、L8为回转母线旋转(0,α)从而得到回转实体,同理,回转母线变为L5,旋转(-10。,α+10。)得到回转片体,如图4.2所示:

  图4.2回转实体与回转片体

  (4)将旋转实体与腔体的表面部分和旋转部分分开可以得到叶片辊轧模具的型腔,如

  图4.3所示:

  图4.3辊轧叶片模具上模型腔体

  4.2辊轧叶片过程运动仿真

  压气机叶片辊轧模具设计基于UG平台,采用VC++编译环境进行开发,在叶片模型的基础上,通过提取截面线族、建立数学模型及映射法则最终实现模具型腔体建模,从而达到叶片辊轧模具的运动仿真。下面是压气机叶片辊轧模具的建模过程以及对辊轧过程的仿真过程:

  (1)如下图4.4所示,这是模具的上半部分滚轮,下半部分滚轮同上滚轮相同。

  图4.4辊轧模具上(下)滚轮模型

  (2)在完成上下两个部分的滚轮设计之后,又在UG中建立了电动机模型,从而给到叶片辊轧的动力,如图4.5所示:

  图4.5辊轧电动机

  (3)同时,做出一个电机组的固定架,目的在于保证电动机平稳安装在辊轧滚轮上,安全完成辊轧过程,图4.6是电机组固定架。

  图4.6电机组固定架

  (4)除此之外,还需要设计一种行星减速轮,该行星减速轮的原理是动力传输机构,该行星减速轮是通过速度转换器将发动机的转数减小到期望的转数并获得更大的扭矩机构。在行星减速轮驱动轴上实现减速目的的方法是啮合带有少量齿的齿轮与输出轴上的较大齿轮。通过降低输入速度,输出低转速,同时加大扭矩,从而实现理想的传动效果。如图4.7便是设计的行星减速轮。

  图4.7行星减速轮

  (5)如图4.8便是将所有零件装配完全之后的装配图,可以看出,初步实现了叶片辊轧过程的建模。

  图4.8叶片辊轧模具装配图

  (6)在完成叶片辊轧模具装配图后,即可开始运动仿真,首先找到UG软件中运动导航器的部分,此时装配的名称为“motion1”,鼠标右击该名称,选择“新建解算方案”,在弹出的对话框中将时间设置为5min,步数为3000步,同时勾选“通过按‘确定’进行解算”,其他选项选择默认即可,点击确定,如下图所示:

  图4.7解算方案设置

  然后在UG软件中界面左侧的运动导航器中双击动画按钮,就可完成运动仿真过程。

  4.3本章小结

  本章基于UG软件,主要的任务在于对压气机叶片的辊轧过程进行简单的运动仿真,需要注意的是,当前叶片的辊轧工艺相较于注塑模具、精铸涡轮等工艺并不成熟,因此它的建模不同于其他种类的建模方法。同时,在运动仿真的过程中,要注意在解算的时候定义合适的时间和步数,使得动画更加符合实际。

  第五章结论

  本文主要分为三个主题,分别说明了以下内容:

  首先在已获取的叶片工艺模型基础上,介绍了截面线族的处理方法,包括测量路径的规划、截面线的提取,从而获得中弧线,在此基础上提取出中弧面,进而为下一步确立截面线族映射法则奠定基础。

  为了确立截面线族映射法则,主要是是建立关于截面线的矢量方程,这一步需要借助到三角函数、矩阵等数学模型,从而得出截面线关于B样条曲线的三次方程,下一步是确立映射法则,通过代入方程及截面线的映射规则,可以得到截面线族分别映射到叶盆及其叶背的法则。

  最后一部分则是在UG环境中实现对辊轧叶片过程的运动仿真,这一过程主要设计各个部分模型的构建以及运动过程的设计。

  以下四点是对本文的总结:

  (1)由于已经获得了压气机叶片的工艺型腔体模型,所以只需要根据已有的叶片开展截面线的选取、截面线族的提取、中弧线及其中弧面的建立等,从而完成模腔的回转映射,为模腔的建模完成准备工作;

  (2)完成压气机叶片辊轧模具型腔面的几何映射,从而可以完成压气机模具型腔的建模,改善压气机辊轧叶片模具建模的速度;

  (3)在UG环境中对叶片辊轧过程进行运动仿真,校验模具结构合理性,对机械结构进行运动仿真和运动分析,观察运动结果与设计是否一致,最后生成动画文件;

  (4)同时,在对叶片辊轧模具建模的过程中也暴露出了较大的问题,比如叶片轧制过程缺乏基础理论研究和标准化的综合测试作为技术支持,现有的辊轧技术缺乏经验,难以改进工艺。