【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精密制造，涉及一种基于数字孪生技术的涡轮叶片气膜孔制孔方法。
技术介绍
1、对于涡轮式航空发动机和燃气轮机，由于其中燃气温度远超过涡轮叶片所用的金属材料耐温极限，故必须要对叶片采用热防护或冷却措施。典型的措施包括气膜冷却，它是在叶片表面开设小孔，并将叶片内部的冷却气从孔中引出，利用气流在表面的贴体流动，隔绝燃气对叶片的加热，起到较强的冷却效果。目前对于冷却式涡轮叶片，通常要求在其表面布置直径在φ0.2-0.8mm内的上百个气膜孔。如此多的气膜孔都要根据叶片的形状、燃气流动的状态和内腔结构的不同而单独开展优化设计，具体体现在孔径、孔型和空间角度等参数的差异。正因为气膜孔具有空间、几何精度要求高，直径小，排布密集等特点，故无法通过铸造直接成型。通常都是在叶片铸造完成毛坯后，加工出叶片上的定位面，再通过夹具对其安装定位，随后使用电火花打孔、电液束打孔、激光打孔等工艺进行二次加工，典型的现有打孔流程如图1所示。
2、由于涡轮叶片铸造过程复杂，形面控制难度大，导致毛坯精度低，一致性差，使得气膜孔制备时所需的理论三维坐标与几何参数不一定适用于真实毛坯上。其含义如图2所示：图中虚线所示为涡轮叶片理论形面，在基于夹具上的定位面建立的三维坐标系后，理论正确的打孔点位于气膜孔理论外部点位p，其坐标的理论值为(x外,y外,z外)。在打孔时应将制孔工具定位至该点，并将其轴线角度设置为气膜孔轴线与y轴理论夹角α、气膜孔轴线与z轴理论夹角β。但在实际操作中，存在诸多影响精度的因素，典型如：
3、1.在铸造过程中，所使用
4、2.叶片在冷却凝固过程中会产生不同程度的材料收缩和热应力应变，最终导致实际叶片相对于设计值存在一定程度的弯曲、扭转和收缩等变形；
5、3.在将叶片夹持于打孔所用机床上后，由于榫头定位面与夹具之间存在配合上的偏差，导致机床定位到气膜孔处时存在误差；
6、4.机床本身在定位，进给过程中仍存在误差。
7、上述误差的层层叠加导致涡轮叶片理论形面变形为图2中实线所示的涡轮叶片实际形面。此时实际的打孔点位应顺势变为气膜孔实际外部点位p′，其坐标的实际值则应改变为(x外′,y外′,z外′)。在打孔时应将制孔工具定位至该点，并将其轴线角度设置为气膜孔轴线与y轴实际夹角α′、气膜孔轴线与z轴实际夹角β′。如果忽视上述误差积累，仍按照理论点位与理论角度等参数进行加工，将会造成实际加工出的气膜孔的空间位置、空间角度、打孔深度等参数与期望目标参数不一致的现象，是气膜孔加工误差的主要来源。
8、上述加工误差不但会降低气膜孔的冷却和强度性能，甚至会导致如图3所示的错位气膜孔、交叠气膜孔和背壁损伤的现象。图3(a)展示了未产生加工误差的标准气膜孔。而如图3(b)所示，当打孔实际位置偏移理论位置时，即会产生气膜孔错位的现象，严重时不能正确连通叶片内外腔；如图3(c)所示，若打孔位置准确，但打孔实际夹角相较于理论值发生偏移时，偏移的气膜孔会与周围气膜孔发生干涉，导致气膜孔交叠，产生大幅度应力集中；如图3(d)所示，打孔过程中由于对深度计算不准引起制孔工具的进给量过大，导致气膜孔打通之后进一步对背壁进行误加工，在背壁产生凹坑或击穿等不可逆转损伤，即背壁损伤。上述加工误差现象都会大幅度降低涡轮叶片的性能与使用寿命，严重的必须报废，进而导致制造成本的增加。因此，确保气膜孔的定位和成形几何精度对于提高涡轮叶片强度与发动机的性能至关重要。
技术实现思路
1、针对现有制造工艺对涡轮叶片气膜孔加工精度的不足，本专利技术了提供了一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，该方法通过对比孔边微结构形位的理论值，与数字孪生模型所代表的实际值之间的差异，实现对气膜孔理论加工参数的修正，提高了加工精确度，避免了出现错位、交叠和背壁损伤现象，增强了涡轮叶片的结构强度，进而提升涡轮叶片的综合性能。
2、本专利技术为取得上述效果采用了如下技术方案：
3、一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其流程如图4所示，相对于图1所示的已有流程，主要差别在于在叶片毛坯上预置一些用于辅助定位的微小结构，并在打孔之前基于数字孪生技术对这些结构进行识别定位，进而以其为参考，再对气膜孔形位参数修正：
4、上述流程的具体含义如下：
5、s1：涡轮叶片的设计及铸造，首先依据在气膜孔边开设半球形凹坑和圆滑凸肋结构的涡轮叶片模型，制造陶瓷型芯和蜡膜，并完成毛坯的制造，其典型方案如图5所示。
6、s1.1：在这些叶片外表面，欲开设气膜孔的出口处，布置半球形凹坑，所述凹坑为通过一个圆球的底部与叶片相减而形成，并且穿过该球坑的气膜孔理论轴线，可以不通过其球心；在叶片内表面，气膜孔入口处，分别设有环形凸肋、蛇形凸肋、直凸肋共计三类结构。肋结构凸出于叶片内腔表面，凸起部分的横截面近似为半圆形，并且穿过该凸肋的气膜孔理论轴线，可以不通过该圆心。
7、对于气膜孔入口处，可以依据叶片形状和气膜孔结构而选择采用不同类别的凸肋结构。其中环形凸肋，通常如图5所示位于叶片前缘内表面较为狭窄的区域，每条肋沿弦向环绕于叶片内腔，且多条肋沿径向阵列布置于各前缘气膜孔入口处。根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。此类肋的主要特点为其轴线为呈近似圆形的曲线，故以环型命名。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔。该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η，数值可为60～90°，即孔倾斜方向近似为沿叶片径向，与燃气流动方向垂直，另外其气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ，数值可为20～45°。由于冷却的需要，该类气膜孔通常沿径向、弦向排布十分密集，故单个环形凸肋可与多个气膜孔相贯；对于直凸肋，通常如图5所示位于叶片背侧，沿径向延伸于叶片内腔冷气通道布置，根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。此类肋的主要特点为其轴线呈沿叶片径向的近似直线，故以直凸肋命名。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔，该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η数值可为0～25°，即孔轴线方向近似水平，与燃气流动方向近似平行。每列中多个沿径向布置的这类气膜孔可共用同一条直凸肋；对于蛇形凸肋，通常如图5所示位于叶片盆侧，其轴线为蜿蜒的蛇形并位于叶片内腔冷气通道表面，根据叶片结构设计需要，该类凸肋也可以布置于叶片其它区域。在应用方面，该类肋主要适用于如图6所示的气膜孔，该类气膜孔的气膜孔轴线与燃气间夹角∠η数值可为25～60°，即孔轴线方向倾斜，且倾斜程度位于前述两者之间。多个沿径向布置的这类气膜孔可共用同一条蛇形凸肋。蛇形凸肋相贯之处应挑选其与气膜孔轴线尽量垂直的部分，而该凸肋除此以外的部分可以省略，从而使单条蛇形肋变成多条倾斜短肋。
8、通过图5剖视图进一步展示本专利技术的凹坑与凸肋典型结构，该微结构的主要特征参数为气膜孔直径φd；气膜孔进气端的圆滑凸肋结构，其截面直径为圆滑凸肋截面理论直径φd1，数值可为1.5～2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S4具体操作如下：
3.如权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S4.2，根据打孔机床的所用的数据格式和控制方法，对其提供的数据有以下两种方式：
4.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的环形凸肋(13)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为60～90°，即孔倾斜方向近似为沿叶片径向，与燃气流动方向垂直，另外其气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ(17)为20～45°；由于冷却的需要，该类气膜孔通常沿径向、弦向排布十分密集，故单个环形凸肋与多个气膜孔相贯。
5.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的直凸肋(15)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为0～25°，即孔轴线方向近似水平，与燃气流动方向近似平行；每
6.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的S1.1中，所述的蛇形凸肋(14)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为25～60°，即孔轴线方向倾斜，且倾斜程度位于前述两者之间；多个沿径向布置的这类气膜孔共用同一条蛇形凸肋(14)。
7.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的环形凸肋(13)、蛇形凸肋(14)、直凸肋(15)任一一种肋结构截面直径为圆滑凸肋截面理论直径φd1(19)为1.5～2.5D；该凸肋结构凸出壁面的高度为圆滑凸肋凸起高度h(20)为0.2～0.8D；凸肋中心理论点位M(21)与气膜孔边缘之间的切向距离为圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L1(22)为0.8D～1.8D，并以1.2D为宜。
8.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的位于气膜孔出口的半球形凹坑结构，其直径为半球形凹坑理论直径φd2(24)为1.5～2.5D；该半球形凹坑凹进壁面的深度为半球形凹坑凹陷深度s(25)为0.2～0.8D；凹坑中心理论点位W(26)与气膜孔边缘之间的切向距离为半球形凹坑与气膜孔边切向距离L2(27)为0.7D～1.3D；在壁面法向上观察，其与壁面相贯所形成的截线圆直径为半球形凹坑截线圆理论直径φd3(28)，为1.1～2.5D。
9.如权利要求7所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的凸肋中心理论点位M(21)与气膜孔边缘之间的切向距离为圆滑凸肋凸起与气膜孔边切向距离L1(22)为以1.2D。
10.如权利要求8所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的凹坑中心理论点位W(26)与气膜孔边缘之间的切向距离为半球形凹坑与气膜孔边切向距离L2(27)为D；叶片壁厚H(29)为0.8～3mm。
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的s4具体操作如下：
3.如权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的s4.2，根据打孔机床的所用的数据格式和控制方法，对其提供的数据有以下两种方式：
4.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的s1.1中，所述的环形凸肋(13)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为60～90°，即孔倾斜方向近似为沿叶片径向，与燃气流动方向垂直，另外其气膜孔轴线与壁面间夹角∠θ(17)为20～45°；由于冷却的需要，该类气膜孔通常沿径向、弦向排布十分密集，故单个环形凸肋与多个气膜孔相贯。
5.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的s1.1中，所述的直凸肋(15)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为0～25°，即孔轴线方向近似水平，与燃气流动方向近似平行；每列中多个沿径向布置的这类气膜孔共用同一条直凸肋(15)。
6.如权利要求1或2或3所述的一种基于数字孪生技术的涡轮叶片打孔方法，其特征在于，所述的s1.1中，所述的蛇形凸肋(14)适用于条件如下：气膜孔轴线与燃气间夹角∠η(16)为25～60°，即孔轴线方向倾斜，且倾斜程度位于前述两者之间；多个沿径向布置的这类气膜孔共用同一条蛇形凸肋(14)。
<...【专利技术属性】
技术研发人员：吕东，刘英实，骆宇时，张剑，孙一楠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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