一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法

摘要

本发明公开了一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法，测量已有的涡轮叶片获取测量模型，将CAD模型与对应的测量模型进行配准定位和精确配准，得到测量模型与CAD模型在同一高度二维截面的几何特征参数并求解其变形矢量，对变形矢量做逆向调整后以三次多项式曲线表示叶型的中弧线模型，然后进行模具型腔的复原，重复对至少4个任意高度建立模具型腔的叶型截面，最终重构为模具型腔的实体。本发明大幅提高了涡轮叶片的成品率；减少了试模的周期与次数，具有设计周期短、精度高、效率高的特点。

主权项

1.一种涡轮叶片模具型腔的参数化定型方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1判断使用初始模具浇注得到的叶片铸件尺寸是否满足要求，对已有的涡轮叶片铸件进行无损测量，获取三维测量数据，作为测量模型以点云的形式存储在计算机中；步骤2将涡轮叶片的CAD模型与其对应的测量模型在空间进行配准定位，将CAD模型与测量模型的主轴调整至平行，且距离不大于0.01mm；步骤3使用迭代最近点算法将CAD模型与测量模型进行精确配准；步骤4沿着模型高度方向截取截面，得到测量模型与CAD模型在同一高度的二维截面，分别提取CAD模型与测量模型二维截面的几何特征参数，包括叶片前缘进气角、叶型安装角、后缘出气角、最大挠度、中切角、弦长、叶片中弧线离散点对应的内切圆半径及最大挠度位置坐标的数据；步骤5求解步骤4提取的CAD模型与测量模型二维截面对应的几何特征参数的变形矢量；即用铸件模型二维截面的前缘进气角大小减去CAD模型的二维截面前缘进气角，以逆时针变化为正，得到前缘进气角的变形矢量；同理求得叶型安装角、后缘出气角、中切角的变形矢量；使用铸件模型二维截面的弦长大小减去CAD模型二维截面的弦长大小，得到弦长的变形矢量，同理求得最大挠度、内切圆半径与最大挠度位置坐标的变形矢量；步骤6将步骤5求得的变形矢量做逆向调整，调整的步骤如下：[1]设CAD模型二维截面叶型的安装角为β_cad，测量模型二维截面叶型的安装角为β_test，则模具型腔对应二维截面叶型的安装角[2]设CAD模型二维截面叶型的前缘进气角为α_cad，测量模型二维截面叶型的前缘进气角为α_test，则模具型腔对应二维截面叶型的前缘进气角${\alpha }_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \theta }({\alpha }_{\mathrm{test}}-{\alpha }_{\mathrm{cad}})+{\alpha }_{\mathrm{cad}},$其中θ为中切角；[3]设CAD模型二维截面叶型的后缘出气角为γ_cad，测量模型二维截面叶型的后缘出气角γ_test，则模具型腔对应二维截面叶型的后缘出气角${\gamma }_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-\sin \theta }({\gamma }_{\mathrm{test}}-{\gamma }_{\mathrm{cad}})+{\gamma }_{\mathrm{cad}};$[4]设CAD模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_cad，y_cad)，测量模型二维截面叶型中弧线最大挠度点坐标为(x_test，y_test)，则模具型腔对应二维截面叶型中弧线的最大挠度点坐标可以表示为(x_mold，y_mold)，其中：$x_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(x_{\mathrm{test}}-x_{\mathrm{cad}})+x_{\mathrm{cad}},$$y_{\mathrm{mold}}=-\frac{1}{1-K}(y_{\mathrm{test}}-y_{\mathrm{cad}})+y_{\mathrm{cad}},$K为经验收缩率；[5]设CAD模型二维截面的叶型弦长为L_cad，测量模型二维截面的叶型弦长为L_test，则模具型腔对应二维截面叶型的弦长步骤7以一条三次多项式曲线y＝ax³+bx²+cx+d表示叶型的中弧线模型，其中0＜x≤L_mold，L_mold为模具型腔对应二维截面叶型的弦长；定义P为中弧线最大挠度点的轴向距离，三次多项式的系数可以表示为：$b=\frac{P\tan {\gamma }_{\mathrm{mold}}}{2L_{\mathrm{mold}}(L_{\mathrm{mold}}-P)}-\frac{L_{\mathrm{mold}}+P}{2{\mathrm{PL}}_{\mathrm{mold}}}\tan {\alpha }_{\mathrm{mold}},$$a=\frac{-\tan {\alpha }_{\mathrm{mold}}-2\mathrm{Pb}}{3P^2},$c＝tanα_mold，d＝0；步骤8利用步骤7建立的中弧线模型，以及步骤4计算出的中弧线离散点对应的内切圆的半径，进行模具型腔的复原；步骤9按叶片高度方向，截取至少4条任意高度的截面，重复步骤4至步骤7分别建立模具型腔的至少四条叶型截面，将叶型截面重构为模具型腔的实体，设计出精铸模具的型腔。