葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法
2023-10-27 17:16:07 1
葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法
【專利摘要】本發明涉及冷輥軋成形模具設計【技術領域】，具體為一種葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，包括基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計、基於拓撲補償的模具型面重構設計、基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計。首先通過虛擬成形確定葉片冷輥軋後的變形誤差；再利用拓撲補償技術進行葉片型面的反變形誤差補償設計，實現輥軋模型面的幾何重構；最後根據虛擬修模的試模情況與葉片設計的幾何要求進行對比，採用雙目標模糊優化算法（DOFO）實現無餘量冷輥軋葉片加工模具的全局優化設計，解決葉片輥軋模具型面設計簡單考慮回彈補償導致試修模次數多、廢品率高、設計周期長等問題，以此為基礎實現葉片無餘量冷輥軋成形。
【專利說明】葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於虛擬成形拓撲補償的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，屬於冷輥軋成形模具設計【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業的發展，在高性能、高指標的推動下，一些零件面臨著複雜型面精密加工的製造難題。如:發動機葉片的特點是葉身薄，前、後緣半徑小，型面扭曲，葉身型面和邊緣半徑的允許偏差十分嚴格。通過冷輥軋方式實現葉片的近淨成形是一種先進的葉片製造技術，中國發明專利(專利號200710157510.X)介紹了一種GH150合金高壓壓氣機動、靜葉片冷輥軋工藝。中國發明專利(專利號200710159074.X)提出了一種軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法，通過葉片型面的處理以及與軋模截面的換算來實現葉片輥軋盆模和背模主要項目的設計。雖然，在該設計方法中考慮了葉片的輥軋方向、平衡角、中截面、型面邊緣及軋模咬口和出口的設計問題，但由於沒有考慮加工變形補償，加之葉片形狀的特殊性，其輥軋過程不同於平板軋制，工件和模具的受力情況都很複雜，容易出現側向彎曲、型槽不易充滿、葉身型面失真等工藝缺陷，這些問題嚴重影響了產品質量，增加了試修模次數並限制了葉片真正實現無餘量加工。
[0003]孔祥偉等[範群，孔祥偉，張巖.葉片輥鍛回彈及模具補償研究.艦船電子工程，2013，229 (7):139-142]提出基於對應點矢量方向反向偏移的回彈補償法對輥鍛模具進行補償控制，但該方法未考慮材料流動帶來的變形誤差，且由於基於型面上逐點的局部補償，在精度和效率上都存在問題。
[0004]為實現葉片等複雜型面零件無餘量輥軋加工，必須建立考慮模具型面拓撲補償的設計方法。目前應用較多的還是根據經驗方法預測加工變形誤差，進而對模具型面進行補償設計，在實際生產中還需要一系列的試驗與修正。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種基於虛擬成形拓撲補償的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，可解決現有技術中葉片輥軋模具型面設計簡單考慮回彈補償導致試修模次數多、廢品率高、設計周期長的技術問題。
[0006]本發明的技術方案是:
[0007]—種葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，該設計方法包括基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計方法、基於拓撲補償的模具型面重構設計方法和基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計方法；為獲得精確的無餘量輥軋模幾何設計，首先通過虛擬成形確定葉片冷輥軋後的變形誤差；再利用拓撲補償技術進行葉片型面的反變形誤差補償設計，實現輥軋模型面的幾何重構；最後根據虛擬修模的試模情況與葉片設計的幾何要求進行對比，採用雙目標模糊優化算法實現無餘量冷輥軋葉片加工模具的全局優化設計。[0008]所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計方法包括如下步驟:
[0009]a)確定冷輥軋成形的工藝參數；
[0010]b)根據《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》設計出盆模和背模的基礎型面；
[0011]c)對盆模、背模和葉片預製坯模型劃分網格，進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構。
[0012]所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，冷輥軋成形的工藝參數包括輥軋模寬度、軋輥轉速、型槽圓心角和摩擦因子等。
[0013]所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，基於拓撲補償的模具型面重構設計方法包括以下步驟:
[0014]a)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第一輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差；
[0015]b)根據扭轉變形誤差和彎曲變形誤差採用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。
[0016]所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計方法包括以下步驟:
[0017]a)利 用盆模和背模的重構型面在相同的工藝參數下再次進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構；
[0018]b)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第二輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差，檢驗以上變形誤差是否滿足葉片精度要求；
[0019]c)如不滿足精度要求，以扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為目標函數，以第一輪和第二輪的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為初始樣本點集，以滿足以上變形誤差符合葉片精度要求為PID控制終止條件，採用雙目標模糊優化算法DOFO計算新的樣本點集；
[0020]d)根據計算獲得的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差利用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。
[0021]本發明的優點及有益效果是:
[0022]本發明設計方法包括基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面的初始設計、基於拓撲補償的模具型面重構設計、基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計。本發明是在基於幾何截面換算基礎上未考慮變形誤差補償無餘量冷輥軋葉片加工模具設計中，引入虛擬成形、拓撲補償、型面重構、虛擬修模和模糊優化方法，採用本發明的設計方法可以減少試修模次數、降低廢品率、縮短設計周期，為葉片無餘量冷輥軋加工模具設計提供了一種新方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明原理框圖。
[0024]圖2為葉片的外貌示意圖。
[0025]圖3為盆模和背模的基礎型面示意圖。圖中，I盆模；2背模。
[0026]圖4為冷輥軋成形過程有限元模型圖。圖中，I盆模；2背模；3葉片。
[0027]圖5為葉片的空間拓撲結構示意圖。
[0028]圖6 (a)_圖6 (b)為補償前各截面的扭轉誤差量T1和彎曲誤差量R1示意圖。其中，圖6 (a)扭轉誤差量h曲線；圖6 (b)彎曲誤差量r1曲線。
[0029]圖7為完成補償後的模具型面圖。圖中，I盆模；2背模。
[0030]圖8為軋制葉片的空間拓撲結構示意圖。
[0031]圖9 (a)_圖9 (b)為補償後各截面的扭轉誤差量tn和彎曲誤差量rn示意圖。其中，圖9 (a)扭轉誤差量tn曲線；圖9 (b)彎曲誤差量rn曲線。
[0032]圖10 為雙目標模糊優化算法 DOFO (Double Objective Fuzzy Optimization)計算新的樣本點集流程圖。
[0033]圖11 (a)_圖11 (b)為經模糊優化後的扭轉誤差補償量T和彎曲誤差補償量R示意圖。其中，圖11 (a)扭轉誤差補償量T曲線；圖11 (b)彎曲誤差補償量R曲線。
[0034]圖12為利用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償示意圖。圖中，I盆模；2背模。
[0035]圖13為經修邊處理後葉片示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0037]如圖1所示，本發明葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法包括:基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計、基於拓撲補償的模具型面重構設計、基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計三個階段。第一階段基於虛擬成形的複雜型面零件冷輥軋模具型面的初始設計作為第二階段基於拓撲補償的模具型面重構設計的輸入。第二階段基於拓撲補償的模具型面重構設計作為第三階段基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計的輸入。在變形誤差不滿足葉片設計幾何精度要求的條件下，第三階段形成內循環響應，直至最終軋制葉片變形誤差滿足精度要求，獲得優化的冷輥軋葉片模具型面設計方案。其中，
[0038]基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計方法完成基於冷輥軋模具基礎型面的虛擬成形過程仿真，包括如下步驟:
[0039]a)確定冷輥軋成形的工藝參數，包括輥軋模寬度、軋輥轉速、型槽圓心角和摩擦因子等;
[0040]b)根據《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》設計出盆模和背模的基礎型面；
[0041]c)對盆模、背模和葉片預製坯模型劃分網格，進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構。
[0042]其中，《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》參見:劉隨建、崔樹森、李深亮、楊景金、鄭渠英等人的中國發明專利ZL200710159074.X 「軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法」。
[0043]基於拓撲補償的模具型面重構設計完成冷輥軋模具型面的拓撲補償計算以及補償後的模具型面重構工作，包括如下步驟:
[0044]a)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第一輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差；
[0045]b)根據扭轉變形誤差和彎曲變形誤差採用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。[0046]基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計完成基於重構型面的虛擬成形過程仿真以及根據變形誤差修正模糊優化模具型面設計，包括以下步驟:
[0047]a)利用盆模和背模的重構型面在相同的工藝參數下再次進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構；
[0048]b)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第二輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差，檢驗以上變形誤差是否滿足葉片精度要求；
[0049]c)如不滿足精度要求，以扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為目標函數，以第一輪和第二輪的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為初始樣本點集，以滿足以上變形誤差符合葉片精度要求為PID控制終止條件，採用雙目標模糊優化算法DOFO計算新的樣本點集；
[0050]d)根據計算獲得的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差利用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。
[0051]實施例:GH4169合金髮動機壓氣機轉子葉片冷輥軋模具的設計
[0052]本實施例是對無餘量輥軋模的精確幾何型面進行設計和優化，參照附圖2-13對本發明做進一步說明。以GH4169合金髮動機壓氣機轉子葉片的冷輥軋模具型面為設計目標，葉片的外貌如圖2所示。
[0053]該型葉片無餘量輥軋模的設計優化過程包括如下步驟:
[0054]1、確定冷棍軋成形的工藝參數，包括棍軋模寬度50_55mm、軋棍轉速0.3rad/s、型槽圓心角60。和摩擦因子0.15。
[0055]2、根據《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》設計出盆模I和背模2的基礎型面如圖3所示。其中，《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》參見劉隨建、崔樹森、李深亮、楊景金、鄭渠英等人的中國發明專利ZL200710159074.X 「軋制無餘量葉片用輥軋模的設計
方法」。
[0056]3、對盆模1 、背模2和葉片3預製坯模型劃分網格，建立冷輥軋成形過程有限元模型，如圖4所示。
[0057]4、進行有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構，如圖5所示。
[0058]5、將該拓撲結構離散化並與葉片的設計結構進行比較，獲得第一輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差。根據扭轉變形誤差和彎曲變形誤差採用反向逼近分別對盆模I和背模2的基礎型面進行拓撲補償，分別如圖6 (a)和圖6 (b)所示。
[0059]6、完成盆模I和背模2的基礎型面補償後，模具型面的重構設計與光順，如圖7所
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[0060]7、利用盆模和背模的重構型面在相同的工藝參數下，再次進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構，如圖8所示；
[0061]8、將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第二輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差。經檢驗以上變形誤差不能滿足葉片精度要求，如圖9 (a)和圖9 (b)所示。
[0062]9、以扭轉變形誤差t和彎曲變形誤差r為目標函數，以第一輪和第二輪的扭轉變形誤差U1U11)和彎曲變形誤差(r1、rn)為初始樣本點集，以滿足以上變形誤差符合葉片精度要求為PID控制終止條件，採用雙目標模糊優化算法DOFO計算新的樣本點集。如圖10所示，雙目標模糊優化算法DOFO計算新的樣本點集流程如下，輸入初始樣本點集t 1、r 1、t u、r π —計算偏差集:ec!=t n -t I ；ec2=r n ~r !—賦值 tm=t n ；rm=r n— ec」 ec2、tm、rm模糊化一模糊正定ΛΚρ、AKm Λ Kd—計算當前的KpK1、Kd —PID控制運算一輸出樣本點集T和R。其中，t丨為各截面第一輪扭轉變形誤差量，t u為各截面第二輪扭轉變形誤差量，扭轉變形誤差中間賦值量，r i為各截面第一輪彎曲變形誤差量，r u為各截面第二輪彎曲變形誤差量，!^為彎曲變形誤差中間賦值量，eCl為各截面扭轉變形誤差偏差量，％2為各截面彎曲變形誤差偏差量，Kp為PID控制器的比例係數，K丨為PID控制器的積分係數，Kd為PID控制器的微分係數，ΛΚρ為誤差比例，AK1為誤差積分，AKd為誤差微分，T為優化後各截面扭轉誤差補償量，R為各截面彎曲誤差補償量。
[0063]10、根據計算獲得的扭轉變形誤差T和彎曲變形誤差R利用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，分別如圖11 (a)和圖11 (b)所示。
[0064]11、完成盆模I和背模2的基礎型面補償後，模具型面的重構設計與光順，如圖12所示。
[0065]12、利用設計優化後的冷輥軋模具加工的葉片，經修邊處理後如圖13所示。經檢驗，滿足設計精度要求。
[0066]實施例結果表明，為獲得精確的無餘量輥軋模幾何設計，本發明首先通過虛擬成形確定葉片冷輥軋後的變形誤差；再利用拓撲補償技術進行葉片型面的反變形誤差補償設計，實現輥軋模型面的幾何重構；最後根據虛擬修模的試模情況與葉片設計的幾何要求進行對比，採用雙目標模糊優化算法(DOFO)實現無餘量冷輥軋葉片加工模具的全局優化設計。
【權利要求】
1.一種葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，其特徵在於，該設計方法包括基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計方法、基於拓撲補償的模具型面重構設計方法和基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計方法；為獲得精確的無餘量輥軋模幾何設計，首先通過虛擬成形確定葉片冷輥軋後的變形誤差；再利用拓撲補償技術進行葉片型面的反變形誤差補償設計，實現輥軋模型面的幾何重構；最後根據虛擬修模的試模情況與葉片設計的幾何要求進行對比，採用雙目標模糊優化算法實現無餘量冷輥軋葉片加工模具的全局優化設計。
2.按照權利要求1所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，其特徵在於，基於虛擬成形的冷輥軋葉片模具型面初始設計方法包括如下步驟: a)確定冷輥軋成形的工藝參數； b)根據《軋制無餘量葉片用輥軋模的設計方法》設計出盆模和背模的基礎型面； c)對盆模、背模和葉片預製坯模型劃分網格，進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構。
3.按照權利要求1所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，其特徵在於，冷輥軋成形的工藝參數包括輥軋模寬度、軋輥轉速、型槽圓心角和摩擦因子坐寸ο
4.按照權利要求1所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，其特徵在於，基於拓撲補償的模具型面重構設計方法包括以下步驟: a)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第一輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差； b)根據扭轉變形誤差和彎曲變形誤差採用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。
5.按照權利要求1所述的葉片無餘量冷輥軋加工模具的拓撲補償模糊優化設計方法，其特徵在於，基於虛擬修模的模具型面模糊優化設計方法包括以下步驟: a)利用盆模和背模的重構型面在相同的工藝參數下再次進行冷輥軋成形過程的有限元分析，獲得軋制葉片的空間拓撲結構； b)將該拓撲結構離散化並與葉片設計結構進行比較，獲得第二輪扭轉變形誤差和彎曲變形誤差，檢驗以上變形誤差是否滿足葉片精度要求； c)如不滿足精度要求，以扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為目標函數，以第一輪和第二輪的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差為初始樣本點集，以滿足以上變形誤差符合葉片精度要求為PID控制終止條件，採用雙目標模糊優化算法DOFO計算新的樣本點集； d)根據計算獲得的扭轉變形誤差和彎曲變形誤差利用反向逼近分別對盆模和背模的基礎型面進行拓撲補償，完成補償後模具型面的重構設計與光順。
【文檔編號】G06F17/50GK103778308SQ201410075536
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】張士宏, 程明, 宋鴻武, 葉能永, 徐勇, 邰清安 申請人:中國科學院金屬研究所