[发明专利]一种涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计方法

说明书

技术领域：

本发明属于锻造技术领域，涉及涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计方法

背景技术：

涡轮盘是航空发动机的核心部件，也是四大类热端部件中工作环境最为极端的部分，其工作温度高、变化大、受力状态十分复杂，因而对涡轮盘的性能提出了很高的要求，这导致涡轮盘的制造技术一直是我国航空发动机领域的一个难题。

由于涡轮盘结构复杂，实属于典型难成形零件，制造的难度较高，难以在一道工序内把坯料锻压成最终涡轮盘的形状，即使能够实现充满模具，但却难以保证不产生如折叠、裂纹等缺陷以及锻件的变形均匀性等影响锻件质量的因素，即不能同时实现成形和成性。因此，实际生产中往往需要先经过预锻，再进行终锻。通过镦粗—终锻这种传统的锻造工艺路线诚然是可以制造出在一定范围内可以使用的涡轮盘，但是对于大推重比的航空发动机而言，这种常规的锻造工艺制造出来的涡轮盘的性能还远远不够，而且也存在如变形不均匀等一些问题，往往导致组织的晶粒粗大，甚至严重影响涡轮盘的力学性能。因此急需发明一种优化涡轮盘锻件的预成形工艺的新方法，达到提高锻件性能，降低加工难度和加工成本的目的。

目前锻件预成形的优化设计所依据的知识和采用的手段主要有三种：基于以往丰富经验的经验性指导原则、物理模拟技术和基于数值模拟的计算机辅助设计。虽然国内外学者在锻件预成形工艺优化方面已经做了一些研究，并提出了多种锻件预成形优化设计方法，但主要是针对预锻件进行优化设计。然而，预锻件的形状和尺寸主要是通过预锻模来间接保证的，如果不是模锻的方式，很难保证预锻件的形状尺寸不产生偏差，从而导致偏离最优化的目标。因此，本发明提出了一种方法，即先对预锻模的形状尺寸进行优化设计，然后优化锻件的预成形工艺，从而提高锻件性能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计方法，该方法可以有效地优化涡轮盘锻件的预锻工艺，提高涡轮盘的性能，并且降低其加工难度和加工成本。

本发明解决上述难题的方案是：

步骤1：设计预模锻的几何形状，将其尺寸参数化，并利用Plackett-Burmans实验设计方法确定关键影响参数；

步骤2：以步骤1确定的关键影响因素为所需的优化参数，确定所需的优化参数取值范围，采用通用旋转组合设计方法确定实验方案，并利用有限元法对各方案进行模拟仿真，获得实验结果；

步骤3：根据步骤2所得的实验结果，利用二阶响应面模型拟合出响应曲面，基于优化的目标函数进行寻优，找出最优的参数组合。

本发明的有益效果为：本发明借助响应曲面实验设计法为优化方法，以改变预锻模的几何形状和锻压参数为输入，利用有限元模拟仿真方法和Design-Expert分析优化软件，寻求得最优的工艺参数，为涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计提供了新方法。

附图说明：

图1预锻件截面的示意图；

图2预锻模截面的示意图及几何参数；

图3 Plackett-Burman实验学生化残差分布图

图4旋转组合设计实验学生化残差分布图

图5不同设计变量对f(x)的响应曲面：(a)α和H的交互作用；(b)α和D的交互作用；(C)H和D的交互作用

图6不同设计变量对f(x)的等值线图：(a)α和H的交互作用；(b)α和D的交互作用；(C)H和D的交互作用

图7涡轮盘锻件优化前后等效应变分布对比：(a)优化前；(b)优化后

图8涡轮盘锻件优化前后平均晶粒大小分布对比：(a)优化前；(b)优化后

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计方法，下面以高温合金涡轮盘锻件预成形工艺的优化设计为例，详细介绍本发明中设计的涡轮盘锻件预成形工艺优化方法的实施细节，其方法包括：

步骤1：设计预模锻的几何形状，将其尺寸参数化，并利用Plackett-Burmans实验设计方法确定关键影响参数；