本发明公开了一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置及方法，涉及材料加工工程领域。所述扭转成形装置包括基座、扭转组件、加热组件、进给组件以及上、下覆板；所述扭转组件包括一对对称设置在基座上的电机和扭转夹具；所述加热组件包括高频脉冲电源以及与电源相连接的两个电极夹头；所述进给组件包括伺服电机及滚珠丝杆等；所述上、下覆板分别设置在叶片的上下表面。本发明提供的覆板辅助电加热扭转成形装置及方法，通过控制上、下覆板的厚度、强度、电导率等变量，合理调节加热区间，使叶片受热更加均匀，有效避免叶片扭转过程中的不协调变形问题，提高成形叶片的尺寸精度和性能质量，同时还极大地提高了能量利用率与生产效率。
1.一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，包括基座（1）、扭转组件、加热组件、进给组件以及上覆板（24）和下覆板（22）；
所述扭转组件包括一对对称设置在基座（1）上的电机以及一对扭转夹具，两所述扭转夹具分别连接两所述电机的输出轴、且处于两电机之间，两所述扭转夹具分别夹持于叶片的叶根和叶尖区域；
所述加热组件包括直流脉冲电源（9）以及与直流脉冲电源（9）相连接的两个电极夹头，两所述电极夹头分别位于两扭转夹具与叶片之间、且所述电极夹头与扭转夹具之间设置绝缘垫片（6）进行绝缘；
所述进给组件包括进给伺服电机（15）、联轴器（16）、固定座（17）、滚珠丝杆（18）、螺母座（19）以及支撑座（20），所述滚珠丝杆（18）的两端分别可旋转的连接在固定座（17）以及支撑座（20）中，且所述滚珠丝杆（18）通过联轴器（16）与进给伺服电机（15）相连；所述螺母座（19）滑动连接在基座（1）上、且与滚珠丝杆（18）螺纹连接；
所述扭转组件中的一个电机安装在螺母座（19）上，通过进给伺服电机（15）带动滚珠丝杆（18）旋转实现螺母座的水平运动；所述扭转组件中的另一个电机安装在基座（1）上；
所述上覆板（24）和下覆板（22）分别设置在叶片（23）的上下表面，通过两电极夹头于叶片的两侧对上覆板（24）、下覆板（22）以及叶片（23）进行夹持。
2.根据权利要求1所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，所述上覆板的材料强度是叶片的材料强度的0.5‑1倍，所述下覆板的材料强度是叶片的材料强度的1‑2倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，所述叶片（23）为实心叶片或空心叶片。
4.根据权利要求1或2所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，所述直流脉冲电源（9）中设置有控制面板（10）以及朝向叶片（23）设置的红外测温装置（11）。
5.根据权利要求1所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，所述扭转组件还包括旋转轴（4）以及减速器，所述电机的输出轴依次经过减速器以及旋转轴（4）连接所述扭转夹具，所述旋转轴（4）与电机同轴心、且二者轴心与扭转夹具的中心点相交。
6.根据权利要求1 、2或5所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，两所述扭转夹具分为左扭转夹具（5）、右扭转夹具（13），两所述电机分为左伺服电机（3）、右伺服电机（14）；
所述左扭转夹具（5）夹持于叶片的叶根区域、且在左伺服电机（3）的驱动下绕自身中心做旋转运动；所述右扭转夹具（13）夹持于叶片的叶尖区域、且在右伺服电机（14）的驱动下绕自身中心做旋转运动。
7.根据权利要求6所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，两所述电极夹头分为正电极夹头（7）、负电极夹头（12），所述正电极夹头（7）、负电极夹头（12）均通过大载流导线（8）连接直流脉冲电源（9）；
两所述电极夹头均为长条状，其中所述正电极夹头（7）将叶根区域的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与左扭转夹具（5）之间均设置有绝缘垫片（6）；所述负电极夹头（12）将叶尖区域的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与右扭转夹具（13）之间均设置有绝缘垫片（6）。
8.根据权利要求6所述的一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置，其特征在于，所述基座（1）的顶面设有导轨（21），所述左伺服电机（3）安装在左电机座（2）上，所述左电机座（2）可拆卸的连接在导轨（21）上；所述固定座（17）和支撑座（20）固定连接在导轨（21）上，所述螺母座（19）与导轨（21）滑动连接。
9.一种带覆板的涡轮叶片电辅助扭转成形方法，其特征在于，按以下步骤进行成形：S1、尺寸设计：根据成品叶片的具体外形尺寸，确定待成形叶片的扭转中心和扭转角度；
S2.1、将上覆板、下覆板分别置于待成形叶片的两侧，并保证轴向两侧齐平；
S2.2、用正电极夹头、负电极夹头分别在叶片的叶根和叶尖处将叶片和上覆板、下覆板夹紧；
S2.3、用左、右扭转夹具分别固定住正、负电极夹头，保证扭转中心与左、右扭转夹具的水平轴线重合，并在扭转夹具和电极夹头之间添加绝缘垫片；
S3、参数设定：根据叶片和覆板的截面尺寸和电阻数据，确定高频脉冲电源输出的电流参数；
S4、加热：打开高频脉冲电源，使待成形叶片和覆板均被迅速加热至扭转成形温度，成形温度区间为700 900ºC，加热速度达50 100ºC/s；
S5、扭转：启动伺服电机，通过转轴带动扭转夹具按照预设的扭转速度和扭转方向扭转叶片和覆板至预设的角度，并保持在该预设角度5 30min；
S6、冷却：扭转完成后关闭脉冲电源，待叶片冷却后，去除上覆板、下覆板和正、负电极夹头，得到最终扭转成形零件。
一种叶片的覆板辅助电加热扭转成形装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及材料加工工程领域。
背景技术
[0002] 针对航空航天、交通运输等领域对轻量化和安全性的持续需求，更多的高强轻质材料应用于复杂构件。随着材料强度的提高，大部分难变形材料在室温下的制造难度显著
增加，成形缺陷更是难以控制。尤其对于航空发动机中的涡轮风扇叶片的扭转成形，一般需
要在加热状态下进行，以提高材料的可加工性。
[0003] 传统的高温扭转成形工艺中，加热方式为整体式加热，即将扭转装置与坯料一起放入炉体中进行加热，其中具有代表性的如下所述：
[0004] 于2018年2月23日公布的一份名为“一种空心叶片多点同步热扭转成形装置及成形方法”、申请号为“201710895074 .X”的中国发明专利中提出了一种空心点阵多点同步热
扭转成形装置及成形方法，将叶片及夹持装置一同移入到加热装置中，通过多点推杆冲头
装置实现对叶身扭转变形的精确控制。CN103551472A中提出了一种空心叶片推弯成形工
艺，通过夹持叶片榫头将叶片从加热至高温的模腔通道一端推入模腔中，使叶片在模具型
腔内表面的作用下受迫弯曲，发生扭转变形。在这些方法中，模具吸收了绝大部分的热量，
导致热量的有效利用率很低，能源浪费严重。此外，热辐射和热传导的传热方式造成热量传
输速度较慢，坯料需要较长的加热时间才能达到均匀的成形温度，使得生产效率较低。
[0005] 于2019年1月11日公告的一份名为“一种基于应力松弛的等截面空心风扇叶片小角度扭转方法”、申请号为“201710852930.3”的中国发明专利中公开了一种基于应力松弛
的空心叶片小角度扭转方法，即在室温下通过扭转装置将叶片扭转至最终成形角度，随后
将装夹好的叶片和装夹扭转装置一同放入加热装置中进行应力松弛，待冷却后拆除装夹装
置得到最终零件。该方法能够有效减少回弹，提高成形效率，但室温下扭转变形时产生的塑
性损伤以及高温应力松弛时造成的晶粒长大也对最终零件质量带来了不容忽视的影响。
[0006] 于2018年9月4日公告的一份名为“一种电场辅助高压扭转装置及高压扭转方法”、申请号为“201710251146.7”的中国发明专利中公开了一种电场辅助高压扭转装置，当上、
下压头压制试样时，直流脉冲电源通过上、下电极板将脉冲电流导入棒材试样中，从而使得
室温下实现难变形合金材料的高压扭转变形成为可能。但这种方法在类似涡轮叶片的板材
领域还没有应用。
[0007] 总的来说，由于航空发动机中涡轮叶片的厚度一般不均匀，往往叶根比叶尖的厚度要大，利用电辅助进行加热时会导致叶根处的温度明显高于叶尖温度，造成扭转变形不
协调、成形精度降低等问题。传统高温扭转成形工艺还具有着能量利用率低、加热时间长、
成形效率低等缺点。
发明内容
[0008] 本发明针对以上问题，提出了一种能量利用率高、加热时间短、成形效率高的覆板辅助电加热扭转成形装置及方法，使叶片受热更加均匀，并改善了叶片扭转过程中的变形
不均匀问题。
[0009] 本发明的技术方案为：包括基座1、扭转组件、加热组件、进给组件以及上覆板24和下覆板22；
[0010] 所述扭转组件包括一对对称设置在基座1上的电机以及一对扭转夹具，两所述扭转夹具分别连接两所述电机的输出轴、且处于两电机之间，两所述扭转夹具分别夹持于叶
片的叶根和叶尖区域；
[0011] 所述加热组件包括直流脉冲电源9以及与直流脉冲电源9相连接的两个电极夹头，两所述电极夹头分别位于两扭转夹具与叶片之间、且所述电极夹头与扭转夹具之间设置绝
缘垫片6进行绝缘；
[0012] 所述进给组件包括进给伺服电机15、联轴器16、固定座17、滚珠丝杆18、螺母座19以及支撑座20，所述滚珠丝杆18的两端分别可旋转的连接在固定座17以及支撑座20中，且
所述滚珠丝杆18通过联轴器16与进给伺服电机15相连；所述螺母座19滑动连接在基座1上、
且与滚珠丝杆18螺纹连接；
[0013] 所述扭转组件中的一个电机安装在螺母座19上，通过进给伺服电机15带动滚珠丝杆18旋转实现螺母座的水平运动；所述扭转组件中的另一个电机安装在基座1上；
[0014] 所述上覆板24和下覆板22分别设置在叶片23的上下表面，通过两电极夹头于叶片的两侧对上覆板24、下覆板22以及叶片23进行夹持。
[0015] 所述上覆板的材料强度是叶片的材料强度的0.5‑1倍，所述下覆板的材料强度是叶片的材料强度的1‑2倍。
[0016] 所述叶片23为实心叶片或空心叶片。
[0017] 所述直流脉冲电源9中设置有控制面板10以及朝向叶片23设置的红外测温装置11。
[0018] 所述扭转组件还包括旋转轴4以及减速器，所述电机的输出轴依次经过减速器以及旋转轴4连接所述扭转夹具，所述旋转轴4与电机同轴心、且二者轴心与扭转夹具的中心
点相交。
[0019] 两所述扭转夹具分为左扭转夹具5、右扭转夹具13，两所述电机分为左伺服电机3、右伺服电机14；
[0020] 所述左扭转夹具5夹持于叶片的叶根区域、且在左伺服电机3的驱动下绕自身中心做旋转运动；所述右扭转夹具13夹持于叶片的叶尖区域、且在右伺服电机14的驱动下绕自
身中心做旋转运动。
[0021] 两所述电极夹头分为正电极夹头7、负电极夹头12，所述正电极夹头7、负电极夹头12均通过大载流导线8连接直流脉冲电源9；
[0022] 两所述电极夹头均为长条状，其中所述正电极夹头7将叶根区域的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与左扭转夹具5之间均设置有绝缘垫片6；所述负电极夹头12将叶尖区域
的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与右扭转夹具13之间均设置有绝缘垫片6。
[0023] 所述基座1的顶面设有导轨21，所述左伺服电机3安装在左电机座2上，所述左电机座2可拆卸的连接在导轨21上；所述固定座17和支撑座20固定连接在导轨21上，所述螺母座
19与导轨21滑动连接。
[0024] 按以下步骤进行成形：
[0025] S1、尺寸设计：根据成品叶片的具体外形尺寸，确定待成形叶片的扭转中心和扭转角度；
[0026] S2、装配：
[0027] S2.1、将上覆板、下覆板分别置于待成形叶片的两侧，并保证轴向两侧齐平；
[0028] S2.2、用正电极夹头、负电极夹头分别在叶片的叶根和叶尖处将叶片和上覆板、下覆板夹紧；
[0029] S2.3、用左、右扭转夹具分别固定住正、负电极夹头，保证扭转中心与左、右扭转夹具的水平轴线重合，并在扭转夹具和电极夹头之间添加绝缘垫片；
[0030] S3、参数设定：根据叶片和覆板的截面尺寸和电阻数据，确定高频脉冲电源输出的电流参数；
[0031] S4、加热：打开高频脉冲电源，使待成形叶片和覆板均被迅速加热至扭转成形温度，成形温度区间为700 900ºC，加热速度达50 100ºC/s；
~ ~
[0032] S5、扭转：启动伺服电机，通过转轴带动扭转夹具按照预设的扭转速度和扭转方向扭转叶片和覆板至预设的角度，并保持在该预设角度5 30min；
~
[0033] S6、冷却：扭转完成后关闭脉冲电源，待叶片冷却后，去除上覆板、下覆板和正、负电极夹头，得到最终扭转成形零件。
[0034] 本发明采用在叶片上、下两侧各增加一层覆板的方式，使叶片的受热温度均匀，提高叶片的变形协调性，改善成形质量。本发明不仅采用电辅助加热的方式提高升温速率，还
通过在叶片上、下两侧增加覆板辅助扭转成形的方式，使叶片受热更加均匀，控制叶片的加
热区间，同时改善叶片扭转过程中的变形不均匀问题。
[0035] 本发明通过控制上、下覆板的厚度、强度、电导率等变量，合理调节加热区间，使叶片受热更加均匀，有效避免叶片扭转过程中的不协调变形问题，提高成形叶片的尺寸精度
和性能质量，同时还极大地提高了能量利用率与生产效率。
[0036] 本发明具有以下有益效果：
[0037] 一、本案可以在室温下实现涡轮叶片等板坯零件的扭转成形，且采用电辅助加热的方式，能够在一定程度上消除叶片扭转后的残余应力，减少回弹，改善成形质量。
[0038] 二、本案中的电辅助加热的热量传输速度较快，叶片可以在较短的时间内达到成形温度，提高成形效率。
[0039] 三、本案中的电辅助加热处理后不会在叶片表明形成厚厚的氧化层。
[0040] 四、本案中的采用覆板辅助扭转成形的方式，能够使叶片受热更加均匀，通过改变覆板的横截面积和电阻，可以控制叶片的加热区间，同时还能够改善叶片扭转过程中的变
形不均匀问题。
[0041] 五、本案中的采用伺服电机轴向施力和补充材料的方式，能实现板料的拉伸‑扭转和压缩‑扭转复合成形，进一步提升材料的变形能力，控制叶片的成形精度。
附图说明
[0042] 图1是本案的结构示意图；
[0043] 图中1是基座，2是左电机座，3是左伺服电机，4是旋转轴，5是左扭转夹具，6是绝缘垫片，7是正电极夹头，8是大载流导线，9是高频脉冲电源，10是控制面板，11是红外测温装
置，12是负电极夹头，13是右扭转夹具，14是右伺服电机，15是进给伺服电机，16是联轴器，
17是固定座，18是滚珠丝杆，19是螺母座，20是支撑座，21是导轨，22是上覆板，23是叶片，24
是下覆板。
具体实施方式
[0044] 为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
[0045] 本发明如图1所示，包括基座1、扭转组件、加热组件、进给组件以及上覆板24和下覆板22；
[0046] 所述扭转组件包括一对对称设置在基座1上的电机以及一对扭转夹具，两所述扭转夹具分别连接两所述电机的输出轴、且处于两电机之间，两所述扭转夹具分别夹持于叶
片的叶根和叶尖区域；
[0047] 所述加热组件包括直流脉冲电源9以及与直流脉冲电源9相连接的两个电极夹头，两所述电极夹头分别位于两扭转夹具与叶片之间、且所述电极夹头与扭转夹具之间设置绝
缘垫片6进行绝缘；
[0048] 所述进给组件包括进给伺服电机15、联轴器16、固定座17、滚珠丝杆18、螺母座19以及支撑座20，所述滚珠丝杆18的两端分别可旋转的连接在固定座17以及支撑座20中，且
所述滚珠丝杆18通过联轴器16与进给伺服电机15相连；所述螺母座19滑动连接在基座1上、
且与滚珠丝杆18螺纹连接；
[0049] 所述扭转组件中的一个电机安装在螺母座19上，通过进给伺服电机15带动滚珠丝杆18旋转实现螺母座的水平运动；所述扭转组件中的另一个电机安装在基座1上；这样，通
过进给伺服电机15可以通过控制右伺服电机的水平运动，实现拉伸‑扭转变形或者是压缩‑
扭转变形。
[0050] 所述上覆板24和下覆板22分别设置在叶片23的上下表面，通过两电极夹头于叶片的两侧对上覆板24、下覆板22以及叶片23进行夹持。上覆板24以及下覆板22与叶片23的叶
身在成形过程中保持贴合状态，以保证对叶片最终的加工效果。上覆板、下覆板可以采用同
种材料，也可以采用异种材料拼焊而成，可以是等厚度的，也可以是变厚度的，覆板材料和
厚度的选择可根据待成形叶片的材料和具体外形尺寸来确定。此外，对于厚度较大或等厚
度零件的扭转成形，也可以选择不加覆板，直接将正、负电极接在毛坯上即可，可根据实际
情况灵活选择。
[0051] 所述上覆板、下覆板的材料强度一般不同，所述上覆板的材料强度是叶片的材料强度的0.5‑1倍，所述下覆板的材料强度是叶片的材料强度的1‑2倍，从而使毛坯在扭转过
程中均匀变形。
[0052] 所述叶片23为实心叶片或空心叶片。
[0053] 所述直流脉冲电源9中设置有控制面板10以及朝向叶片23设置的红外测温装置11。控制面板用于设置直流脉冲电源输出电流的各项参数，参数的选择根据叶片的具体材
料来确定；红外测温装置用于实时监控电加热过程中叶片的温度，若叶片温度超过上限温
度，则调整脉冲电源参数使输出电流减小，反之则增大输出的电流，从而实现智能控制，使
叶片的温度保持在扭转成形温度范围内。
[0054] 所述扭转组件还包括旋转轴4以及减速器，所述电机的输出轴依次经过减速器以及旋转轴4连接所述扭转夹具，所述旋转轴4与电机同轴心、且二者轴心与扭转夹具的中心
点相交。在成形过程中，左、右伺服电机均可独立控制左、右扭转夹具的正转和反转，借助减
速器，还能够实现对扭转夹具绕自身轴线转动的精确控制。
[0055] 两所述扭转夹具分为左扭转夹具5、右扭转夹具13，两所述电机分为左伺服电机3、右伺服电机14；
[0056] 所述左扭转夹具5夹持于叶片的叶根区域、且在左伺服电机3的驱动下绕自身中心做旋转运动；所述右扭转夹具13夹持于叶片的叶尖区域、且在右伺服电机14的驱动下绕自
身中心做旋转运动。
[0057] 两所述电极夹头分为正电极夹头7、负电极夹头12，所述正电极夹头7、负电极夹头12均通过大载流导线8连接直流脉冲电源9；
[0058] 两所述电极夹头均为长条状，其中所述正电极夹头7将叶根区域的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与左扭转夹具5之间均设置有绝缘垫片6；所述负电极夹头12将叶尖区域
的覆板和叶片夹紧、且其上下两侧与右扭转夹具13之间均设置有绝缘垫片6。使用时，可通
过紧固螺栓分别固定住正电极夹头、负电极夹头，保证扭转过程中电极夹头不会变形脱落，
并进一步夹紧待成形叶片、上覆板、下覆板。而正电极夹头、负电极夹头和左扭转夹具、右扭
转夹具之间则通过绝缘垫片间隔开，所述绝缘垫片采用摩擦系数低且不导电的材料，例如
陶瓷垫片或云母片等。
[0059] 所述基座1的顶面设有导轨21，所述左伺服电机3安装在左电机座2上，所述左电机座2可拆卸的连接在导轨21上；所述固定座17和支撑座20固定连接在导轨21上，所述螺母座
19与导轨21滑动连接。使用时，根据叶片的尺寸，可通过控制左电机座在导轨上的滑动，调
节左伺服电机、右伺服电机之间的距离，使得本案具有更为广泛的使用范围。
[0060] 本发明不仅可以实现毛坯的扭转成形，通过控制进给伺服电机15，还可以实现毛坯的拉伸‑扭转和压缩‑扭转复合成形，进一步提升材料的变形能力，右扭转夹具13的轴向
移动与扭转转动的配合关系由控制系统协调控制，加载路径由有限元仿真软件预先计算预
测。
[0061] 本发明不只是针对板材类叶片零件的扭转成形，对于薄板件、棒材、型材等其他截面形状的零件同样适用，只需根据实际生产需要更换相应截面形状的扭转夹具、覆板和电
极夹头即可。
[0062] 本发明也可以根据具体情况，先进行扭转变形，扭转完成后打开脉冲电源，实现电辅助热处理，消除材料内部残余应力，减小回弹。
[0063] 本发明可以是一侧夹具固定，一侧夹具通过伺服电机带动旋转；也可以是两侧夹具均由伺服电机带动旋转，且两侧夹具的旋转运动不一定同步，可根据实际生产需要独立
控制左、右伺服电机实现。
[0064] 按以下步骤进行成形：
[0065] S1、尺寸设计：根据成品叶片的具体外形尺寸，确定待成形叶片的扭转中心和扭转角度；
[0066] S2、装配：
[0067] S2.1、将上覆板、下覆板分别置于待成形叶片的两侧，并保证轴向两侧齐平；
[0068] S2.2、用正电极夹头、负电极夹头分别在叶片的叶根和叶尖处将叶片和上覆板、下覆板夹紧；
[0069] S2.3、用左、右扭转夹具分别固定住正、负电极夹头，保证扭转中心与左、右扭转夹具的水平轴线重合，并在扭转夹具和电极夹头之间添加绝缘垫片；
[0070] S3、参数设定：根据叶片和覆板的截面尺寸和电阻数据，确定高频脉冲电源输出的电流参数；
[0071] S4、加热：打开高频脉冲电源，使待成形叶片和覆板均被迅速加热至扭转成形温度，成形温度区间为700 900ºC，加热速度达50 100ºC/s；
~ ~
[0072] S5、扭转：启动伺服电机，通过转轴带动扭转夹具按照预设的扭转速度和扭转方向扭转叶片和覆板至预设的角度，并保持在该预设角度5 30min；
~
[0073] S6、冷却：扭转完成后关闭脉冲电源，待叶片冷却后，去除上覆板、下覆板和正、负电极夹头，得到最终扭转成形零件。
[0074] 在本发明的描述中，需要理解的是，属于“上”、“下”、“左”、“右”、“正”、“负”等指示的方位和属性关系为基于附图所示的方位和尺寸关系，仅是为了便于描述本发明和简化描
述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。
[0075] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是机械连接，也可以是可拆卸连接，可以是直接相连，也可以通过
中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的
具体含义。
[0076] 本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这
些改进也应视为本发明的保护范围。
