叶片是航空发动机中重要的零部件,对几何形体尺寸和机械性能要求高。不同的叶片采用不同的制造工艺,薄壁小尺寸的高压压气机叶片通常采用无余量辊轧成形。叶片辊轧成形是毛坯在一对逆向旋转的辊轧模具的挤压作用下发生塑性变形、获得具有一定尺寸形状和机械性能的叶片的成形工艺。由于无余量叶片的制造精度要求高,其成形质量对辊轧模具型腔的几何形体尺寸和保形能力非常灵敏。因此研究叶片辊轧模具型腔优化设计方法并监控型腔服役过程中的磨损演化,对于提升批量辊轧成形叶片的精度、缩短模具设计定型周期和延长模具使用寿命,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文针对无余量辊轧成形叶片精度控制问题,基于叶片型面几何特征延拓关系和模具型腔-叶片型面的共轭运动关系,研究了叶片辊轧模具型腔的设计方法;同时基于叶片辊轧变形和弯曲回弹理论,建立解析模型以补偿叶片成形中的前滑和回弹,实现了叶片辊轧模具型腔的优化设计。在此基础上建立叶片辊轧有限元模型,研究辊轧模具型腔服役过程中的载荷响应;进而研究模具型腔的磨损分布和演化,并评估模具使用寿命。通过研究模具型腔的优化设计和模具型腔磨损评估方法,提升叶片辊轧模具型腔的设计精度和服役过程中的几何结构稳定周期,从而实现了批量辊轧叶片的高精度制造和一致性控制。论文主要的研究内容和创新点如下:(1)叶片辊轧模具型腔设计方法:根据叶片辊轧成形基本原理和模具型腔-辊轧叶片之间的共轭运动关系,提出了叶片辊轧模具型腔的设计方法。首先,以辊轧叶片的理论模型为基础,添加了加工及工艺余量,基于叶片辊轧成形过程和无余量型面几何特征演化过程,建立了叶片工艺模型;然后,基于模具型腔-叶片型面的共轭运动关系,构建了模具型腔的映射模型,实现了工艺模型叶盆和叶背型面截面线族绕对应轧辊轴线的缠绕,及叶片辊轧成形模具型腔的建模。(2)叶片辊轧模具型腔前滑补偿方法:研究了辊轧前滑形成原因,并建立了前滑的解析模型;将叶片工艺模型沿着积叠方向有序的离散,求解各个离散微元的前滑值;根据辊轧共轭运动关系和各微元的前滑值,构建了叶片辊轧模具型腔前滑补偿模型,即建立模具型腔截面线中心角与对应的叶片截面线积叠高度的解析关系;将求解的截面线映射角度应用于工艺模型型面到模具型腔的映射模型中,实现了辊轧模具型腔前滑补偿,达到了精确定位叶片截面位置的目标。(3)叶片辊轧模具型腔回弹补偿方法:研究塑性成形过程中的回弹形成机理,建立了基于构件的几何参数和材料性能的回弹变形计算模型,实现了基于反变形优化理论的辊轧模具型腔回弹补偿。首先,沿着弦长方向有序离散工艺模型系列截面线并提取各离散单元的几何参数,基于离散单元的几何参数和材料性能计算其回弹量;然后,基于反变形补偿方法建立各单元对应的回弹补偿单元,将有序的回弹补偿单元重新组合,实现了截面的回弹补偿;进而将回弹补偿截面线映射为模具型腔对应的截面线,实现了辊轧模具型腔的反变形回弹补偿,达到了叶片截面轮廓精确控形的目标。(4)叶片辊轧模具型腔接触载荷的分布和演化研究:在分析弹塑性接触模型和滚滑接触模型的基础上,研究了对称辊轧变形区内模具与构件之间的接触响应。基于优化设计的叶片辊轧模具型腔,建立叶片辊轧有限元分析模型,并分析了其计算结果的收敛性。通过数值计算方法获取了辊轧模具型腔在使用过程中的局部接触压力、局部剪切应力和局部微观滑移的分布及演化过程,为分析模具型腔磨损提供了基础数据。(5)叶片辊轧模具型腔磨损的分布与模具寿命预测研究:分析了粘着滑移磨损模型和其修正模型,以销-盘接触表征模具-叶片的接触并通过实验测试了接触副在滑移状态下的磨损量,求解了对应的磨损修正模型的影响因子。基于磨损修正模型和型腔的接触响应,计算了模具型腔在使用过程中各瞬态的磨损分布,研究了叶片成形过程中模具型腔磨损的演化过程,建立了一种基于有限磨损的模具使用寿命预测模型,并通过实验验证了模具型腔磨损分布状态及辊轧模具使用寿命预测结果。