高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工燕尾榫頭定位裝置設(shè)計(jì)??

陳本鋒 李燦軍

(①成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都611731；②成都恒信創(chuàng)智科技有限公司，四川成都611100)

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片俗稱(chēng)動(dòng)葉，是壓氣機(jī)的核心零件之一，在工作狀態(tài)下受氣動(dòng)力和離心力的綜合作用而容易產(chǎn)生變形[1]。動(dòng)葉由葉身、緣板和榫頭組成(如圖1所示)，葉身為窄長(zhǎng)薄壁型且具有復(fù)雜的空間曲面，榫頭有軸向燕尾型、環(huán)形燕尾型、圓弧形燕尾型等多種結(jié)構(gòu)。軸向燕尾榫頭通常用于高壓壓氣機(jī)前幾級(jí)轉(zhuǎn)子中，它承受載荷的榫頭面積大，能承受交大的離心載荷。整體式葉片的榫頭與葉身型面有一定的相對(duì)扭轉(zhuǎn)和偏移，與輪盤(pán)通過(guò)榫槽相連接，主要使發(fā)動(dòng)機(jī)流入的空氣增加動(dòng)能，進(jìn)而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱力循環(huán)效率和有效推力。所以他們都是在高轉(zhuǎn)速下工作，慣性負(fù)荷很大，葉片根部承受的交變負(fù)荷極大，應(yīng)力變化復(fù)雜，平衡性要求高。

在轉(zhuǎn)子葉片的加工中，需要分別加工葉身、緣板、榫頭三部分。在現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用中，多見(jiàn)針對(duì)葉身的定位裝置，夾緊榫頭來(lái)加工葉身的裝置并不常見(jiàn)。目前，高壓壓氣機(jī)葉片的高品質(zhì)制造主要以多軸機(jī)床的數(shù)控加工為主，用夾緊裝置夾持榫頭，再用數(shù)控刀具加工葉身，輔以表面處理技術(shù)來(lái)完成。部分企業(yè)自己制作液壓類(lèi)、精密澆注類(lèi)榫頭夾持裝置，制造成本高、定位時(shí)間長(zhǎng)、定位精度有限，導(dǎo)致葉片產(chǎn)品加工周期長(zhǎng)、廢品率高、生產(chǎn)成本較大。市場(chǎng)上還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出解決這一工藝難題的有效技術(shù)。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片燕尾榫頭定位裝置克服了上述定位夾具的諸多缺點(diǎn)，操作便捷，定位準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉身的高效、高精度加工，已經(jīng)在小范圍內(nèi)成功實(shí)踐。

1 設(shè)計(jì)原理

軸向燕尾榫頭難于穩(wěn)定裝夾，葉片加工過(guò)程技術(shù)含量高。以前由于技術(shù)條件的限制，比較少的采用燕尾圓弧榫頭?，F(xiàn)在，數(shù)控加工技術(shù)突飛猛進(jìn)，加工轉(zhuǎn)子葉片時(shí)對(duì)榫頭夾具的要求就特別高。加工葉身的關(guān)鍵是對(duì)葉片榫頭進(jìn)行精準(zhǔn)定位，榫頭的作用是將工作葉片連接到盤(pán)緣上，并將葉身所受的離心力均勻向盤(pán)緣傳遞。故榫頭的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，本身有足夠的硬度和強(qiáng)度，外輪廓結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般的定位裝置很難湊效，需要實(shí)施多面接觸夾緊。且加工葉片通常在五軸加工中心上進(jìn)行，設(shè)計(jì)定位裝置時(shí)，既要考慮裝置與榫頭的精準(zhǔn)定位，又要兼顧裝置與工作臺(tái)的精確固定。

葉身的數(shù)控加工，順序在葉片的精密鍛造之后，加工余量小，精度要求高。定位裝置與燕尾型榫頭的剛性?shī)A緊，既要嚴(yán)絲合縫，又要避免接觸受損。設(shè)計(jì)定位裝置時(shí)，為保證加工對(duì)夾緊裝置的高性能、高可靠性要求，盡量選用合適的材質(zhì)，采用自動(dòng)定位找正，避免榫頭因?yàn)檠b置的夾緊產(chǎn)生過(guò)大的裝夾應(yīng)力。加工過(guò)程中，為了保證葉片不會(huì)過(guò)早出現(xiàn)疲勞裂紋，葉身表面振動(dòng)應(yīng)力最大區(qū)域的拋光和噴丸效果要好[2]。

2 技術(shù)參數(shù)及總體結(jié)構(gòu)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一般為精密鍛造件，再采用數(shù)控銑削去除余量。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子某葉片為例，成品葉片的榫頭尺寸約為80 mm×30 mm×40 mm，其中，高壓轉(zhuǎn)子1～3級(jí)的葉片榫頭為典型的燕尾型榫齒結(jié)構(gòu)。零件材料為鈦合金 TA11，硬度為HB(d)=3.2～3.7，葉身最大高度約100 mm，榫頭最大長(zhǎng)度為約45 mm，寬度約25 mm。葉身前后緣6 mm，內(nèi)輪廓度0.08 mm，其余型面輪廓度0.12 mm。燕尾型榫齒工作面輪廓公差0.007 mm，要求精度高，加工難度大。通過(guò)對(duì)葉片及燕尾型榫頭的尺寸進(jìn)行測(cè)算，結(jié)合五軸加工中心工作臺(tái)的空間位置，確定該高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片燕尾榫頭定位裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)

2.2 總體結(jié)構(gòu)及組成

本定位裝置采用箱式結(jié)構(gòu)，一共設(shè)計(jì)了6種10個(gè)元件，如圖2所示，包括法蘭盤(pán)底座、固定型芯、定位塊、壓緊塊、緊定螺釘(5個(gè))和圓墊片。

2.3 各組件作用

法蘭盤(pán)底座為承力件，連接機(jī)床和葉片；固定型芯為拉緊葉片緣板固定在法蘭盤(pán)底座上；定位塊確定榫頭在回轉(zhuǎn)半徑的位置；壓緊塊和圓形墊片一起將榫頭壓緊在底座上；圓形墊片自動(dòng)調(diào)節(jié)壓緊面與榫頭側(cè)面平行。

3 技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)施路徑

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

(1)定位精度高。定位裝置采用了葉片緣板底面、側(cè)面和榫頭側(cè)面定位的方式，定位精度高。

(2)夾緊精度高。由于裝置的制造和裝配精度較高，夾具的材料硬度不高于被加工工件的硬度，裝夾時(shí)不容易損傷工件。

(3)裝夾效率高。采用專(zhuān)用夾具對(duì)葉片燕尾型榫頭進(jìn)行裝夾，可適應(yīng)多種規(guī)格的榫頭，安全省力，節(jié)約裝夾和取件的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 夾緊原理

從定位裝置的設(shè)計(jì)原理可知，夾緊一個(gè)剛件需要限制其6個(gè)自由度。包括沿3個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸作直線運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)低副自由度，以及繞這3個(gè)坐標(biāo)軸的自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)高副自由度。法蘭盤(pán)底座、固定型芯和定位塊完全限制了轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、水平自由度、垂直自由度，工件在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了完全定位。從夾緊工件的受力分析可知，工件的夾緊力設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確定固定型芯與定位塊的結(jié)構(gòu)及尺寸。要想將工件固定在夾緊裝置上，需要向左、向右和向下3個(gè)方向的力分別限制葉片榫頭垂直方向及水平方向的位移。為保證葉身定位準(zhǔn)確，垂直分力應(yīng)大于水平分力。盡量避免應(yīng)力集中，保證榫頭不在葉身受損前發(fā)生斷裂。

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本定位裝置作的夾緊做進(jìn)一步描述。定位裝置的裝配如圖3所示，夾持葉片榫頭的裝配如圖4所示。

如圖3所示，下端法蘭盤(pán)底座為本實(shí)施例與機(jī)床工作臺(tái)之間的連接件，法蘭盤(pán)底座的底板上有孔，可以用螺栓把法蘭盤(pán)底座固定在加工中心工作臺(tái)上。法蘭盤(pán)上部有內(nèi)腔、凸臺(tái)、螺紋孔和避空槽，內(nèi)腔用來(lái)盛放固定型芯，凸臺(tái)用來(lái)與定位塊和壓緊塊配合使用，法蘭盤(pán)上部分布的5個(gè)螺紋孔用來(lái)固定和定位夾具之間的零件。固定型芯放置在法蘭盤(pán)的座腔內(nèi)，剛好盛放和支撐葉片榫頭。型芯的凹槽與葉片榫頭的外形一致，葉片榫頭的頭部和兩側(cè)面與型芯的凹槽接觸，葉片緣板由法蘭盤(pán)支撐。

如圖4所示，由于該葉片的葉身較長(zhǎng)、厚度又薄，葉身向上呈自由狀態(tài)，固定型芯的凹槽面結(jié)構(gòu)與葉片榫頭的輪廓形狀一致。將待加工的葉片放置在固定型芯準(zhǔn)確的位置后，使用定位塊對(duì)葉片榫頭進(jìn)行定位，防止榫頭的側(cè)向位移，使用壓緊塊將榫頭固定好，不發(fā)生竄動(dòng)。定位塊位于所述法蘭盤(pán)頭部的一端凸臺(tái)，壓緊塊位于所述法蘭盤(pán)頭部的另一端凸臺(tái)。定位塊、壓緊塊與法蘭盤(pán)、固定型芯形成緊密的配合，四者之間通過(guò)緊定螺釘進(jìn)行固定。定位螺釘和圓墊圈在裝置內(nèi)部，其作用是通過(guò)法蘭盤(pán)上的螺紋孔，調(diào)整葉片榫頭與定位塊和壓緊塊之間的間隙，使夾具夾緊工件。

3.3 定位精度分析

從定位裝置的設(shè)計(jì)原理可知，加工葉身和緣板上表面時(shí)由整個(gè)緣板承受切削力，緣板剛性好，承載能力強(qiáng)有利于高效率加工。本裝置屬于精密夾具，制造精度高，可以通過(guò)三坐標(biāo)等精密檢測(cè)來(lái)補(bǔ)償本裝置制造誤差。所以主要誤差來(lái)自于榫頭和緣板輪廓誤差，常見(jiàn)設(shè)計(jì)要求一般榫頭和緣板的輪廓度為0.02 mm，所以葉片安裝在本定位裝置上沿葉片豎直軸有0.02 mm移動(dòng)量。對(duì)葉片輪廓來(lái)說(shuō)，通常葉片彎曲程度不大于20°，最大誤差為0.02×sin20°=0.006 8 mm。對(duì)緣板上表面來(lái)講，由于緣板上下面平行，最大誤差為0.02 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

高速化、高精度、高效率是數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。隨著自動(dòng)化加工技術(shù)的快速發(fā)展，精鍛葉片機(jī)械加工精密定位及裝夾技術(shù)研制已經(jīng)成為航空制造領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。本夾具設(shè)計(jì)技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片燕尾榫頭用機(jī)械式定位夾具，主要用在對(duì)葉片進(jìn)行精銑加工(余量0.5～1 mm)。該夾具的夾槽內(nèi)腔形狀與榫頭的外形一致，能很好地穩(wěn)定榫頭。該夾具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本約為1萬(wàn)元，比起葉片的加工成本，算是比較經(jīng)濟(jì)的。采用這種夾具加工葉片不僅能縮短加工周期，還能保證加工時(shí)曲面定位的精確性和穩(wěn)定性，可適應(yīng)多種尺寸規(guī)格的榫頭，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。通過(guò)對(duì)該高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片燕尾榫頭定位裝置的幾何參數(shù)和力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的計(jì)算分析，證明該夾具設(shè)計(jì)方案是可行的[3]。本方案已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并取得了較好的效果，對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品加工企業(yè)和操作人員有一定的借鑒作用。