葉片型面多自由度數(shù)控化成型裝置設(shè)計

李翊萌 郭浩男 蘭亮云

摘? 要：文章介紹了現(xiàn)有航空發(fā)動機(jī)葉片型面成型裝置在實際使用存在的問題，論述了進(jìn)行葉片型面多自由度數(shù)字化成型裝置設(shè)計過程，包括葉片成型裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片成型單元控制結(jié)構(gòu)設(shè)計、葉片夾持運(yùn)動單元結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容，最終設(shè)計完成了可實現(xiàn)葉片和模具之間的多自由度調(diào)整功能和數(shù)字化控制的成型裝置。

關(guān)鍵詞：成型裝置;多自由度調(diào)整;數(shù)字化控制

中圖分類號：V263? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0036-03

Abstract： This paper introduces the problems existing in the practical use of the existing aero-engine blade surface forming device， and discusses the design process of the blade surface multi-degree-of-freedom digital forming device， including the overall structure design of the blade forming device， the blade forming unit control structure design， the blade clamping motion unit structure design and so on. Finally， the forming device is designed and completed， which can realize the multi-degree-of-freedom adjustment function and digital control between the blade and the mold.

Keywords： forming device; multi-degree-of-freedom adjustment; digital control

航空發(fā)動機(jī)葉片制造技術(shù)是透平機(jī)械制造業(yè)中最復(fù)雜的技術(shù)之一，其中精密冷輥軋技術(shù)是目前現(xiàn)有加工工藝方法中效率最高、成本最低的葉片型面加工技術(shù)，更重要的是可使葉片的機(jī)械性能、產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能得到提高，有利于葉片材料潛在性能的發(fā)揮。因此，這項技術(shù)得到世界上航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)的高度重視。

目前，制約葉片輥軋技術(shù)發(fā)展的最重要的因素就是葉片軋制成型精度較低、分散度大。隨著輥軋模具設(shè)計制造水平和軋制坯料精度的提高，葉片軋制精度的得到相應(yīng)提升，但軋制所使用的設(shè)備狀態(tài)未獲得改進(jìn)和提升，成為影響葉片軋制成型精度提升的重要障礙。

1 原有成型裝置存在問題分析

在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)中，中國航發(fā)黎明、東安、南方動力等公司都在采用精密冷輥軋成型工藝[1]進(jìn)行葉片生產(chǎn)，上述公司所使用的設(shè)備中最先進(jìn)的也僅僅是仿制前蘇聯(lián)上世紀(jì)七十年代BC-100M型輥軋機(jī)的JQ16、JQ71型輥軋機(jī)，見圖1所示。

JQ71型軋機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器系統(tǒng)構(gòu)成。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動簡單，具有良好的剛性，故障率低。JQ71型軋機(jī)由液壓系統(tǒng)帶動機(jī)械系統(tǒng)工作，液壓系統(tǒng)的工作由電器控制，電器系統(tǒng)的指令來源于人工按鍵和機(jī)械系統(tǒng)觸發(fā)行程開關(guān)。各系統(tǒng)控制精度低、狀態(tài)不穩(wěn)定、無閉環(huán)反饋。軋機(jī)在使用過程中存在的以下問題：

上下軋輥軸轉(zhuǎn)動同步性受軋制過盈量影響較大[2]，易造成葉片盆背型面相對錯移;

在軋制過程中，模具在葉片上的咬入位置不準(zhǔn)確，易造成葉型相對基準(zhǔn)位置產(chǎn)生偏差;

在葉片軋制過程中，葉片和輥軋模具運(yùn)動速度不可調(diào)整，葉片處于拉伸或壓縮狀態(tài)，影響成型精度;

葉片與軋模之間三個自由度依靠手動調(diào)整，精度低，剩余三個自由度要依靠更換工裝進(jìn)行調(diào)整;

葉片軋制狀態(tài)受液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)的影響大。

2 葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過吸收、借鑒JQ71型軋機(jī)的設(shè)計經(jīng)驗，重新進(jìn)行葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計過程中重點解決JQ71型軋機(jī)在使用過程中暴露出的問題，應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計理念和先進(jìn)技術(shù)，滿足葉片成型裝置功能需求。

將葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計為兩個相對獨立的結(jié)構(gòu)單元，即葉片成型單元和葉片夾持運(yùn)動單元。兩個單元在結(jié)構(gòu)上相對獨立，有利于獲得較高的制造精度、合理的結(jié)構(gòu)布局，利于安裝、調(diào)試及日常維護(hù)維修。

兩個結(jié)構(gòu)單元在功能上實現(xiàn)相互承接，葉片成型單元主要承擔(dān)軋輥軸的安裝固定、運(yùn)動控制和位置調(diào)整等功能。葉片夾持運(yùn)動單元主要實現(xiàn)葉片夾持、葉片軋制運(yùn)動和葉片六個自由度調(diào)整功能。

兩個結(jié)構(gòu)單元在葉片成型過程中，依據(jù)成型裝置的控制系統(tǒng)所發(fā)出具體操作指令，緊密配合完成葉片型面成型過程。

采用兩個結(jié)構(gòu)單元的模式進(jìn)行設(shè)計，可以對原有軋制的運(yùn)動方式進(jìn)行改進(jìn)和完善。JQ71型軋機(jī)軋制初始階段，葉片和軋模同時運(yùn)動，在相對運(yùn)動中完成葉片咬入，導(dǎo)致咬入過程不準(zhǔn)確。改進(jìn)后葉片由葉片夾持運(yùn)動單元送至固定位置，等待模具的穩(wěn)定咬入和軋制，進(jìn)而解決葉片軋制咬入不穩(wěn)定的問題。成型裝置結(jié)構(gòu)見圖2所示。

3 葉片成型單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉片成型單元用于葉片的型面成型，輥軋模具安裝在上下軋輥軸上，上下軋輥軸同向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行葉片的成型。為了滿足葉片的成型要求，葉片成型單元需要具備以下的功能：

克服葉片成型過程中所產(chǎn)生的變形力，保證成型裝置具有足夠的剛性。

具備上、下軋輥相對位置的調(diào)整功能（沿軋輥軸中心軸向方向）。

具備軋制過盈量的調(diào)整功能（上、下軋輥軸中心距的調(diào)整）。

具備軋輥軸旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整功能。

針對上述所需實現(xiàn)的功能，所開展設(shè)計的工作主要包括：上下軋輥軸尺寸與軸向調(diào)整方式的設(shè)計、上下支撐輥軸尺寸與轉(zhuǎn)動方式的設(shè)計、下軋輥軸與下支撐輥軸沿兩軸中心線方向的移動方式設(shè)計以及葉片成型單元框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。

在上述設(shè)計過程開始前，首先要確定葉片成型裝置所成型葉片的尺寸范圍和材料，確定葉片成型過程中所產(chǎn)生的變形力，同時沿用JQ71型軋機(jī)上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸，以此做為設(shè)計基礎(chǔ)。按照由內(nèi)向外的設(shè)計過程逐層依次進(jìn)行設(shè)計。

首先，根據(jù)軋制變形力計算出上下支撐輥兩端軸承尺寸及支撐輥軸的直徑，支撐輥上安裝有一對齒輪，齒輪與上下軋輥軸的齒輪相嚙合，將扭矩傳遞給上下軋輥軸，上下軋輥軸將所承擔(dān)的葉片變形力傳遞給上下支撐輥，上下支撐輥并通過兩端軸承傳遞給葉片成型單元的框架，上下支撐輥的一端連接著使上下支撐輥轉(zhuǎn)動的液壓油缸機(jī)構(gòu)。

上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸沿用JQ71型軋機(jī)，上下軋輥軸的兩端安裝著與上下支撐輥軸相同模數(shù)的一對齒輪、轉(zhuǎn)動軸承和止推端蓋。上、下軋輥沿軋輥軸中心軸向方向的調(diào)整則通過止推端蓋兩端的楔鐵插入和拔出來實現(xiàn)。軋輥軸與支撐輥之間的關(guān)系見圖3所示。

葉片成型單元安裝完成后，上軋輥軸和上支撐輥通過框架和軸輥兩端的軸承保持沿兩軸中心連線的方向上的確定位置，對于軋制過盈量的調(diào)整功能是通過下楔鐵的移動來調(diào)整下軋輥和下支撐輥的位置來實現(xiàn)。

4 葉片夾持運(yùn)動單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

葉片夾持運(yùn)動單元主要功能是實現(xiàn)葉片夾持、葉片軋制運(yùn)動和葉片六個自由度調(diào)整功能。對于不同結(jié)構(gòu)的葉片，其裝夾定位的方式也存在差異，這就需要配備專門的夾持工具[3]，在葉片夾持運(yùn)動單元設(shè)計時預(yù)留出安裝夾持工具接口。

葉片的軋制運(yùn)動是葉片在軋制過程中，葉片夾持運(yùn)動單元在成型裝置的控制系統(tǒng)的控制下，沿著垂直于軋輥中心線的方向以規(guī)定的速度進(jìn)行運(yùn)動，完成葉片的軋制過程。

葉片六個自由度調(diào)整功能是葉片夾持運(yùn)動單元設(shè)計的重點。首先是X、Y、Z三個自由度的位置調(diào)整，這個調(diào)整是通過三組直線導(dǎo)軌、螺桿機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)。直線導(dǎo)軌用于實現(xiàn)葉片夾持運(yùn)動單元的導(dǎo)向，螺桿機(jī)構(gòu)是將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化葉片夾持單元的直線運(yùn)動，運(yùn)動的速度依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度來控制，移動量則依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)來控制。平動調(diào)整機(jī)構(gòu)見圖4所示。

對于繞X、Y、Z三個方向轉(zhuǎn)動的調(diào)整功能是通過三組渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)的，移動量則依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動圈數(shù)來控制。此外，為了保證運(yùn)動精度，在葉片夾持單元設(shè)有相應(yīng)的傳感器，用于修正運(yùn)動誤差，實現(xiàn)閉環(huán)反饋。轉(zhuǎn)動調(diào)整結(jié)構(gòu)見圖5所示。

5 結(jié)束語

在葉片型面多自由度數(shù)控化輥軋成型裝置設(shè)計過程中，分析和借鑒JQ71型輥軋機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和存在的缺陷，嘗試采用單元模塊化設(shè)計，對于運(yùn)動過程采用數(shù)字化控制，并進(jìn)行多自由度調(diào)整功能的設(shè)計，在運(yùn)動部位設(shè)有相應(yīng)的傳感器，用于修正運(yùn)動誤差，實現(xiàn)閉環(huán)反饋，提升輥軋成型裝置的精度和功能，有利于提升葉片冷輥軋精度水平。

參考文獻(xiàn)：

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