CN104400594B - 一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，采用机匣焊缝砂带磨床，利用机匣零件端面、安装边的外圆或内孔定位将机匣安装固定在机床工作回转台上的专用夹具上；磨削路线为磨头沿焊缝曲线的切线方向，启动磨床，驱动砂带磨头运转，使砂带磨头接触轮上的砂带紧贴在机匣的环形焊缝上，驱动电机带动机匣运转，同时启动吸尘装置，实现对机匣焊缝的连续磨削，采用机匣焊缝砂带磨床，完成燃烧室机匣零件电子束焊缝的自动磨削，解决了航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝呈非圆空间曲面且非等高分布在机匣基体表面上的加工难题。

Description

一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法。

背景技术

航空发动机机匣是在高温、高负荷下工作，承受着由气体力、惯性力产生的静载荷和振动负荷，还受到热应力和热腐蚀的作用，是发动机的主要承力件。通常是由若干段镍基高温合金材料的薄壁圆柱形或圆锥形钣料与机械加工环件采用电子束焊焊接而成，焊接后的机匣变形，圆度小于2.5mm，致使电子束焊缝成空间曲线非等高分布在机匣的基体表面上。需经过高质量的打磨才能符合设计要求。由于制造机匣的材料镍基高温合金硬度高，线膨胀系数小，而且焊缝打磨的主要工作量在机匣圆环的内侧完成，这给焊缝打磨带来了很大难度，对现有的手工打磨方式提出了严重挑战。

目前，航空发动机机匣焊缝的打磨方式主要采用手工打磨。磨削过程需人力手动转动零件，用角磨机先对机匣焊缝处进行粗打磨，然后用抛光轮进行抛光，整个打磨过程断断续续。而且抛修去除余量的过程中，角磨机切入焊缝的角度和方向也是随机的，导致焊缝残留余高不均匀。同时，手工打磨后焊缝的表面质量一致性差，存在焊缝表面烧伤现象，而且打磨过程中角磨机容易与机匣基体发生干涉，伤及机匣基体表面。航空发动机机匣多采用镍基高温合金制造，焊缝部位硬度高，而且打磨工作主要在内侧完成，劳动强度大。加工效率低，手工抛修1件机匣需10个小时。手工打磨噪声大，产生的大量粉尘，对工人的身体造成伤害，同时污染环境。

传统手工打磨方式作业环境恶劣、粉尘污染严重，且打磨效率低、劳动强度大，打磨后焊缝处的表面质量稳定性差，不能满足新型发动机大批量的生产制造任务要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，降低劳动强度，改善作业环境，提高机匣焊缝表面质量和加工精度，缩短抛修时间，提升机匣的快速制造水平。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，包括以下步骤：

步骤1、选用设备：采用机匣焊缝砂带磨床，机床设有A轴、B轴、X轴、Z轴四个驱动轴和一个砂带磨头主轴；A轴为回转台结构，由电机驱动连续回转，X轴为调整磨头沿机匣半径方向移动的轴，Z轴为调整磨头沿机匣轴线方向移动的轴；B轴为驱动砂带磨头在一定角度范围内摆动的轴，采用伺服电机驱动；砂带磨头安装在B轴上，砂带安装在砂带磨头的接触轮上，电机通过皮带传动机构带动砂带磨头主轴高速旋转从而带动砂带高速旋转，实现对焊缝的磨削。

步骤2、零件定位装夹：利用机匣零件端面、安装边的外圆或内孔定位，通过安装在机床回转台上的夹具将机匣安装固定在机床的回转台上，并确保机匣中心与机床回转台中心重合；

步骤3、设定磨削加工参数及磨削路线：磨削路线为磨头沿焊缝曲面的切线方向，磨头在焊缝曲面上的磨削起点为曲面上任意点；

步骤4、编制磨削程序，磨削加工：启动磨床，驱动砂带磨头运转，使砂带磨头接触轮上的砂带紧贴在机匣的环形焊缝上，驱动电机带动机匣运转，同时启动吸尘装置，实现对机匣焊缝的连续磨削。

作为本发明的进一步优选方案，所述机床上安装有压力控制机构，砂带磨头上安装有限位装置，通过压力控制机构和限位装置控制磨削压力使砂带磨头接触轮上的砂带始终与焊缝保持弹性接触，实现对不同磨削部位磨削量的控制。

作为本发明的进一步优选方案，在磨削镍基高温合金机匣时，所用砂带为陶瓷或金刚石材质的砂带。

作为本发明的进一步优选方案，在磨削镍基高温合金机匣时，选用砂带宽度为12～15mm，砂粒的粒度为60#～120#；砂带旋转速度V1＝1200～2000r/min，工件旋转速度V2＝15～35r/min；磨削压力P＝0.06～0.13MPa。

本发明通过分析机匣焊接组合件的结构及设计特点，提出了一种适用于航空发动机燃烧室机匣电子束焊缝的自动磨削方法，针对现采用手工打磨存在的问题，利用机匣端面和安装边定位装夹在专用夹具上，采用机匣焊缝砂带磨床，完成燃烧室机匣零件电子束焊缝的自动磨削，解决了航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝非圆分布在机匣基体表面上的加工难题。

进一步，砂带磨削过程中，通过限位装置使磨头接触轮始终与焊缝保持弹性接触，通过砂带磨头接触轮与焊缝之间的接触压力的精确控制，实现航空发动机弱刚性机匣焊道的余量去除，保证良好的加工尺寸精度和表面质量，保证焊缝等高分布在基体上。

附图说明

图1是燃烧室机匣结构及焊缝细节示意图；

图2是焊缝I处的局部放大图；

图3是焊缝II处的局部放大图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明采用的机匣焊缝砂带磨床是专门针对机匣搭接或对接焊缝余高磨削设计开发的专用机匣焊缝砂带磨床。该机床采用数控系统控制，设有四个驱动轴及一个砂带磨头主轴。四个驱动轴分别为：A轴(回转轴)、B轴(磨头摆动轴)、X轴(平行机匣直径方向的轴)及Z轴(平行于机匣轴线方向的轴)。

A轴：采用专用回转台结构形式，电机驱动转台连续回转。将待加工机匣直接安装固定在回转台上，或采用专用工装安装固定在回转台上，启动驱动机构即可带动机匣旋转，通过砂带磨头即可完成机匣圆周面上整条焊缝的磨削。

B轴：B轴主要功能是驱动磨头在一定角度范围内摆动，以满足磨头在机匣锥面上进行磨削时，砂带能很好地与机匣面进行贴合。B轴采用伺服电机驱动，可根据设定的机匣角度将磨头旋转到需要的角度对机匣锥面进行磨削加工。

X轴：由滑板、直线导轨、滚珠丝杆、伺服驱动机构等组成。磨头安装在滑板上，伺服驱动机构驱动下可带动磨头沿机匣半径方向移动。当磨削机匣不同截面的焊缝时，若不同截面半径发生变化需通过X轴调节磨头在机匣半径方向的位置。

Z轴：由滑板、直线导轨、滚珠丝杆、伺服驱动机构等组成。磨头及X轴安装在Z轴滑板上，伺服驱动机构驱动下可带动磨头沿机匣轴线方向移动。当磨削机匣不同截面的焊缝时，需通过Z轴调节磨头在机匣轴线方向的位置，以达到所需磨削的位置。

砂带磨头：砂带磨头安装在B轴摆动机构上。由砂带接触轮、砂带恒压力浮动机构、主轴、皮带传动机构、电机、砂带等组成。砂带安装在砂带接触轮上，电机通过皮带传动机构带动主轴高速旋转从而带动带高速旋转，及可对焊缝进行磨削。砂带恒压力浮动机构是该设备的核心功能部件，由磨头退让机构、压力控制机构等组成，当所磨削工件不圆或与理论型线有差异时，该机构可根据被加工工件实际型线进行自动补偿，以达到最佳的磨削效果，其最大补偿量可达到±5mm。

所述机床上安装有压力控制机构，砂带磨头上安装有限位装置，使得砂带磨头具有自动跟踪和随形磨削功能，通过机床的压力控制机构精确控制磨削压力，使砂带磨头接触轮上的砂带始终与焊缝保持弹性接触，实现对不同磨削部位磨削量的控制，使磨削后的焊缝表面与机匣表面的余量等高；通过砂带磨头上的限位装置，确保磨削过程不伤及机匣基体，实现机匣焊缝非圆空间曲面的连续自动磨削。

以上措施能很好的确保磨削过程中精确的控制磨削量、能很好的跟踪工件型面以补偿工件的自身变形、还能有效防止磨削过程不磨到工件母材。

该机构由磨头退让机构、压力控制机构以及磨头自重消除装置等组成，其主要优势在于：一方面保证磨削工件不圆或与理论形线有差异时，可根据被加工工件实际型线进行自动跟踪，以达到最佳的磨削效果，其最大跟踪量可达到±5mm。

参见图1，本实施例是一种航空发动机弱刚性燃烧室机匣电子束焊缝自动磨削方法需要磨削的机匣焊缝剖面图。

燃烧室机匣结构特点及磨削技术条件：

结构特点：燃烧室机匣由四个零件采用电子束焊接组成，零件材料为GH4169，焊接后零件变形，椭圆度小于2.5mm。燃烧室机匣零件结构及焊缝细节示意图如图1所示。

磨削技术条件：如图2和图3，打磨环形焊缝Ⅰ、Ⅱ内侧，打磨区域宽约3mm，打磨时要求尽量与基体平齐，未与基体平齐区域应圆滑转接，壁厚不小于1.6mm，不能损伤零件表面。打磨环形焊缝Ⅲ处内、外两侧，打磨区域宽约3mm，打磨时要求尽量与机体齐平，未与机体齐平区域应圆滑转接，壁厚不小于3mm，不能损伤零件表面。

采用本发明操作过程是：

1、设备选用上述专用机匣焊缝磨削机床；

2、零件装夹定位：利用航空发动机燃烧室机匣零件端面、安装边的外圆定位，通过安装在机床回转台的气动四爪卡盘将机匣安装固定在机匣焊缝砂带磨床转台上。

3、设定磨削加工参数：

3.1采用单轮磨头，砂带选用陶瓷砂带，砂带宽度为15mm，砂粒的粒度为60#；

3.2砂带线速度V₁＝24m/s,工作台(A轴)转速V₂＝30r/min；

3.3设定磨削压力P＝0.09～0.10MPa(粗磨时P＝0.10MPa，精磨时P＝0.09MPa。)

3.4设定磨削路线：磨削路线为磨头沿焊缝曲线的切线方向，磨头在焊缝曲线上的磨削起点为曲线上任意点；

4、编制磨削程序：根据机匣零件的设计尺寸，结合上述磨削加工参数编制磨削程序；

5、对刀：启动机床，根据机匣零件需磨削焊缝的位置，调整机床磨头在X轴、Z轴的直线坐标位置，以及B轴的偏摆角度，确保磨头上的砂带与需磨削焊缝平行，确定机匣焊缝处于正确的磨削位置；

6、磨削加工：启动磨床，驱动磨头运转，使磨头的接触轮将砂带抵压在机匣的环形焊缝上。驱动电机带动机匣运转，同时启动吸尘装置，便可实现对机匣焊缝得磨削。

磨削后效果：磨削过程不造成机匣基体的磨损，磨削后焊缝表面光滑且与基体圆滑转接，焊缝厚度满足设计技术条件。原手工抛修1件需10小时，现采用自动磨削1仅需1小时，大大提高生产效率。

本发明的弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，将机匣零件安装在磨床工作台上，工作台转动(A轴)带动机匣零件旋转，可实现零件焊缝的连续磨削。砂带磨头沿焊缝曲线的切线方向切入。自动磨削后的焊缝残留余高均匀、焊缝表面质量一致好，通过合理控制磨削工艺参数，杜绝了焊缝表面的烧伤。合理设定磨削路线、编制磨削程序，有效避免了磨削过程中与机匣基体发生干涉，伤及机匣基体表面。而且，加工效率高，自动磨削1件机匣需1个小时，低了工人的劳动强度，改善了作业环境，实现了机匣焊缝的加工从依赖“手工技艺”到“自动磨削”的技术飞跃。

Claims (4)

1.一种航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、选用设备：采用机匣焊缝砂带磨床，机床设有A轴、B轴、X轴、Z轴四个驱动轴和一个砂带磨头主轴；A轴为回转台结构，由电机驱动连续回转，X轴为调整磨头沿机匣半径方向移动的轴，Z轴为调整磨头沿机匣轴线方向移动的轴；B轴为驱动砂带磨头在一定角度范围内摆动的轴，采用伺服电机驱动；砂带磨头安装在B轴上，砂带安装在砂带磨头的接触轮上，电机通过皮带传动机构带动砂带磨头主轴高速旋转从而带动砂带高速旋转，实现对焊缝的磨削；

步骤2、零件定位装夹：利用机匣零件端面、安装边的外圆或内孔定位，通过安装在机床回转台上的夹具将机匣安装固定在机床的回转台上，并确保机匣中心与机床回转台中心重合；

步骤3、设定磨削加工参数及磨削路线：磨削路线为磨头沿焊缝曲面的切线方向，磨头在焊缝曲面上的磨削起点为曲面上任意点；

步骤4、编制磨削程序，磨削加工：启动磨床，驱动砂带磨头运转，使砂带磨头接触轮上的砂带紧贴在机匣的环形焊缝上，驱动电机带动机匣运转，同时启动吸尘装置，实现对机匣焊缝的连续磨削。

2.根据权利要求1所述的航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，其特征在于：所述机床上安装有压力控制机构，砂带磨头上安装有限位装置，通过压力控制机构和限位装置控制磨削压力使砂带磨头接触轮上的砂带始终与焊缝保持弹性接触，实现对不同磨削部位磨削量的控制。

3.根据权利要求1所述的航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，其特征在于：在磨削镍基高温合金机匣时，所用砂带为陶瓷或金刚石材质的砂带。

4.根据权利要求1所述的航空发动机弱刚性机匣电子束焊缝自动磨削方法，其特征在于：在磨削镍基高温合金机匣时，选用砂带宽度为12～15mm，砂粒的粒度为60#～120#；砂带旋转速度V1＝1200～2000r/min，工件旋转速度V2＝15～35r/min；磨削压力P＝0.06～0.13MPa。