CN104440214A - 一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法，解决无余量空心高压涡轮工作叶片定位问题，所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置构成如下：测具底座(1)、叶片叶身定位件(2)、叶片缘板定位件(3)、叶片榫头定位件(4)、榫头定位支撑件(5)、榫头锁紧装置(6)和叶身锁紧装置(7)；所述叶片叶身定位件(2)、叶片缘板定位件(3)、叶片榫头定位件(4)、榫头定位支撑件(5)、榫头锁紧装置(6)和叶身锁紧装置(7)位于作为整个定位装置支撑基础的测具底座(1)上侧，所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法提高了高压涡轮工作叶片的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及定位装置的结构设计和应用技术领域，特别提供了一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法。
背景技术
目前国内叶片主要采用在叶身、缘板或混合取点的六点定位方式进行加工。该无余量空心叶片叶身中心与榫头中心位置度公差0.16mm，叶身型面公差0.26mm，而加工后榫齿理论壁厚值为0.825mm，设计要求最小值为0.75mm，仅有0.075mm的公差。通过叶身定位的方式进行制造，可以满足叶身型面和叶身壁厚值的要求，但是难以兼顾叶片榫头的尺寸；同时由于型面公差和叶身与榫头中心位置的公差都大于榫齿壁厚值的公差，加之铸造叶片型芯位置的定位公差，导致叶片加工后榫齿壁厚值大量超差，无法满足设计要求。
人们迫切希望获得一种技术效果优良的无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法，解决无余量空心高压涡轮工作叶片定位问题，生产出合格的高精度叶片类铸件。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置构成如下：测具底座1、叶片叶身定位件2、叶片缘板定位件3、叶片榫头定位件4、榫头定位支撑件5、榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7；所述叶片叶身定位件2、叶片缘板定位件3、叶片榫头定位件4、榫头定位支撑件5、榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7位于作为整个定位装置支撑基础的测具底座1上侧，所述叶片叶身定位件2包括叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23，所述叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23与叶片接触处均为线结构，叶片下侧位于叶片叶身定位件Ⅰ21和叶片叶身定位件Ⅱ22的线结构上，叶片上侧位于叶片叶身定位件Ⅲ23线结构下，所述叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23的三个支点位置相互关联，可确定叶身复杂曲面位置，并由叶身锁紧装置7进行锁紧和固定；所述叶片缘板定位件3包括：叶片缘板定位底座31和球头32；所述球头32为半球状结构，所述球头32位于叶片缘板定位底座31上，所述叶片缘板与球头32为点接触，述所述叶片缘板定位件3位于整个工装的中心部分，主要保证叶片发动机中心方向定位关系；所述叶身锁紧装置7的一端为锥状结构，叶身锁紧装置7位于叶片叶身定位件Ⅰ21和叶片叶身定位件Ⅱ22之间，优选的，叶身锁紧装置7靠近叶片叶身定位件Ⅰ21，远离叶片叶身定位件Ⅱ22，
所述榫头定位支撑件5连接于测具底座1上侧一端，叶片榫头定位件4位于榫头定位支撑件5上，所述叶片榫头定位件4的数量为2个，叶片榫头定位件4靠近叶片缘板定位件3的一端为锥状结构，另一端为弹簧结构，弹簧结构与榫头定位支撑件5相连接并存在其内腔中，叶片榫头定位件4的锥状结构与叶片在榫头顶部沿其中心线呈镜像对称开设的凹槽结构为点接触，所述叶片榫头定位件4的中心线处于榫头中心面上，榫头锁紧装置6位于榫头定位支撑件5上，且榫头锁紧装置6与叶片榫头定位件4相关联；具体为榫头锁紧装置6通过螺纹的旋紧与放松来限制叶片榫头定位件4的行程，整个测具可有效固定叶片，便于加工制造。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置选取的定位结构制作材料均为耐磨损、高硬度、高光洁面的不锈钢材料。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位方法，采用所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置进行定位，步骤如下：
①在所述空心高压涡轮工作叶片的榫头顶部开设一个凹槽结构，所述凹槽结构沿其中心线呈镜像对称；凹槽结构的两个定位面的夹角为15°—45°；
②旋开榫头锁紧装置6，使叶片榫头定位件4可在榫头定位支撑件5中前后移动，旋开叶身锁紧装置7；
③将空心高压涡轮工作叶片8放置在测具底座1上，分别紧靠叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22、叶片叶身定位件Ⅲ23的叶片叶身定位头和叶片缘板定位件3的叶片缘板定位头，保证叶片与叶片叶身定位头和叶片缘板定位头间没有间隙；
④旋开榫头锁紧装置6利用弹簧原理将叶片榫头定位件4一端的锥状结构自动插入榫头顶部开设一个凹槽结构两个定位面夹角中，定位面与叶片榫头定位件4接触范围宽度为1mm—2.5mm，调整榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7进行锁紧，将叶片锁死定位。
之后按照要求进行铸造加工，直到满足最终要求为止。其中榫头定位点注意放置和锁紧位置。根据叶片尺寸较小，叶片底部通腔结构尺寸较小的特点，故选取定位结构时应充分考虑叶片定位接触面积、及选用制作定位结构的材料、形状、尺寸等。
所述待加工高压涡轮工作叶片，整体尺寸较小，叶身薄，型芯不仅带有扰流柱孔状且内腔结构较为复杂，弦宽小，扭转大，带有扰流注和排气缝。叶片为非等壁厚叶片，排气边带排气缝且最小壁厚值仅为0.4mm，叶片弦宽值不足30mm，其内部却分为四个空腔；除缘板四个端面和榫头部位榫齿加工外其余均为无余量铸造，表面粗糙度要求Ra≤1.6，叶身三个型面公差为0.26mm，缘板上四个测量点有效控制缘板型面位置，轮廓度为不大于0.2mm，叶身中心与榫头中心位置公差为0.16mm，榫齿理论壁厚值为0.825mm，最小壁厚要求为0.75mm，公差仅为0.075mm，尺寸要求高。铸造过程中保证了叶身型面、叶身壁厚值的同时难以兼顾榫头加工后最小壁厚值，给铸造工艺带来了极大的挑战。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法根据叶片榫头尺寸要求精度极高的特点，采用以榫头中心六点定位生产叶片的方法，所述六点分别为叶片叶身定位头Ⅰ212、叶片叶身定位头Ⅱ222、叶片叶身定位头Ⅲ232和叶片缘板定位头Ⅱ32与叶片的接触点；叶片榫头定位件4的锥型结构与叶片榫头带凹槽结构相对应的中心。此六点定位方式可以有效控制叶片中心的偏摆和扭转，进而保证榫头最小壁厚尺寸。以榫头中心定位加工需要兼顾叶身测量截面是否干涉，同时针对叶片尺寸大小、叶身重量、及叶身截面尺寸要求等，需要选取合适的定位点进行锁紧。对于无余量空心叶片的铸造过程该技术方案满足了叶身和榫头中心较好的一致性，既保证了叶片榫头高精度尺寸，又有效的保证了叶身型面尺寸的要求。
所述高压涡轮工作叶片铸件采用了以榫头中心定位进行铸造加工的工艺方法，并在叶片型芯结构中直接带出定位工作面，由于叶片X、Y方向定位定在榫头中心，故需要设计出可以找到榫头中心的结构方可进行定位，根据叶片榫头榫齿非铸造直接成型，需机械加工特点，采用将定位点内置于叶片榫头中间，通过试验在中心内部嵌块、基准转换等方式，最终采用铸件带出小角度定位面进行球定位、锥定位的方法。
采用榫头中心定位制造叶片的方法，该叶片有效保证榫齿的壁厚精度，满足了对无余量叶片叶身、榫头中心一致性的要求，保证了铸造叶片的精度，打破了传统加工方法无法满足设计要求的僵局，提高了发动机使用性能，提高了无余量叶片工作效率，有效地节约了人力、物力和财力。更为其他叶片采用此种技术进行制造开创了先河。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法该项目突破常规、创造性的采用叶片榫头中心定位的加工方式，将生产叶片的基准由叶身转移到叶片的榫头中心，有效地解决了叶片榫齿壁厚难以达到要求、叶身中心与榫头中心不对称及扭转等问题，又能够保证叶片的型面尺寸和壁厚值。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为高压涡轮叶片铸件加工前示意图；
图2为高压涡轮叶片铸件加工后示意图；
图3为凹槽结构示意图；
图4为无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置示意图；
图5为无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置工作示意图。
具体实施方式
实施例1
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置构成如下：测具底座1、叶片叶身定位件2、叶片缘板定位件3、叶片榫头定位件4、榫头定位支撑件5、榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7；所述叶片叶身定位件2、叶片缘板定位件3、叶片榫头定位件4、榫头定位支撑件5、榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7位于作为整个定位装置支撑基础的测具底座1上侧，所述叶片叶身定位件2包括叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23，所述叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23与叶片接触处均为线结构，叶片下侧位于叶片叶身定位件Ⅰ21和叶片叶身定位件Ⅱ22的线结构上，叶片上侧位于叶片叶身定位件Ⅲ23线结构下，所述叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22和叶片叶身定位件Ⅲ23的三个支点位置相互关联，可确定叶身复杂曲面位置，并由叶身锁紧装置7进行锁紧和固定；所述叶片缘板定位件3包括：叶片缘板定位底座31和球头32；所述球头32为半球状结构，所述球头32位于叶片缘板定位底座31上，所述叶片缘板与球头32为点接触，述所述叶片缘板定位件3位于整个工装的中心部分，主要保证叶片发动机中心方向定位关系；所述叶身锁紧装置7的一端为锥状结构，叶身锁紧装置7位于叶片叶身定位件Ⅰ21和叶片叶身定位件Ⅱ22之间，优选的，叶身锁紧装置7靠近叶片叶身定位件Ⅰ21，远离叶片叶身定位件Ⅱ22，
所述榫头定位支撑件5连接于测具底座1上侧一端，叶片榫头定位件4位于榫头定位支撑件5上，所述叶片榫头定位件4的数量为2个，叶片榫头定位件4靠近叶片缘板定位件3的一端为锥状结构，另一端为弹簧结构，弹簧结构与榫头定位支撑件5相连接并存在其内腔中，叶片榫头定位件4的锥状结构与叶片在榫头顶部沿其中心线呈镜像对称开设的凹槽结构为点接触，所述叶片榫头定位件4的中心线处于榫头中心面上，榫头锁紧装置6位于榫头定位支撑件5上，且榫头锁紧装置6与叶片榫头定位件4相关联；具体为榫头锁紧装置6通过螺纹的旋紧与放松来限制叶片榫头定位件4的行程，整个测具可有效固定叶片，便于加工制造。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置选取的定位结构制作材料均为耐磨损、高硬度、高光洁面的不锈钢材料。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位方法，采用所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置进行定位，步骤如下：
①在所述空心高压涡轮工作叶片的榫头顶部开设一个凹槽结构，所述凹槽结构沿其中心线呈镜像对称；凹槽结构的两个定位面的夹角为15°—45°；
②旋开榫头锁紧装置6，使叶片榫头定位件4可在榫头定位支撑件5中前后移动，旋开叶身锁紧装置7；
③将空心高压涡轮工作叶片8放置在测具底座1上，分别紧靠叶片叶身定位件Ⅰ21、叶片叶身定位件Ⅱ22、叶片叶身定位件Ⅲ23的叶片叶身定位头和叶片缘板定位件3的叶片缘板定位头，保证叶片与叶片叶身定位头和叶片缘板定位头间没有间隙；
④旋开榫头锁紧装置6利用弹簧原理将叶片榫头定位件4一端的锥状结构自动插入榫头顶部开设一个凹槽结构两个定位面夹角中，定位面与叶片榫头定位件4接触范围宽度为1mm—2.5mm，调整榫头锁紧装置6和叶身锁紧装置7进行锁紧，将叶片锁死定位。
之后按照要求进行铸造加工，直到满足最终要求为止。其中榫头定位点注意放置和锁紧位置。根据叶片尺寸较小，叶片底部通腔结构尺寸较小的特点，故选取定位结构时应充分考虑叶片定位接触面积、及选用制作定位结构的材料、形状、尺寸等。
所述待加工高压涡轮工作叶片，整体尺寸较小，叶身薄，型芯不仅带有扰流柱孔状且内腔结构较为复杂，弦宽小，扭转大，带有扰流注和排气缝。叶片为非等壁厚叶片，排气边带排气缝且最小壁厚值仅为0.4mm，叶片弦宽值不足30mm，其内部却分为四个空腔；除缘板四个端面和榫头部位榫齿加工外其余均为无余量铸造，表面粗糙度要求Ra≤1.6，叶身三个型面公差为0.26mm，缘板上四个测量点有效控制缘板型面位置，轮廓度为不大于0.2mm，叶身中心与榫头中心位置公差为0.16mm，榫齿理论壁厚值为0.825mm，最小壁厚要求为0.75mm，公差仅为0.075mm，尺寸要求高。铸造过程中保证了叶身型面、叶身壁厚值的同时难以兼顾榫头加工后最小壁厚值，给铸造工艺带来了极大的挑战。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法根据叶片榫头尺寸要求精度极高的特点，采用以榫头中心六点定位生产叶片的方法，所述六点分别为叶片叶身定位头Ⅰ212、叶片叶身定位头Ⅱ222、叶片叶身定位头Ⅲ232和叶片缘板定位头Ⅱ32与叶片的接触点；叶片榫头定位件4的锥型结构与叶片榫头带凹槽结构相对应的中心。此六点定位方式可以有效控制叶片中心的偏摆和扭转，进而保证榫头最小壁厚尺寸。以榫头中心定位加工需要兼顾叶身测量截面是否干涉，同时针对叶片尺寸大小、叶身重量、及叶身截面尺寸要求等，需要选取合适的定位点进行锁紧。对于无余量空心叶片的铸造过程该技术方案满足了叶身和榫头中心较好的一致性，既保证了叶片榫头高精度尺寸，又有效的保证了叶身型面尺寸的要求。
所述高压涡轮工作叶片铸件采用了以榫头中心定位进行铸造加工的工艺方法，并在叶片型芯结构中直接带出定位工作面，由于叶片X、Y方向定位定在榫头中心，故需要设计出可以找到榫头中心的结构方可进行定位，根据叶片榫头榫齿非铸造直接成型，需机械加工特点，采用将定位点内置于叶片榫头中间，通过试验在中心内部嵌块、基准转换等方式，最终采用铸件带出小角度定位面进行球定位、锥定位的方法。
采用榫头中心定位制造叶片的方法，该叶片有效保证榫齿的壁厚精度，满足了对无余量叶片叶身、榫头中心一致性的要求，保证了铸造叶片的精度，打破了传统加工方法无法满足设计要求的僵局，提高了发动机使用性能，提高了无余量叶片工作效率，有效地节约了人力、物力和财力。更为其他叶片采用此种技术进行制造开创了先河。
所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置及方法该项目突破常规、创造性的采用叶片榫头中心定位的加工方式，将生产叶片的基准由叶身转移到叶片的榫头中心，有效地解决了叶片榫齿壁厚难以达到要求、叶身中心与榫头中心不对称及扭转等问题，又能够保证叶片的型面尺寸和壁厚值。
Claims (2)
1.一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置，其特征在于：所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置构成如下：测具底座(1)、叶片叶身定位件(2)、叶片缘板定位件(3)、叶片榫头定位件(4)、榫头定位支撑件(5)、榫头锁紧装置(6)和叶身锁紧装置(7)；所述叶片叶身定位件(2)、叶片缘板定位件(3)、叶片榫头定位件(4)、榫头定位支撑件(5)、榫头锁紧装置(6)和叶身锁紧装置(7)位于作为整个定位装置支撑基础的测具底座(1)上侧，所述叶片叶身定位件(2)包括叶片叶身定位件Ⅰ(21)、叶片叶身定位件Ⅱ(22)和叶片叶身定位件Ⅲ(23)；所述叶片叶身定位件Ⅰ(21)、叶片叶身定位件Ⅱ(22)和叶片叶身定位件Ⅲ(23)与叶片接触处均为线结构，叶片下侧位于叶片叶身定位件Ⅰ(21)和叶片叶身定位件Ⅱ(22)的线结构上，叶片上侧位于叶片叶身定位件Ⅲ(23)线结构下，所述叶片缘板定位件(3)包括：叶片缘板定位底座(31)和球头(32)；所述球头(32)为半球状结构，所述球头(32)位于叶片缘板定位底座(31)上，所述叶片缘板与球头(32)为点接触，所述叶身锁紧装置(7)的一端为锥状结构，叶身锁紧装置(7)位于叶片叶身定位件Ⅰ(21)和叶片叶身定位件Ⅱ(22)之间，所述榫头定位支撑件(5)连接于测具底座(1)上侧一端，叶片榫头定位件(4)位于榫头定位支撑件(5)上，所述叶片榫头定位件(4)的数量为2个，叶片榫头定位件(4)靠近叶片缘板定位件(3)的一端为锥状结构，另一端为弹簧结构，弹簧结构与榫头定位支撑件(5)相连接并存在其内腔中，叶片榫头定位件(4)的锥状结构与叶片在榫头顶部沿其中心线呈镜像对称开设的凹槽结构为点接触，榫头锁紧装置(6)位于榫头定位支撑件(5)上，且榫头锁紧装置(6)与叶片榫头定位件(4)相关联。
2.一种无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位方法，其特征在于：采用如权利要求2所述无余量空心高压涡轮工作叶片的榫头定位装置进行定位，步骤如下：
①在所述空心高压涡轮工作叶片的榫头顶部开设一个凹槽结构，所述凹槽结构沿其中心线呈镜像对称；凹槽结构的两个定位面的夹角为15°—45°；
②旋开榫头锁紧装置(6)，使叶片榫头定位件(4)可在榫头定位支撑件(5)中前后移动，旋开叶身锁紧装置(7)；
③将空心高压涡轮工作叶片(8)放置在测具底座(1)上，分别紧靠叶片叶身定位件Ⅰ(21)、叶片叶身定位件Ⅱ(22)、叶片叶身定位件Ⅲ(23)的叶片叶身定位头和叶片缘板定位件(3)的叶片缘板定位头，保证叶片与叶片叶身定位头和叶片缘板定位头间没有间隙；
④旋开榫头锁紧装置(6)利用弹簧原理将叶片榫头定位件(4)一端的锥状结构自动插入榫头顶部开设一个凹槽结构两个定位面夹角中，定位面与叶片榫头定位件(4)接触范围宽度为1mm—2.5mm，调整榫头锁紧装置(6)和叶身锁紧装置(7)进行锁紧，将叶片锁死定位。
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