CN104858682A - 一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具 - Google Patents

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Abstract

一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，它是由夹具连接组件和双臂自适应夹具组成；它们彼此相互连接并固接在机床的回转工作台上；所述夹具连接组件是由转接盘、快换夹具底座和快换夹具托盘组成，三者彼此相互连接并与双臂自适应夹具上的夹具本体固接；所述双臂自适应夹具，是由夹具本体，悬臂压板组件、下悬臂和上悬臂和叶片压紧螺钉组成，悬臂压板组件固定在夹具本体的两端，叶片压紧螺钉拧进悬臂压板组件相应位置并与之一起固定在夹具本体的两孔内。本发明是利用双臂回转机构为叶片两端的圆柱榫头或圆柱形夹具提供6个运动自由度，实现叶片加工过程变形后不需要修复基准即可实现无应力重新安装和连续加工的自适应夹具。

Description

一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具
技术领域
本发明涉及一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，用于在叶片加工过程发生变形后快速重新安装叶片工件、消除加工变形和实现叶片无应力装夹，属于叶片加工和夹具技术领域。
背景技术
航空发动机叶片等弱刚性结构在加工时会因材料的切除而发生应力重新分布和发生变形，也会因为表面加工残余应力的变化产生新的变形，叶片两端的榫头或定位基准会发生相对的位置变化，这种变化也会导致后续安装过程产生安装应力。通常的叶片加工工艺方法是将叶片加工工序分解成多工序，每加工一次后对基准进行修复，然后采用两端弹簧夹头夹具或其它可分别对两端进行夹持的夹具对其进行夹紧，例如前苏联提出将叶片两端先加工成定位方块，等叶片叶身加工完成后再加工榫头外形。这种方法需要增加多道工序，不但增加了加工成本，还延长了加工周期。本发明提出一种在加工过程不需要修复基准就能持续加工叶片的自适应夹具，该夹具可以有效抑制加工变形、提高加工效率。
发明内容
1、目的：本发明的目的是提供一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，它是利用双臂回转机构为叶片两端的圆柱榫头或圆柱形夹具提供6个运动自由度，实现叶片加工过程变形后不需要修复基准即可实现无应力重新安装和连续加工的自适应夹具。
2、技术方案：部分航空发动机静子叶片的两端都带有榫头，其中有些可调叶片双端带有圆柱型榫头，有些带有非圆柱形榫头，如燕尾或圆弧榫头，但后者可以通过连接标准的圆柱形半轴夹具将其转换成具有圆柱形轴端的结构。这样所有的叶片都可以转换成双端带圆柱轴颈的叶片。目前的加工方法是采用双A轴机床的两个A轴上的弹性夹头对叶片两端的圆柱形轴颈分别进行夹持并驱动其旋转，这种方法易于实现对叶片全型面进行加工，但要求叶片两端的圆柱轴变形后必须重新修磨到同轴，否则重新安装会使叶片产生内应力，不利于加工精度的保证。原则上，随着材料的不断去除，工件内部的残余应力会重新分布，且这种变化随着切削过程的进行不断变化，因此需要在加工过程通过重新安装不断释放工件的变形，而每次拆卸后叶片两端的圆柱基准都会发生相对变形运动，二者不在一条直线上，因此需要利用磨床对其重新修复，这个过程耗时很长，严重制约了生产效率的提升。通过大量试验发现叶片的残余应力变形通常分弯曲变形和扭转变形，圆柱面在宽度方向的相对变化非常小，可以忽略。考虑到叶片的总体构型为弯曲和扭转的板状构件，其加工过程的变形一般相对于其中间横截面具有对称性，且实验结果表明，这种变形基本为扭转变形和弯曲变形，即变形的主要自由度数为2。这种变形可以理解为一个轴颈相对于另一个轴颈的变化。另一方面，为了保持加工余量的均匀性，叶片的扭角位置应该以叶片中部横截面为基准，叶片的轴向位置还应该采用叶片榫头上的某端面确定，叶片轴颈的位置需要保持一定的确定性，这样就需要为叶片两端的轴颈分别提供两个旋转自由度，而叶身随厚度方向的变化可以通过程序进行调整。因此，如果过夹具能够提供4个基本自由度，叶片两端的轴颈不需要重新修正就可以进行后续加工，这就是本发明的基本原理。
图1为本发明外形图，一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，它是由夹具连接组件01和双臂自适应夹具02组成；它们彼此相互连接并固接在机床的回转工作台上。
所述夹具连接组件01，是由转接盘01-1、快换夹具底座01-2和快换夹具托盘01-3组成，三者彼此相互连接并与双臂自适应夹具02上的夹具本体02-1固接；该转接盘01-1、快换夹具底座01-2是中心带孔的圆盘状件，该快换夹具托盘01-3是中心带孔的矩形状件；
所述双臂自适应夹具02，是由夹具本体02-1，悬臂压板组件02-2A和02-2B，下悬臂02-3A和上悬臂02-3B、叶片压紧螺钉02-4A和02-4B组成，悬臂压板组件02-2A和02-2B固定在夹具本体02-1的两端，叶片压紧螺钉02-4A和02-4B拧进悬臂压板组件02-2A和02-2B的相应位置并与之一起固定在夹具本体02-1的两孔内；该夹具本体02-1是带有连接孔的凹形状件；该悬臂压板组件02-2A和02-2B是由圆柱及矩形板料构成的件；该下悬臂02-3A和上悬臂02-3B是由台阶轴构成的件。
图1中，叶片双臂自适应夹具02通过夹具连接组件01连接于机床的回转工作台(通常为机床的A轴)上，连接方式有多种，一种是连接部分的轴线与A轴的轴线重合，此时叶片的轴线垂直于A轴的轴线，另一种是在A轴和机床顶尖之间先安装一弓形摇篮夹具，再将快换夹具底座连接到该弓形夹具上，此时快换夹具的轴线垂直于A轴的轴线，而叶片的轴线平行于A轴的轴线。也可以将本夹具的本体直接通过合适的方式连接于A轴和顶尖之间确保其与A轴能够同步旋转，在更换叶片时本夹具本体保持与机床连接不发生改变。
图2是叶片自适应夹具的爆炸图，图中，01-1是转接盘，01-2是快换夹具底座，01-3是快换夹具托盘，它们构成了夹具连接组件；02-1是夹具本体，02-2A和02-2B是悬臂压板组件，02-3A和02-3B为下悬臂和上悬臂、02-4A和02-4B为叶片压紧螺钉、03是被加工叶片；03-A和03-B为叶片圆柱接头。其中，快换夹具底座01-2通过转接盘01-1永久连接于机床的一个转台上，例如A轴上，并与其保持轴线一致；快换夹具托盘01-3用于与夹具本体02-1永久连接，快换夹具托盘与快换夹具底座一般能够从专业的快换夹具生产公司买到，例如瑞士3R公司，这样可以实现本发明中的夹具02与叶片03在机床上的快速拆卸和安装。叶片03两端为非圆柱面时，可以采用一端带圆柱体的叶片圆柱接头通过低熔点合金和合适的线切割槽型与叶片两端连接成一体，这样可以将不带圆柱轴端的叶片转换成两端带圆柱面轴颈的标准结构。
在图1中，R1和R2分别为下悬臂和上悬臂02-3A和02-3B相对于夹具本体的旋转角度；R3和R4是叶片下部和叶片上部相对于叶片中间截形线C的旋转角度是叶片回转自由度；R3是下伸出轴回转自由度；M1是叶片长度变化相对伸长或缩短的变化量。根据上述分析，为了保证叶片中部的截形线C的角向位置不发生大的改变，叶片两端必须具备旋转的自由度，为了适应叶片两端相对与叶身中部截形线的弯曲运动，必须提供两个悬臂相对于叶片夹具本体02-1的两个旋转运动，因此该夹具至少需要提供4个运动自由度，正好适应叶片所需要的相对变形运动。
工作时，先在叶片的两端切割出合适的结构并与叶片圆柱接头03-A和03-B连接在一起，连接时需要借助合适的夹具保持三者具有确定的和正确的位置关系，并通过浇注低熔点合金将三者结合成一体，对于双端带圆柱轴颈的叶片可以省略该步骤，对于一端带轴颈的叶片需要增加一个叶片圆柱接头，但是两个接头的圆柱轴颈的尺寸并不一定要求相同。
将叶片两端的轴颈分别插入下悬臂02-3A和上悬臂02-3B右侧的纵向孔中，轻压叶片压紧螺钉02-4A和02-4B并消除三者之间的连接处间隙，将下悬臂02-3A和上悬臂02-3B左端的圆柱轴颈插入夹具本体02-1中的两孔中，轻压悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉消除悬臂轴颈与夹具本体相配合的孔之间的间隙，此时松开叶片压紧螺钉02-4A和02-4B并调整悬臂状态使叶片处于无安装应力的状态和保持与夹具本体之间正确的位置，依次锁紧叶片压紧螺钉02-4A和02-4B以及悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉，确保各连接处处于稳定的压紧状态，此时即完成了叶片的一次安装，并可进行叶片加工阶段，等叶片加工完一层或多层后，在机床上释放上述的叶片压紧螺钉02-4A和02-4B以及悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉以释放叶片上的残余应力，继续实施上述的叶片安装过程时叶片在消除应力变形后重新快速进入新一轮加工状态。通过1到2次的应力释放即可完成叶片的加工，此时叶片的变形将远小于一次安装直接加工到设计尺寸的方法所发生的变形，加工精度得到有效的保证和提升。
3、优点及功效：本发明的主要优点是1)在叶片加工过程中可以快速重新安装以释放内部应力，有效控制残余应力变形，提高叶片加工精度；2)可以采用单A轴转台的机床；4)可以缩短叶片加工周期，5)可用于对叶片基准进行修理。
附图说明
图1是叶片双臂自适应夹具外形图。
图2是叶片双臂自适应夹具爆炸图。
标号说明：
01为夹具连接组件，02为双臂自适应夹具，03为被加工叶片；其中01-1是转接盘，01-2快换夹具底座，01-3是快换夹具托盘；02-1是夹具本体，02-2A和02-2B是悬臂压板组件，02-3A和02-3B为下悬臂和上悬臂、02-4A和02-4B为叶片压紧螺钉、03是被加工叶片；03-A和03-B为叶片圆柱接头；R1和R2分别为下悬臂和上悬臂相对于夹具本体的旋转角度；R3和R4是叶片下部和叶片上部相对于叶片中间截形线C的旋转角度是叶片回转自由度；R3是下伸出轴回转自由度；M1是叶片长度变化相对伸长或缩短的变化量。
具体实施方式
图1为本发明外形图，一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，它是由夹具连接组件01和双臂自适应夹具02组成；它们彼此相互连接并固接在机床的回转工作台上。
所述夹具连接组件01，是由转接盘01-1、快换夹具底座01-2和快换夹具托盘01-3组成，三者彼此相互连接并与双臂自适应夹具02上的夹具本体02-1固接；转接盘01-1、快换夹具底座01-2是中心带孔的圆盘状件，快换夹具托盘01-3是中心带孔的矩形状件；
所述双臂自适应夹具02，是由夹具本体02-1，悬臂压板组件02-2A和02-2B，下悬臂02-3A和上悬臂02-3B、叶片压紧螺钉02-4A和02-4B组成，悬臂压板组件02-2A和02-2B固定在夹具本体02-1的两端，叶片压紧螺钉02-4A和02-4B拧进悬臂压板组件02-2A和02-2B的相应位置并与之一起固定在夹具本体02-1的两孔内；该夹具本体02-1是带有连接孔的凹形状件；该悬臂压板组件02-2A和02-2B是由圆柱及矩形板料构成的件；该下悬臂02-3A和上悬臂02-3B是由台阶轴构成的件。
本发明的实施有三种不同的形式，一种是如图1、2所示的采用夹具连接组件将夹具本体与机床的一个旋转轴相连接，例如与A/B轴五轴联动机床的A轴，此时叶片的轴线与A轴轴线垂直，另一种是在A轴和机床顶尖之间先安装一弓形摇篮夹具，再将快换夹具底座连接到该弓形夹具上，此时快换夹具的轴线垂直于A轴的轴线，而叶片的轴线平行于A轴的轴线。第三种方法是将本夹具的本体直接通过合适的方式连接于A轴和顶尖之间确保其与A轴能够同步旋转，在更换叶片时本夹具本体保持与机床连接不发生改变。下面仅介绍第一种方案，其它两个方案除夹具基体与机床的连接方式和方位有所不同外，在实现叶片重复自适应无应力安装方面的原理的相同的。
1)在无轴颈的被加工叶片03的两端切割出合适的结构并与叶片圆柱接头03-A和03-B连接在一起，连接时借助三个定位元件分别定位两个叶片圆柱接头和叶片，使三者具有确定的和正确的位置关系，并通过浇注低熔点合金将三者结合成一体。对于双端带圆柱轴颈的叶片可以省略该步骤，对于一端带轴颈的叶片可以采用该方法需要增加一个叶片圆柱接头。
2)制作一个双臂自适应夹具02和一套夹具连接组件01，其中夹具连接组件由转接盘01-1，快换夹具底座01-2和快换夹具托盘01-3组成，其中的双臂自适应夹具02由夹具本体02-1，悬臂压板组件02-2A和02-2B，下悬臂和上悬臂02-3A和02-3B以及叶片压紧螺钉02-4A和02-4B所组成。其中，快换夹具底座01-2通过转接盘01-1永久连接于机床的一个转台上，例如A轴上，并与其保持轴线一致；快换夹具托盘01-3用于与夹具本体02-1永久连接，快换夹具托盘与快换夹具底座一般能够从专业的快换夹具生产公司买到，例如瑞士3R公司，这样可以实现本发明中的双臂自适应夹具02与被加工叶片03在机床上的快速拆卸和安装。
3)将叶片两端的轴颈分别插入下悬臂02-3A和上悬臂02-3B右侧的纵向孔中，轻压叶片压紧螺钉02-4A和02-4B并消除三者之间的连接处间隙，将下悬臂02-3A和上悬臂02-3B左端的圆柱轴颈插入夹具本体02-1中的两孔中，轻压悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉消除悬臂轴颈与夹具本体相配合的孔之间的间隙；
4)松开叶片压紧螺钉02-4A和02-4B并调整悬臂状态使叶片处于无安装应力的状态和保持与夹具本体之间正确的位置，依次锁紧叶片压紧螺钉02-4A和02-4B以及悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉，确保各连接处处于稳定的压紧状态，此时即完成了叶片的一次安装，并可进行叶片加工阶段；
5)等叶片加工完一层或多层后，在机床上释放上述的叶片压紧螺钉02-4A和02-4B以及悬臂压板组件02-2A和02-2B中的压紧螺钉以释放叶片上的残余应力；
6)按照步骤4)继续实施的叶片重新安装过程，消除叶片应力变形后使之重新快速进入新一轮加工状态。
通过1到2次步骤3-6的应力释放即可完成叶片的加工，此时叶片的变形将远小于只采用一次安装直接加工叶片到设计尺寸的方法所发生的变形，叶片加工精度得到有效的保证和提升。

Claims (1)

1.一种叶片加工变形控制用双臂自适应夹具，其特征在于：它是由夹具连接组件(01)和双臂自适应夹具(02)组成；它们彼此相互连接并固接在机床的回转工作台上；
所述夹具连接组件(01)，是由转接盘(01-1)、快换夹具底座(01-2)和快换夹具托盘(01-3)组成，三者彼此相互连接并与双臂自适应夹具(02)上的夹具本体(02-1)固接；该转接盘(01-1)、快换夹具底座(01-2)是中心带孔的圆盘状件，该快换夹具托盘(01-3)是中心带孔的矩形状件；
所述双臂自适应夹具(02)，是由夹具本体(02-1)，悬臂压板组件(02-2A)和(02-2B)，下悬臂(02-3A)和上悬臂(02-3B)、叶片压紧螺钉(02-4A)和(02-4B)组成，悬臂压板组件(02-2A)和(02-2B)固定在夹具本体(02-1)的两端，叶片压紧螺钉(02-4A)和(02-4B)拧进悬臂压板组件(02-2A)和(02-2B)的相应位置并与之一起固定在夹具本体(02-1)的两孔内；该夹具本体(02-1)是带有连接孔的凹形状件；该悬臂压板组件(02-2A)和(02-2B)是由圆柱及矩形板料构成的件；该下悬臂(02-3A)和上悬臂(02-3B)是由台阶轴构成的件。
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