CN104985025B - 叶型结构热校形用夹具及热校形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶型结构热校形用夹具及热校形方法，叶型结构包括外环、内环和两端分别固定于外环和内环上的叶片，叶型结构热校形用夹具包括分别套设安装于连接构件上的压盘和底盘，压盘和底盘夹紧外环和内环；外环的两相对端面分别平整地抵接于压盘的底面和底盘的顶面上；内环与外环的高度差为叶型结构高度差设计值。本发明提供的热校形夹具通过可实现对叶型结构的内、外环分别进行夹紧，从而实现对叶型结构中的外环平面度和内、外环高度差的校准，降低了这两个尺寸的变性量，使其满足后续整机的装配要求，提高装配后设备的可靠性。

Description

叶型结构热校形用夹具及热校形方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，特别地，涉及一种叶型结构热校形用夹具及热校形方法。

背景技术

某航机发动机零件整流器中设有多个叶型结构。叶型结构参见图1，包括内环1’、外环2’和叶片3’。叶片3’的两端通过氩弧焊分别焊接在内环1’和外环2’上。整流器中的部件，需要通过焊接手段组装完成，因而经过焊接处理后，整流器内部各零件局部受热膨胀，冷却后，又会导致该零件过度回缩，导致整流器内部各零件的外环2’平面度、内外环2’高度差发生不同幅度的变化，甚至超出加工允许的误差范围，使得叶型结构零件的内环1’、外环2’机械加工困难，进而导致整流器整体报废。而叶片3’本身柔软且薄，而且叶片3’为精密构件，一旦由于夹持不到位，将导致整级叶型结构失效，现在没有有效的手段对其进行夹持，从而进行热校形处理。

例如CN201310485651。X中公开的长圆筒薄壁结构局部电弧加热校形方法，该方法仅适于对长圆筒薄壁结构，该方法并不适用于其他结构的热校形处理。

发明内容

本发明提供一种叶型结构热校形用夹具及热校形方法，以解决现有技术中叶型结构叶片较薄且柔软，难以对其进行有效的热校形处理，导致无法将形变降低至误差范围内的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种叶型结构热校形用夹具，叶型结构包括外环、内环和两端分别固接于外环和内环上的叶片，叶型结构热校形用夹具包括分别套设安装于连接构件上的压盘和底盘，压盘和底盘夹紧外环和内环；外环的两相对端面分别平整地抵接于压盘的底面和底盘的顶面上；装夹后，内环与外环的高度差为叶型结构高度差设计值。

进一步地，还包括用于夹紧内环两相对端面的压板和支板，压板和支板分别套设于连接构件上；压板设置于压盘的底面上；支板设置于底盘的顶面上；压板活动地抵接于内环的顶面上；支板的顶面与底盘顶面的垂直距离为内环与外环的高度差。

进一步地，底盘上开设有支撑槽，支板包括支撑部和叠置于支撑部上的卡接台，卡接台卡接于支撑槽内，支撑部伸出底盘。

进一步地，压盘上间隔开设多个通气孔。

进一步地，还包括用于传输叶型结构热校形用夹具的吊钩，吊钩安装于连接构件的伸出端顶面上。

进一步地，底盘的顶面上设有用于对外环止动的卡接结构，卡接结构设置于底盘的外缘附近。

根据本发明的一个方面，提供了一种叶型结构热校形方法，包括以下步骤：1)装夹：将叶型结构的外环的两相对端面和内环的两相对端面夹紧于如前述叶型结构热校形用夹具中，装夹后，内环与外环的高度差为所述叶型结构高度差设计值，外环的两相对端面平整地夹紧于夹具中；2)热校形：对叶型结构进行热校形处理；3)拆除夹具：拆除叶型结构热校形用夹具。

进一步地，热校形处理步骤包括：在真空炉中，以10～20℃/分钟的速率升温至590～610℃，保温2～3小时；之后通氩气将叶型结构冷却至≤100℃时出炉。

进一步地，还包括在装夹步骤前对叶型结构进行的清洗步骤，清洗步骤包括：以40～70℃的流动水中清洗叶型结构1～3分钟；再以65～80℃的碱水洗2～3分钟；之后再依序以流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟和80℃纯水洗2～3分钟，最后用压缩空气吹干。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的热校形夹具通过可实现对叶型结构的内、外环分别进行夹紧，从而实现对叶型结构中的外环平面度和内、外环高度差的校准，降低了这两个尺寸的变性量，使其满足后续整机的装配要求，提高装配后设备的可靠性。

本发明提供的方法针对叶型结构中叶片易变形，难以对其进行尺寸控制，转而对内环与外环进行夹紧，使外环的平面度、内外环高度差可通过热校形所需已经形成的形变。从而实现对叶片变形量的调整。采用该方法减小了叶型结构的变性量，提高了后续使用的安全可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是整流器中叶型结构的局部放大示意图；

图2是本发明优选实施例的叶型结构热校形用夹具的立体示意图；

图3是本发明优选实施例的叶型结构热校形用夹具的主视局部剖视示意图；

图4是本发明优选实施例的压盘侧视局部剖视示意图；

图5是本发明优选实施例的压盘主视示意图；

图6是本发明优选实施例的底盘侧视示意图；

图7是本发明优选实施例的底盘主视示意图；

图8是本发明优选实施例的支板主视局部剖视示意图；以及

图9是本发明提供方法的流程示意图。

图例说明：

110、外环；120、叶片；130、内环；200、底盘；210、支板；211、卡接台；212、支撑部；220、支撑槽；221、卡接槽；300、压盘；310、通气孔；400、压板；500、垫片；700、连接构件；800、吊钩；900、止动构件；600、压紧螺帽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。本发明中叶型结构是指类似图1中所示，包括薄片状叶片结构，叶片结构的两端固定于环状结构中的结构。例如整流器中的叶片和涡轮发动机中的导向叶片、涡轴发动机的静子叶片等结构均可。

参见图2～3为本发明提供的叶型结构专用夹具。叶型结构包括外环110、内环130和叶片120。叶片120的两端分别通过焊接等方式固定连接于内环130和外环110上。本发明的其中一个实施例中该夹具包括相互对齐设置的压盘300和底盘200。外环110和内环130夹紧于压盘300和底盘200之间；外环110上、下面分别平整地抵接于压盘300的底面上和底盘200的顶面上；内环130与外环110的高度差为叶型结构高度差设计值。按此安装后可以保证后续热校形过程中，叶型结构的外环110平面度得到校准。对焊接导致的外环110平面度变形进行校准。同时还可将由焊接导致的内环130与外环110之间的高度差进行校准。

显然压盘300和底盘200可以通过在其相对面的局部区域上设置如支撑结构、凸起或支撑盘等结构，实现对叶型结构的内环130和外环110进行夹紧即可。其中一个实施例可以为底盘200的中心处设有仅用于对内环130进行支靠的凸起结构。该凸起结构与底盘200的其他部分形成台阶。从而使内环130与外环110的高度差为叶型结构高度差设计值。压盘300的底面中心处也可以设置与凸起结构配合对内环130实现夹紧的支撑构件。当然这只是其中的一种实施方式，还可以采用其他各类结构，只需保证装夹后内环130与外环110的高度差为设计高度差即可。

采用上述结构可以避免在热校形过程中，对叶型结构中较柔软且难以控制的叶形进行调整。通过对内环130与外环110分别进行夹紧，实现对叶型结构的变形量调整。减小了由于焊接等原因导致的叶型结构变性量，提高了叶型结构使用的安全性。提高了外环110外表面的平面度，将焊接后导致的外环110形成的椭圆度降低，从而提高了外环110的后续机械加工性能。

内环130的顶面和外环110的顶面之间的垂直距离即为二者的高度差。本文中叶型结构设计高度差是指叶型结构在设计时设定的内环130与外环110的高度差。本发明提供的夹具，仅在热校形过程中，通过底盘200使内环130与外环110的高度差为该前述设计高度差。底盘200上对内环130起到支撑作用的凸起与底盘200的盘面高度差可以根据内环130与外环110设计高度差进行设计。从而实现对内环130和外环110的高度差进行校准。减少了焊接对内环130与外环110高度差的影响。

从而实现对内环130和外环110之间的高度差，校准至底盘200上凸起例如可以为支板210设定的高度差上。从而

优选，压盘300为具有锥度的盘形。底盘200为盘形，其中心处均设有通孔用于通过螺栓等构件将压盘300和底盘200夹紧。压盘300和底盘200的外周缘相对面将叶型结构的外环110夹紧。

压盘300的外周缘与底盘200的外周缘相对齐。叶型结构的内环130上端面抵接于压盘300的底面上并靠近压盘300的中心。内环130的底面抵接于底盘200的顶面上，并靠近底盘200的中心。叶型结构的外环110被夹紧于底盘200与压盘300之间，并靠近二者的外周缘。底盘200与压盘300通过螺栓等构件拉紧固定。叶型结构装夹在夹具中后内环130与外环110的高度差为叶型结构高度差设计值。之后进行后续的热校形处理即可。采用该结构的夹具可以保证外环110的椭圆度及其顶面和底面的平面度，在此情况下，给予内环130一定向下的压力，来调整内环130与外环110的高度差，并保证内环130的平面度，使零件整体质量满足机加工要求。减小热校形过程中的叶型结构的变形量。对焊接加工后叶型结构进行尺寸校准。叶型结构的外环110一旦形成椭圆结构，将难以作为后续加工处理的基准平面使用。因而保持外环110的平面度直接关系到叶型结构是否能继续使用。

优选的，参见图4～5，压盘300顶部上设有通气孔310。一方面可以减重夹具重量，另一方面可以在热校形过程中提高叶型结构的受热均匀性。

优选设置4个通气孔310。此时夹具在具有足够的压紧作用的同时重量最轻。优选压盘300为铸造成型，铸造后的压盘300重量较大，可将叶型结构的内环130和外环110顶面压至同一平面上，无需再外加任何外力。铸造后的材料对于热校形的温度具有较强的耐受能力。

参见图2～3，本发明提供的另一实施例中，夹具还包括压板400和支板210。压板400套设于连接构件700上，设置于压盘300下。压板400的底面直接抵接于内环130的顶面上。与压板400对齐设置有支板210。支板210的底面嵌入底盘200中。参见图6～7底盘200为一圆盘，中心处设置孔洞用于安装可见连接构件700固定的止动构件900。止动构件900可以为止动螺钉等类似构件。底盘200顶面上设有支撑槽220。支撑槽220可以容纳支板210的下部卡接台211。参见图8，支板210的上部设有支撑部212。支撑部212安装后高出底盘200的顶面的高度为叶型结构内环130与外环110的垂直高度差。支撑部212的直径略大于内环130与夹具轴线的垂直距离。设置压板400和支板210后，可以通过调整压板400的下压度和支板210的高度，从而调整夹具对不同内、外环110高度差的叶型结构进行夹持。增加夹具的可利用范围，节约成本。

从而使内环130与外环110的高度差为设计高度差。通过在连接构件700上套设螺栓，可使压板400与支板210夹紧内环130。防止在热校形过程中发生攒动，影响校形精确度。

优选的，底盘200和压盘300的相对面的外周缘处设置卡接结构。具体一底盘200为例，参见图7该卡接结构为卡接槽221，能将外环110的外缘卡住，防止热校形过程中叶型结构发生移动。在底盘200上设置该结构，可以降低夹具的整体重量，便于传送。

优选，压盘300和压板400均通过压紧螺帽600实现对叶型结构中各部件的压紧。该零件容易获得，使用方便。显然的，压紧螺帽600下均可设置垫片500。

参见图2，一个夹具上可以设置一级叶型结构。一级叶型结构是指内环130和外环110之间设置的多个叶片120。该级叶型结构与所用夹具共轴线。采用该夹具可有效提高热校形的处理效率。

参见图3，连接构件700的顶面上安装有吊钩800，以方便对叶型结构进行运转。

优选，为增加整个夹具对整流器外环110所成产生的压紧力，压盘300和底盘200均采用铬镍铸铁整体铸造，以增加夹具重量。同时采用该材料制备压盘300和底盘200还可减少夹具在热处理过程中的变形量。

参见图9，本发明另一发明还提供了叶型结构的热校形方法，包括以下步骤：

1)装夹：将叶型结构的外环110的两相对端面和内环130的两相对端面夹紧于如权利要求1～6中任一项叶型结构热校形用夹具中，装夹后，外环110的顶面与内环130顶面之间的垂直距离接近零，外环110的两相对端面平整地夹紧于夹具中；

2)热校形：对叶型结构进行热校形处理；

3)拆除夹具：拆除叶型结构热校形用夹具。

通过将叶型结构中的外环110的两相对面用夹具平整地夹住。可以将焊接造成的形变在热校形前进行有效的消除，通过后续的热校形可以是外环110两相对端面上的形变在夹具的挤压作用下得到修正。从而降低了叶型结构外环110的误差。同时装夹后，内环与外环的高度差为叶型结构高度差设计值。由于所用夹具的支撑作用，使内环130与外环110的高度差为设计高度差，释放了叶片由于内外环110之间的高度差产生的应力，有利于后续的热校形过程对内、外环110之间过量的高度差进行调整。从而减小叶型结构内、外环110高度差的误差。提高结构的精度。避免对叶型结构中较柔软且难以控制的叶形进行调整。通过对内环130与外环110分别进行夹紧，实现对叶型结构的变形量调整。减小了由于焊接等原因导致的叶型结构变性量，提高了叶型结构使用的安全性。

优选所用热校形步骤包括在真空炉中，以10～20℃/分钟的速率升温至590～610℃，保温2～3小时；之后通氩气将叶型结构冷却至≤100℃时出炉。按此条件进行热校形，可以将叶型结构在焊接过程中产生的变形消除至最低。防止叶型结构表面出现氧化层。避免频繁的冷热交替，给叶型结构带来新的形变。采用该升温速率可以针对叶型结构中叶片两端固定连接后的结构产生较优的校形效果，使得校形后叶片结构尺寸最接近于设计值，将加工产生的误差降至最低。

更优选的，热校形步骤包括在真空炉中，以15℃/分钟的速率升温至600℃，保温2～3小时；之后通氩气将叶型结构冷却至≤100℃时出炉。此时所得叶型结构的形变量修正效果达到最优。

优选的，还包括在装夹步骤前对叶型结构进行的清洗步骤，清洗步骤包括：以40～70℃的流动水中清洗叶型结构1～3分钟；再以65～80℃的碱水洗2～3分钟；之后再依序以流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟和80℃纯水洗2～3分钟，最后用压缩空气吹干。按此条件进行清洗，可以将叶型结构表面的污物清洗感觉，减少焊接过程中残留的污物在热校形过程中对叶型结构造成不良影响的机会。

更优选的，清洗步骤包括：以60℃的流动水中清洗叶型结构2分钟；再以70℃的碱水洗2～3分钟；之后再依序以流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟和80℃纯水洗2～3分钟，最后用压缩空气吹干。此时清洗效果达到最优，最有利于污物的去除，并可提高热校形后叶型结构的精确度。

为了确定校形结果，在热校形结束后，还需对叶型结构的各尺寸进行测量，并与热校形前的尺寸进行比对，以确定热校形效果。具体的本发明提供的方法包括以下步骤：

叶型结构零件校形前尺寸测量：因为每次焊接后叶型结构零件的变形有一定差异，所以校形前对叶型结构零件外环110的平面度、内外环110高度差进行测量，并记录，以便与热校形后结果进行对比，确定热校形的效果。

叶型结构零件清洗：将叶型结构零件清洗干净并晾干。

叶型结构零件装夹：将洗净晾干的叶型结构零件装夹到烘好的夹具中。

热校形：叶型结构零件和夹具一起装入真空炉，加热校形。

拆卸夹具：将加热完成并冷却好的叶型结构零件和夹具拆开。

尺寸测量：测量叶型结构零件平面度、内外环110高度差，记录测量实测值，合格后叶型结构零件交检。

叶型结构零件交检：叶型结构零件尺寸热校形合格后交检，进行机械加工工序。

实施例

以下实施例中所用物料和设备均为市售。

实施例1

1)零件干前尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值。

2)零件清洗：40℃流动水洗1分钟；再65℃碱水洗2分钟；再流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟，80℃热纯水洗2分钟，确保零件干净无污物，并用干净压缩空气吹干。

3)零件装夹：将零件支板装入底盘中，整流器外环嵌入底盘，内环下端面平整摆放在支板的上端面上，再将压板盖在整流器内环的上端面上，盖上上模压盘，装入螺栓、垫圈、螺帽，用扳手拧紧夹具。

4)热校形：真空炉，以10℃/分钟速率升至590℃，保温2小时，通1bar氩气开风扇冷至≤100℃出炉空冷。

5)拆卸夹具：用扳手拧松热校形夹具的螺帽，将夹具各部分依次拆卸，取出零件。

6)尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值，合格后交检，进行后续机械加工工序。

实施例2

1)零件干前尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值。

2)零件清洗：70℃流动水洗3分钟；再80℃碱水洗3分钟；再流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟，80℃热纯水洗3分钟，确保零件干净无污物，并用干净压缩空气吹干。

3)零件装夹：将零件支板装入底盘中，整流器外环嵌入底盘，内环下端面平整摆放在支板的上端面上，再将压板盖在整流器内环的上端面上，盖上上模压盘，装入螺栓、垫圈、螺帽，用扳手拧紧夹具。

4)热校形：真空炉，以20℃/分钟速率升至610℃，保温3小时，通1bar氩气开风扇冷至≤100℃出炉空冷。

5)拆卸夹具：用扳手拧松热校形夹具的螺帽，将夹具各部分依次拆卸，取出零件。

6)尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值，合格后交检，进行后续机械加工工序。

实施例3

1)零件干前尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值。

2)零件清洗：60℃流动水洗2分钟；再70℃碱水洗3分钟；再流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟，80℃热纯水洗3分钟，确保零件干净无污物，并用干净压缩空气吹干。

3)零件装夹：将零件支板装入底盘中，整流器外环嵌入底盘，内环下端面平整摆放在支板的上端面上，再将压板盖在整流器内环的上端面上，盖上上模压盘，装入螺栓、垫圈、螺帽，用扳手拧紧夹具。

4)热校形：真空炉，以15℃/分钟速率升至600℃，保温3小时，通1bar氩气开风扇冷至≤100℃出炉空冷。

5)拆卸夹具：用扳手拧松热校形夹具的螺帽，将夹具各部分依次拆卸，取出零件。

6)尺寸测量：用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内外环高度差，记录测量实测值，合格后交检，进行后续机械加工工序。

将按常规氩弧焊方法焊接得到的整流器中的3个叶型结构，分别采用实施例1～3中方法进行热校形。所得结果列于表1中。表1中尺寸为采用塞尺测量零件外环平面度，用平尺加深度尺测量零件内、外环高度差。

表1实施例1～3处理结果(单位：mm)

由表1可见，采用本发明提供的方法和夹具进行热校形后，叶型结构的内、外环高度差和外环平面度均得到准确的校准。将焊接对叶型结构产生的不良影响几乎消除，提高了所得叶型结构的合格率。

将实施例3中所提供方法应用到2个机型航空发动机第一到第四级整流器的热校形中，全年每种机型的整流器至少生产20-30件。采用上述方法及其夹具，这些整流器中的叶型结构均可校形合格，且本发明所用的夹具可重复利用，易于修复，节约了生产成本。该热校形方法提高了整流器真空热校形的效率和零件交检合格率。

由此可知，本发明提供的方法及其所用夹具，尤其适用于与整流器中叶型结构类似的叶型结构的热校形过程中，例如涡轮发动机中的导向叶片，其结构与此类似。也可以使用。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种叶型结构热校形用夹具，所述叶型结构包括外环(110)、内环(130)和两端分别固接于所述外环(110)和所述内环(130)上的叶片(120)，其特征在于，

所述叶型结构热校形用夹具包括分别套设安装于连接构件(700)上的压盘(300)和底盘(200)，所述压盘(300)和所述底盘(200)的相对中心区夹紧所述内环(130)；

所述压盘(300)和所述底盘(200)的相对边缘区夹紧所述外环(110)；

所述外环(110)的两相对端面分别平整地抵接于所述压盘(300)的底面和所述底盘(200)的顶面上；

装夹后，所述内环(130)与所述外环(110)的高度差为所述叶型结构高度差设计值；

叶型结构热校形用夹具还包括用于夹紧所述内环(130)两相对端面的压板(400)和支板(210)，所述压板(400)和所述支板(210)分别套设于所述连接构件(700)上；

所述压板(400)设置于所述压盘(300)的底面上；

所述支板(210)设置于所述底盘(200)的顶面上；

所述压板(400)活动地抵接于所述内环(130)的顶面上；

所述支板(210)的顶面与所述底盘(200)顶面的垂直距离为所述内环(130)与所述外环(110)的所述高度差。

2.根据权利要求1所述的叶型结构热校形用夹具，其特征在于，所述底盘(200)上开设有支撑槽(220)，所述支板(210)包括支撑部(212)和叠置于所述支撑部(212)上的卡接台(211)，所述卡接台(211)卡接于所述支撑槽(220)内，所述支撑部(212)伸出所述底盘(200)。

3.根据权利要求1所述的叶型结构热校形用夹具，其特征在于，所述压盘(300)上间隔开设多个通气孔(310)。

4.根据权利要求1所述的叶型结构热校形用夹具，其特征在于，还包括用于传输所述叶型结构热校形用夹具的吊钩(800)，所述吊钩(800)安装于所述连接构件(700)的伸出端顶面上。

5.根据权利要求1所述的叶型结构热校形用夹具，其特征在于，所述底盘(200)的顶面上设有用于对所述外环(110)止动的卡接结构，所述卡接结构设置于所述底盘(200)的外缘附近。

6.一种叶型结构热校形方法，其特征在于，包括以下步骤：

包括在装夹步骤前对叶型结构进行的清洗步骤，所述清洗步骤包括：以40～70℃的流动水中清洗所述叶型结构1～3分钟；再以65～80℃的碱水洗2～3分钟；之后再依序以流动温水洗1分钟、流动冷水洗1分钟和80℃纯水洗2～3分钟，最后用压缩空气吹干；

1)装夹：将所述叶型结构的外环的两相对端面和内环的两相对端面夹紧于如权利要求1～5中任一项所述叶型结构热校形用夹具中，装夹后，所述内环与所述外环的高度差为所述叶型结构高度差设计值，所述外环的两相对端面平整地夹紧于所述夹具中；

2)热校形：对所述叶型结构进行热校形处理；

3)拆除夹具：拆除所述叶型结构热校形用夹具。

7.根据权利要求6所述的叶型结构热校形方法，其特征在于，所述热校形处理步骤包括：在真空炉中，以10～20℃/分钟的速率升温至590～610℃，保温2～3小时；之后通氩气将所述叶型结构冷却至≤100℃时出炉。