CN105195980B - 一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置及方法，包括用于加工瓦片上螺桩端部倒角的车床，以及用于加工螺桩上螺纹的摇臂钻床；车床上设置有车床夹具和车刀，摇臂钻床上设置有定位装置、套丝装置以及用于固定瓦片的套丝夹具；车床夹具包括用于夹紧螺桩的自动定心两爪卡盘，自动定心两爪卡盘与车床主轴同心；定位装置包括一端安装在摇臂钻床主轴上的板牙架，以及同轴套在板牙架另一端上的定心套，定心套的端部设置有锥形的顶尖孔，螺桩端部的倒角能够完全伸入该顶尖孔内且与顶尖孔的内壁相贴；套丝装置包括在板牙架内同轴安装的板牙。本发明节约了找正时间，保证倒角与螺桩外圆同心；通过定心套与螺桩上加工好的倒角配合定心，定位精度高。

Description

一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置及方法

【技术领域】

本发明属于机械加工领域，尤其涉及一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置及方法。

【背景技术】

浮动壁瓦片是某新型航空发动机燃烧室环形火焰筒上的内隔热片，一个火焰筒上使用一百多个浮动壁瓦片，浮动壁瓦片贴靠在火焰筒流道壁面上，通过瓦片上的螺桩与火焰筒内外壁相连。如图1和图2所示，一般有内环瓦片和外环瓦片，而每一个瓦片上均带有多个螺桩，螺桩在曲面各点的法线方向上，并与瓦片铸造成一体。螺桩外径精铸到螺纹外径尺寸，但螺桩上的螺纹需要切削加工。

由于铸造误差影响，瓦片上的几个螺桩之间的相互位置误差较大，螺桩到瓦片周边距离误差也较大，不能一次定位装夹、靠数控编程或靠夹具精确定位加工所有螺桩螺纹。

由于瓦片是曲面片体，每个螺桩在曲面各点的法线方向，理论上讲，最好采用带工作台旋转和主轴头旋转的五坐标加工中心加工。但实际上，由于几个螺桩之间的位置误差影响，必须分别找正每个螺桩的方向和位置，并将找正结果输入专用程序，找正非常繁琐，输入耗时、且易出错。

而要在三坐标机床上加工螺桩螺纹，就必须分别使每个螺桩的方向与工作台垂直，也就是与机床主轴方向一致。这需要借助夹具分别调整每个螺桩的方向，并通过找正确定每个螺桩的中心位置，调整和找正需要消耗较多时间，辅助工作时间太长，生产效率太低。

目前使用的一种方法是在摇臂钻床上进行套丝，具体方法是：

1)将定位套筒夹持到主轴钻夹中。

2)将定位套筒外圆与要套丝的螺桩外圆靠贴，采用夹具调整螺桩方位，观察螺桩外圆与套筒外圆沿母线方向的间隙，使上、下间隙均匀，然后锁住夹具位置，这样就将螺桩调整到了与工作台垂直。

3)然后抬起定位套筒，调整钻床主轴位置，使瓦片螺桩顺利插入定位套筒孔中，然后锁紧钻床主轴定位，这样就将钻床主轴中心线与瓦片螺桩中心线调整同心了。

4)卸下定位套筒。

5)换上装有倒角刀的倒角刀架。

6)倒角。

7)去除倒角毛刺。

8)卸下倒角刀架。

9)换上装有铰刀的铰刀架。

10)套铰螺桩外圆。

11)卸下铰刀架。

12)换上装有板牙的板牙架。

13)套丝。

14)卸下板牙架。

这样就完成了一个螺桩的套丝操作。重复以上步骤，分别加工其余4个螺桩，完成一个瓦片的加工。

这种方法有以下不足：

1)采用夹具调整螺桩方位，目视观察定位套筒外圆与螺桩外圆间隙来调整螺桩与工作台垂直，由于螺桩很短，目视观察误差较大。目视调整需仔细观察，反复调整，比较耗时。

2)采用瓦片螺桩插入定位套筒内孔的方法定中心，由于螺桩外圆存在铸造误差，配合间隙较大，定位误差较大。

3)每一个螺桩需要“装拆定位套筒、装拆倒角刀架、装拆铰刀架、装拆板牙架”这四个反复的拆装过程，都要使用工具装拆夹紧，消耗时间多，对生产效率影响很大。

经过现场实际检测，加工5个螺桩的一个瓦片平均工作时间27分钟。考虑工间休息等因素，一个钳工一个工作班8小时内仅能加工16个瓦片。而一台火焰筒上需要一百多个瓦片，这样的生产效率明显不适合批产需求。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置及方法，该装置能够快速准确地对待加工的螺桩进行定位，加工方法效率高。

为了达到上述目的，本发明加工装置采用如下技术方案：

包括用于加工瓦片上螺桩端部倒角的车床，以及用于加工螺桩上螺纹的摇臂钻床；车床上设置有车床夹具和车刀，摇臂钻床上设置有定位装置、套丝装置以及用于固定瓦片的套丝夹具；

车床夹具包括用于夹紧螺桩的自动定心两爪卡盘，自动定心两爪卡盘与车床主轴同心；

定位装置包括一端安装在摇臂钻床主轴上的板牙架，以及同轴套在板牙架另一端上的定心套，定心套的端部设置有锥形的顶尖孔，螺桩端部的倒角能够完全伸入该顶尖孔内且与顶尖孔的内壁相贴；

套丝装置包括在板牙架内同轴安装的板牙。

进一步地，套丝装置还包括能够同轴套在板牙架上的铰刀架，铰刀架的端部安装铰刀。

进一步地，定心套和铰刀架均能够通过挡销固定在板牙架上。

进一步地，车床夹具还包括固定在车床上的底座，自动定心两爪卡盘安装在底座上，自动定心两爪卡盘上设置有能够同步移动的第一卡爪和第二卡爪(14)。

进一步地，套丝夹具包括固定在摇臂钻床上的定位座，在定位座上安装有铰链压紧器。

进一步地，定位座上设置有用于支承瓦片的型面，型面与待加工的瓦片的曲面相匹配，在定位座上安装有V型块，V型块位于型面的最低点或最高点处，且能够沿型面最低点或最高点的纵剖面的切线方向滑动。

进一步地，V型块通过引导板安装在定位座上。

进一步地，瓦片为外环瓦片时，型面为凸弧面，V型块位于型面的最高点；瓦片为内环瓦片时，型面为凹弧面，V型块位于型面的最低点。

本发明加工方法的技术方案是：包括以下步骤：

步骤一：将瓦片安装在车床夹具上，通过车床夹具的自动定心两爪卡盘夹持待加工的螺桩的外圆，然后通过车刀加工螺桩端部的倒角；

步骤二：将瓦片安装在套丝夹具上定位并压紧，然后将装有板牙的板牙架安装在摇臂钻床的主轴上，在板牙架前端装上定心套，移动钻床主轴，将定心套端部的顶尖孔对准螺桩端头的倒角，钻床主轴向下顶紧倒角，然后锁紧钻床主轴位置；卸下定心套，钻床主轴直接向下使板牙对螺桩进行套丝，完成环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩螺纹加工。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在车床上采用与车床主轴同心的自动定心两爪卡盘，分别以每个螺桩的外圆快速夹紧并定位，节约了找正时间；在螺桩端头倒角，保证倒角与螺桩外圆同心；通过套丝夹具，能够很好地固定瓦片，利于稳定加工；通过设置带有顶尖孔的定心套，能够与螺桩上加工好的倒角相配合，使螺桩端部的倒角能够完全伸入该顶尖孔内且与顶尖孔的内壁相贴，从而定心，定位精度高，定位直接、速度快，利于提高螺桩的加工精度和加工效率。

进一步地，本发明中的定心套和铰刀架能够共用板牙架，节省装置部件。

进一步地，本发明通过在板牙架上设置挡销，能够徒手快速安装和拆卸定心套及铰刀架，使用方便。

进一步地，本发明通过采用铰链压紧器，能够快速压紧瓦片，换位、拆卸快捷。

进一步地，本发明通过设置与瓦片曲面相匹配的夹具型面，使瓦片能够在该型面的周向上自由转动；通过设置在型面最低点或最高点处的V型块，与螺桩的外圆定位，快速将待加工的螺桩定位到与型面的垂直方向，且定位准确。

本发明的加工方法，加工一个瓦片的时间不到15min，比现有加工方法减少工时50％以上；利于批量生产，适用于航空发动机环形火焰筒浮动壁瓦片上的螺桩的螺纹加工，也适用于航天发动机及其它行业有类似结构要求的外螺纹的加工。

【附图说明】

图1是内环瓦片的结构示意图；

图2是外环瓦片的结构示意图；

图3是本发明车床夹具的结构示意图；

图4是本发明套丝夹具的结构示意图；

图5(a)是本发明车床夹具的俯视图；图5(b)是图5(a)中A-A向剖视图；

图6(a)是本发明套丝夹具的俯视图；图6(b)是图6(a)中B-B向剖视图；

图7是本发明定心套与板牙架装配的示意图；

图8是本发明铰刀架与板牙架装配的示意图；

图9是瓦片螺桩倒角的结构示意图；

图10是板牙架的结构示意图；

图11(a)是定心套的局部侧视图，图11(b)是定心套的剖视图；

图12是铰刀架的结构示意图。

其中：1-车床夹具；2-套丝夹具；3-瓦片；4-螺桩；

11-底座；12-自动定心两爪卡盘；13-第一卡爪；14-第二卡爪；

21-定位座；22-活动V形块；23-引导板；24-铰链压紧器；

31-板牙架；32-挡销；33-板牙；34-定心套；35-铰刀架；36-铰刀。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图3至图4，本发明包括用于加工瓦片3上螺桩4端部倒角的数控车床，以及用于加工螺桩4上螺纹的摇臂钻床；车床上设置有车床夹具1和能轴向和径向移动的车刀，钻床上设置有定位装置、套丝装置以及用于固定瓦片3的套丝夹具2。

参见图5(a)和图5(b)，车床夹具1安装在与车床主轴相连的花盘上，工作时旋转，包括固定在花盘上的底座11，底座11上安装用于夹紧螺桩4的自动定心两爪卡盘12，自动定心两爪卡盘12与车床主轴同心；自动定心两爪卡盘12上设置有同步移动的第一卡爪13和第二卡爪14。在数控车床上倒角，利用自动定心两爪卡盘12的自定心功能，通过第一卡爪13和第二卡爪14夹持螺桩4外圆，同时露出螺桩4的端部，便于加工倒角。优点是提高了倒角与螺桩4外圆的同心度；节约了找正时间；利用数控车床的自动化优势，倒角速度快，尺寸一致性好。

参见图6(a)和图6(b)，套丝夹具2包括固定在钻床上的定位座21，定位座21上设置有支承瓦片3的型面，型面与待加工的瓦片3的曲面相匹配，瓦片3能够沿型面的周向滑动；在定位座21上通过引导板23安装有V型块22。沿型面周向调整瓦片，使待加工的螺桩4卡入V型块22中，推动V型块22，当V型块22的两个面都与螺桩4的外圆相切，即可准确定位。当瓦片3为外环瓦片时，定位座21的型面为凸弧面，V型块22位于凸弧面的最高点；瓦片3为内环瓦片时，定位座21的型面为凹弧面，V型块22位于凹弧面的最低点。

图6(a)中V型块22的V型面夹角θ＝90°；

图6(b)中半径r是指螺桩4的中心线与瓦片3型面的交点到环形火焰筒中心轴线的距离，由于瓦片3型面是回转曲面，母线是曲线，所以，在环形火焰筒轴线方向上，不同排的螺桩4的r尺寸一般是不相同的，此例中的r＝299mm。角度λ是指在螺桩4中心线与瓦片3型面的交点处，瓦片3型面母线的切线与环形火焰筒中心轴线的夹角，由于瓦片3型面是回转曲面，母线是曲线，所以，瓦片母线上不同点的切线方向一般是变化的，其角度λ尺寸一般也不相同，此例中的λ＝25°。D1是指螺桩4中心到瓦片3边缘的距离，在套丝夹具2上，瓦片3轴向采用边缘定位，D1用于确定螺桩4在套丝夹具2上的正确位置，此例中D1＝13mm。D2是指瓦片3宽度，用于确定瓦片3在套丝夹具2中的定位空间的大小，此例中D2＝32mm。

参见图7，定位装置包括一端与钻床主轴相连的板牙架31，以及同轴套在板牙架31另一端上的定心套34。定心套34内孔与板牙架31杆部外圆小间隙配合，前端部带顶尖孔，顶尖孔与定心套内孔保持同心。螺桩4端部的倒角能够完全伸入该顶尖孔内且与顶尖孔的内壁相贴；本发明用定心套34与螺桩4端头的倒角对顶确定钻床主轴位置，定位精度高；定心套34与板牙架31配合使用，采用快卸结构，徒手操作，装卸方便。

参见图8，套丝装置包括在板牙架31的内孔中同轴安装的板牙33，以及在板牙架31上能够同轴套装的铰刀架35，铰刀架35的前端内孔安装铰刀36。铰刀架35与板牙架31配合使用，采用快卸结构，徒手操作，装卸方便。

参见图9，本发明中要加工的螺桩4的倒角部分，倒角宽度D3＝1.0mm，端面直径R1＝3.0mm，外圆直径R2＝5mm，倒角的锥度β＝90°。

参见图10，板牙架31的内孔为台阶孔，其中心的小孔能够空开螺桩4，并便于清理铁屑，前部的大孔用于安装板牙33，且大孔的直径R3＝20mm，板牙架31前部的外圆直径R4＝30mm。

参见图11(a)和图11(b)，定心套34的后部设置有通槽，通槽为L型且在水平方向的末端有一个向后的半圆形延伸，形成一个轨道，挡销32固定在板牙架31上，端部突出板牙架31外表面；挡销32能够进入定心套34上的通槽并沿轨道进入半圆形延伸部分，通槽中的半圆形延伸部分的直径与挡销32的直径相等，方便快捷地将定心套34套装在板牙架31上。

定心套34的一端设置顶尖孔，顶尖孔锥度α＝90°，中心孔的直径R5＝2.5mm，口部直径R6＝6mm，与螺桩4端部的倒角相比，R5＜R1，R6＞R2，所以，螺桩4端部的倒角能够完全进入顶尖孔中，利于定位。如图11(b)所示，定心套34的总体高度为65mm，h1＝15mm，h2＝40mm，h3＝6mm，h4＝10mm；R7＝R4＝30mm，R8＝40mm。

参见图12，本发明中铰刀架35与定心套34的后端相同，该端也设置有相同的通槽，利于通过挡销32固定在板牙架31上；其前端依次设置有直径为12mm和20mm台阶孔，且在直径为20mm的孔中安装铰刀36。

本发明的加工方法包括以下具体步骤：

步骤一：车倒角

①在车床上装夹车床夹具1，通过自动定心两爪卡盘12的第一卡爪13和第二卡爪14，夹持一个待加工的螺桩4的外圆，找正车床夹具1的中心，使其与车床主轴同轴，然后压紧车床夹具1。

②装夹并调整车刀。

③装夹瓦片3，夹紧一个螺桩4。

④启动程序车倒角。

⑤拆卸瓦片3。

重复以上③、④、⑤，分别换位加工第二、第三、第四、第五个螺桩4。

步骤二：铰外圆、套丝

①装夹套丝夹具2，压紧。

②将装有板牙33的板牙架31装入钻床主轴锥孔中。

③以第一个螺桩4的外圆，通过V型块22定位瓦片3，将螺桩4定位到夹具型面最高点或最低点，然后通过铰链压紧器24压紧瓦片3。

④在板牙架31前端装上定心套34。

⑤摇臂钻床的主轴可在水平面上任意移动。移动钻床主轴，将定心套34端部的顶尖孔对准螺桩4端头的倒角，主轴向下顶紧倒角，然后锁紧主轴位置，此时主轴在水平面上的位置固定，主轴上下的伸缩不受限制。

⑥通过上下伸缩主轴，卸下定心套34并换装上铰刀架35。

⑦套铰螺桩4外圆。

⑧卸下铰刀架35。

⑨主轴直接向下，通过板牙33对螺桩4进行套丝。

⑩拆卸零件。

通过在定位座21的型面上周向滑动瓦片3，并重复工步③～⑩，分别换位加工第二、第三、第四和第五螺桩4。

本发明是主要解决单个瓦片3上多个不同空间方向螺桩4的精确定位和快速定位问题，以提高螺纹的加工效率，主要有以下优点：

1)在数控车床上，采用自动定心两爪卡盘12，分别以每个螺桩4的外圆快速夹紧并定位，在螺桩4端头倒角，保证倒角与螺桩4外圆同心。

2)采用套丝夹具2的型面与瓦片3型面贴合支承瓦片3，瓦片3在套丝夹具2的型面上可沿周向滑动调节，采用最低点/最高点的V型块22将螺桩4分别定位到夹具型面的最低点/最高点，保证螺桩4与定位座21的底面垂直，即保证螺桩4与摇臂钻床的主轴平行，利于通过钻床主轴的进给运动套丝。采用铰链压紧器24快速压紧瓦片3。

3)在摇臂钻床的主轴上，装上带板牙33的板牙架31，在板牙架31上套上中心带顶尖孔的定心套34，移动主轴位置，将定心套34的顶尖孔与螺桩4端头的倒角配合定心，压紧主轴，锁住钻床主轴位置，手动快速取下定心套34。

4)在板牙架31上套上装有铰刀36的铰刀架35，主轴向下进给套铰螺桩4外圆。手动快速取下铰刀架35，主轴向下进给套丝。

5)带浮动壁瓦片的火焰筒是新型航空发动机上的一种先进技术，这种技术能够明显提高火焰筒的耐温水平，提高火焰筒寿命和燃烧效率，是很有发展前途的一项航空发动机技术。采用本发明后，加工一个瓦片3不到15分钟，比原来减少工时50％以上。由于单台发动机使用的瓦片3数量很多，在批量生产条件下，该技术能产生很大的经济效益。

Claims (9)

1.一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：包括用于加工瓦片(3)上螺桩(4)端部倒角的车床，以及用于加工螺桩(4)上螺纹的摇臂钻床；车床上设置有车床夹具(1)和车刀，摇臂钻床上设置有定位装置、套丝装置以及用于固定瓦片(3)的套丝夹具(2)；

车床夹具(1)包括用于夹紧螺桩(4)的自动定心两爪卡盘(12)，自动定心两爪卡盘(12)与车床主轴同心；

定位装置包括一端安装在摇臂钻床主轴上的板牙架(31)，以及同轴套在板牙架(31)另一端上的定心套(34)，定心套(34)的端部设置有锥形的顶尖孔，螺桩(4)端部的倒角能够完全伸入该顶尖孔内且与顶尖孔的内壁相贴；

套丝装置包括在板牙架(31)内同轴安装的板牙(33)。

2.根据权利要求1所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：套丝装置还包括能够同轴套在板牙架(31)上的铰刀架(35)，铰刀架(35)的端部安装铰刀(36)。

3.根据权利要求2所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：定心套(34)和铰刀架(35)均能够通过挡销(32)固定在板牙架(31)上。

4.根据权利要求1所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：车床夹具(1)还包括固定在车床上的底座(11)，自动定心两爪卡盘(12)安装在底座(11)上，自动定心两爪卡盘(12)上设置有能够同步移动的第一卡爪(13)和第二卡爪(14)。

5.根据权利要求1所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：套丝夹具(2)包括固定在摇臂钻床上的定位座(21)，在定位座(21)上安装有铰链压紧器(24)。

6.根据权利要求5所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：定位座(21)上设置有用于支承瓦片(3)的型面，型面与待加工的瓦片(3)的曲面相匹配，在定位座(21)上安装有V型块(22)，V型块(22)位于型面的最低点或最高点处，且能够沿型面最低点或最高点的纵剖面的切线方向滑动。

7.根据权利要求6所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：V型块(22)通过引导板(23)安装在定位座(21)上。

8.根据权利要求6所述的一种环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置，其特征在于：瓦片(3)为外环瓦片时，型面为凸弧面，V型块(22)位于型面的最高点；瓦片(3)为内环瓦片时，型面为凹弧面，V型块(22)位于型面的最低点。

9.一种采用如权利要求1所述环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩加工装置进行的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将瓦片(3)安装在车床夹具(1)上，通过车床夹具(1)的自动定心两爪卡盘(12)夹持待加工的螺桩(4)的外圆，然后通过车刀加工螺桩(4)端部的倒角；

步骤二：将瓦片(3)安装在套丝夹具(2)上定位并压紧，然后将装有板牙(33)的板牙架(31)安装在摇臂钻床的主轴上，在板牙架(31)前端装上定心套(34)，移动钻床主轴，将定心套(34)端部的顶尖孔对准螺桩(4)端头的倒角，钻床主轴向下顶紧倒角，然后锁紧钻床主轴位置；卸下定心套(34)，钻床主轴直接向下使板牙(33)对螺桩(4)进行套丝，完成环形火焰筒浮动壁瓦片螺桩螺纹加工。