CN108466079A - 复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，包括六面体底座，底座的顶面贯穿其左、右侧面设置有方槽，方槽在底座的顶面形成放置开口，开口用于放置待夹持加强边的方坯工艺底座或模锻毛坯工艺底座，底座的前侧面靠近左侧面处设有坐标系转换块，坐标系转换块的前侧面为第一平面，底座的前侧面靠近右侧面处竖直设有与方槽内壁夹角为的第二平面，第一平面与第二平面在同一平面内，底座的右侧面靠近前侧面处竖直设有与第二平面垂直的第三平面，第一平面、第二平面、第三平面和方槽底面为加工模锻毛坯时的基准面，底座的右侧面、方槽底面与方槽内侧面为加工方坯时的基准面。填补了现有技术中缺少复合材料风扇叶片前缘金属加强边方坯和锻件毛坯两用夹具的空白。

Description

复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具

【技术领域】

本发明属于机械加工技术领域，具体涉及复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具。

【背景技术】

风扇叶片是现代商用飞机发动机最重要的部件之一，据统计，风扇段质量约占发动机总质量的30％-35％，降低风扇段质量是降低发动机质量和提高发动机效率的关键手段，采用更大、更轻的风扇叶片已成为航空发动机的发展趋势。此外，大涵道比涡扇发动机的主要推力来自流经外涵道的冷空气，要满足较大的涵道比，必须采用较大尺寸的风扇。采用复合材料风扇叶片是实现发动机更高涵道比和减重的一种重要途径。与传统钛合金叶片相比，树脂基复合材料风扇叶片使得发动机性能更优、效率更高，具有更优异的抗颤震性能和损伤容限能力，但其不足之处在于其抗外物撞击能力(如鸟撞、冰雹等)较弱、进排气边在高速旋转时易分层、抗侵蚀能力差。为了解决复合材料风扇叶片的这一缺点，采用了金属片(一般为钛合金)或保护套对其前缘(进气边)进行保护，有的甚至对后缘(排气边)和叶尖进行全部保护，可以使外物损伤能量得以消散，使得外部撞击力尽可能少的传递到树脂基复合材料风扇叶片基体上。

目前，国内还没有对前缘金属加强边的数控加工开展深入研究，金属加强边截面为呈V型，分为前缘实心部分，叶身空心区域，是一种典型的双薄壁零件。同时其还具有超长、超窄、超薄等特点，目前的钣金成形、3D打印等工艺方法还不足以加工该类零件，因此目前只能通过数控加工方式实现一次成形。由于内腔空间狭小，零件整体扭曲严重，所以刀具摆动范围狭窄，数控程序复杂，加工难度大。并且其外形、内腔全部由自由曲面构成，无加工基准，因此必须设计专用夹具实现毛坯夹持固定、设定基准的作用。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，以填补现有技术中缺少加强边方坯和锻件毛坯两用夹具的空白。

本发明所采取的技术方案是：复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，包括六面体底座，底座的顶面贯穿其左、右侧面设置有方槽，方槽在底座的顶面形成放置开口，开口用于放置待夹持加强边的方坯工艺底座或模锻毛坯工艺底座，底座的前侧面靠近左侧面处设有坐标系转换块，坐标系转换块的前侧面为第一平面，底座的前侧面靠近右侧面处竖直设有与方槽内壁夹角为的第二平面，第一平面与第二平面在同一平面内，底座的右侧面靠近前侧面处竖直设有与第二平面垂直的第三平面，第一平面、第二平面、第三平面和方槽底面为加工模锻毛坯时的基准面，底座的右侧面、方槽底面与方槽内侧面为加工方坯时的基准面。

进一步的，底座的左右两侧面上分别设置有用于封闭方槽的挡板。

进一步的，底座后侧面向着方槽内壁设置有若干个用于安装顶紧螺栓来限制待夹持加强边位置的螺纹通孔。

进一步的，底座的前、后侧面上分别均匀开设有三个压板槽。

进一步的，底座的顶面为与待夹持加强边延伸路径相符的曲面。

进一步的，底座的顶面位于方槽的两侧设置有L形台阶。

本发明采用的第二种技术方案是：一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的装夹方法，按照以下步骤实施：

步骤1、如果待加工毛坯是方坯：将底座放置于机床工作台中心，利用第六平面将夹具拉直，利用第四平面、第六平面与第五平面建立加工坐标系；其中第四平面为X方向基准面，第六平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

如果待加工毛坯是模锻毛坯：将底座放置于机床工作台中心，利用第一平面、第二平面将夹具拉直，利用第二平面、第三平面与第五平面坐标值经过计算后建立加工坐标系；其中第三平面为X方向基准面，第二平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

坐标系计算公式如下：

X＝x_面3+d_x (1-4)，

Y＝y_面2-d_y (1-5)，

Z＝z_面5 (1-6)，

X——加工坐标系原点在机床坐标系中的x坐标值；

x_面3——第三平面在机床坐标系中的x坐标值；

d_x——第三平面与加工坐标系原点的距离；

Y——加工坐标系原点在机床坐标系中的y坐标值；

y_面2——第二平面在机床坐标系中的y坐标值；

Z——加工坐标系原点在机床坐标系中的z坐标值；

z_面5——第五平面在机床坐标系中的z坐标值。

上述公式是为了通过各基准面在机床坐标系下x、y、z坐标值以及各基准面与加工坐标系原点之间距离，计算出加工坐标系原点在机床坐标系下x、y、z坐标值，然后设定加工坐标系。

在数控机床中有机床坐标系与加工坐标系，前者原点及X、Y、Z轴正方向是由厂家设定，用户无法修改，也是机床的基准坐标系；后者为加工中为了用户方便使用设定的坐标系，用户可以修改其原点位置以便应用于加工中，但两者各轴正方向平行。设定加工坐标系的过程即寻找其原点在机床坐标系坐标位置。

在底座1中无法直接确定锻件毛坯加工坐标系原点位置，所以在底座1上设计平行于加工坐标系XOY、XOZ、YOZ平面的基准面。为了在机床中寻找加工坐标系原点在机床坐标系下的X、Y、Z坐标位置，通过各个基准面在机床坐标系下的坐标信息以及距离加工坐标系原点距离推算原点在机床坐标系下的坐标位置，从而设定加工坐标系。

步骤2、利用压板槽将夹具底座固定在机床工作台上，将一个挡板安装于底座一端，使挡板与第四平面紧紧贴合，再将毛坯放置于方槽内，使毛坯与挡板贴合；

步骤3、利用顶紧螺栓固定毛坯，使得毛坯的工艺底座侧面与第六平面贴合；

步骤4、安装另一挡板于底座的另一端，并顶紧毛坯，最终使得毛坯在夹具中正确的位置上完全固定。

本发明具有以下有益效果：夹具底座上设计了两套基准面，且两套基准面之间的水平夹角为两者分别用于设定方形毛坯与模锻毛坯加工坐标系；采用顶紧螺栓和挡板的方式对毛坯进行固定，能够有效防止毛坯偏离加工位置；夹具只夹持工艺底座，零件部分完全位于底座上面，开敞性好，降低夹具与机床、刀具干涉的几率。

【附图说明】

图1本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具中方坯与模锻毛坯的示意图；

图2本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的夹具放置几何关系示意图；

图3本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的零部件与基准面示意图；

图4本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的结构示意图；

图5本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的俯视图；

图6本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具方坯装夹示意图；

图7本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具模锻毛坯装夹示意图。

图中，1.底座；2.坐标系转换块；3.顶紧螺栓；4.挡板；5.连接螺栓；6.压板槽。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做进一步说明。

本发明提供了一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，为了更清楚的描述该技术方案，但并不限制本技术方案的方向，以图3的视角为例定义底座1六个面的方向：底座1设置方槽开口处为顶面，其相对面为底面；底座1设置有坐标转换块2的侧面为前侧面，其相对面为后侧面，其左右两侧分别为左侧面和右侧面。

夹具包括六面体底座1，底座1的顶面贯穿其左、右侧面设置有方槽，方槽用于放置毛坯。方槽在所述底座1的顶面形成放置开口，所述开口用于放置待夹持加强边的方坯工艺底座或模锻毛坯工艺底座，底座1的前侧面靠近左侧面处设有坐标系转换块2，坐标系转换块2的前侧面为第一平面，底座1的前侧面靠近右侧面处竖直设有与方槽内壁夹角为的第二平面，第一平面与所述第二平面在同一平面内，底座1的右侧面靠近前侧面处竖直设有与第二平面垂直的第三平面，第一平面、第二平面、所述第三平面和方槽底面为加工模锻毛坯时的基准面，底座1的右侧面、方槽底面与方槽内侧面为加工方坯时的基准面。

其中，底座1的左右两侧面上分别设置有用于封闭方槽的挡板4，挡板4使得工艺底座侧面与底座右侧面位于同一平面内。第三平面需要位于挡板4的上方，在实际加工中起到设置X方向基准作用。底座1后侧面向着方槽内壁设置有若干个用于安装顶紧螺栓3的螺纹孔。顶紧螺栓可以使毛坯与第六平面6紧紧贴合保证加工精度，并起到增加摩擦力避免毛坯在槽内沿槽长度方向晃动。底座1的前、后侧面上分别开设有三个压板槽6。压板槽与压板配合，将夹具压紧在机床工作台上。底座1的顶面为与待夹持加强边延伸路径相符的曲面。底座上部曲面的形状是根据零件外形来决定的，曲面能增大挡板与工艺底座的接触面积，使得零件装夹更加稳固。底座1的顶面位于方槽的两侧设置有L形台阶。L形台阶都起到增大夹持面积的作用，有利于固定毛坯。

如图1所示，本发明中的毛坯包括方坯和模锻毛坯。由于模锻毛坯设计与方坯不同，在设计过程中由于锻件毛坯与方形毛坯设计理念不同导致两者工艺底座之间形成夹角即两者中的零件位置完全重合后，工艺底座之间的夹角记为即模锻毛坯的工艺底座与方坯在水平面内会产生夹角如图1所示。所以夹具装夹模锻毛坯后，夹具与毛坯的相对位置发生了变化，如图2所示。复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具上适用于方坯的加工坐标系的基准面就无法直接利用。为了实现两种毛坯在一个加工坐标系一个夹具加工，所以需要在底座1上增加坐标转换块2和新的基准面来重新确定方坯的加工坐标系。

如图3所示，夹具底座1中基准面相互关系为：令坐标系转换块2的前侧面为第一平面，底座1的前侧面靠近右侧面处竖直设有与方槽内壁夹角为的第二平面，底座1的右侧面靠近前侧面处竖直设有与第二平面垂直的第三平面，底座1的右侧面为第四平面，方槽底面为第五平面，方槽一个内侧面为第六平面。

其中，第一平面、第二平面位于同一平面内，第一平面、第二平面和第三平面都为与第五平面垂直的竖直面。第一平面、第二平面、第三平面和第五平面为加工模锻毛坯时的基准面。

第四平面和第六平面均为竖直平面，第五平面未水平面，第四平面、第五平面和第六平面两两面垂直。第四平面、第五平面和第六平面为加工方坯时的基准面。

本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的装夹步骤如下：

步骤1、如果待加工毛坯是方坯：将底座1放置于机床工作台中心，利用第六平面将夹具拉直，利用第四平面、第六平面与第五平面建立加工坐标系；其中第四平面为X方向基准面，第六平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

如果待加工毛坯是模锻毛坯：将底座1放置于机床工作台中心，利用第一平面、第二平面将夹具拉直，利用第二平面、第三平面与第五平面坐标值经过计算后建立加工坐标系；其中第三平面为X方向基准面，第二平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

坐标系计算公式如下：

X＝x_面3+d_x (1-7)，

Y＝y_面2-d_y (1-8)，

Z＝z_面5 (1-9)，

式中：

X——加工坐标系原点在机床坐标系中的x坐标值；

x_面3——第三平面在机床坐标系中的x坐标值；

d_x——第三平面与加工坐标系原点的距离；

Y——加工坐标系原点在机床坐标系中的y坐标值；

y_面2——第二平面在机床坐标系中的y坐标值；

Z——加工坐标系原点在机床坐标系中的z坐标值；

z_面5——第五平面在机床坐标系中的z坐标值。

上述公式是为了通过各基准面在机床坐标系下x、y、z坐标值以及各基准面与加工坐标系原点之间距离，计算出加工坐标系原点在机床坐标系下x、y、z坐标值，然后设定加工坐标系。

步骤2、利用压板槽4将夹具底座1固定在机床工作台上，将一个挡板4安装于底座1一端，使所述挡板4与第四平面紧紧贴合，再将毛坯放置于方槽内，使毛坯与所述挡板4贴合；

步骤3、利用顶紧螺栓3固定毛坯，使得毛坯的工艺底座侧面与第六平面贴合；

步骤4、安装另一挡板4于底座1的另一端，并顶紧毛坯，最终使得毛坯在夹具中正确的位置上完全固定。安装完成后示意图，如图6、图7所示。

本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的底座1整体外形通常为长方体，其顶面为与前缘金属加强边外形曲线相符的曲面顶面。在底座1上半部分沿其长度方向有一开口向上的贯通方槽，方槽一侧设有若干个螺纹孔，用来上紧顶紧螺栓，方槽的一内侧面(即第六平面)与方槽底面(即第五平面)、底座1右端面(即第四平面)为基准面用来设定方形毛坯加工坐标系。在底座1的前侧面右端设有一竖直面(即第二平面)并与方槽内侧面(即第六平面)夹角为底座1前侧面的左端用螺栓固定一坐标转换块2，坐标转换块2的竖直前侧面(即第一平面)与第二平面在同一竖直面内。此外在底座1的右侧面处设置有一小竖直面(即第三平面)，使得其与第一平面和第二平面垂直。

图3中，底座1是夹具的主体部分，方槽用来放置毛坯，其上部曲线外形与L形台阶都起到增大夹持面积的作用，有利于固定毛坯。用连接螺栓5将挡板4固定于夹具底座1上，将加强边毛坯底座三个端面紧贴于挡板4和方槽内表面中，上紧顶紧螺栓3，然后将另一端挡板固定于夹具本体，使毛坯夹紧固定在夹具上。挡板4可以限制毛坯的3个自由度包括1个平移自由度X，2个转动自由度A、C，并且让毛坯端面与夹具底座的右端面(基准面)对齐。方槽的内表面可以限制毛坯的3个自由度，包括2个平移自由度Y、Z，1个转动自由度B。因此，本复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具可以实现毛坯的完全定位。

本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的发明点是在夹具底座1上设计了两套基准面，且两套基准面之间的水平夹角为两者分别用于设定方形毛坯与模锻毛坯加工坐标系。本发明复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具采用顶紧螺栓和挡板的方式对毛坯进行固定，能够有效防止毛坯偏离加工位置。夹具只夹持工艺底座，零件部分完全位于底座上面，开敞性好，降低夹具与机床、刀具干涉的几率。夹具底座1中有两组相互垂直的平面，其中一组确定方坯的加工坐标系，另外一组和坐标系转换块一起确定锻件毛坯的加工坐标系。

通常在实际加工中，每个零件从小批量试制到大批量加工这个过程中所使用的工艺不同，毛坯设计方法不同，所以夹具工装也会设计多套，这就会导致浪费。前缘金属加强边在进行小批量试制中采用方坯，大批量加工中采用更节省材料的模锻毛坯，由于两者设计方法不同就会导致前期试制中夹具无法应用于后期大批量生产中。本发明通过设计两组基准平面实现两种不同设计理念的毛坯在同一夹具上生产加工，在小批量试制与大批量生产中仅需要一套夹具即可完成生产研发任务，减少资源浪费。

Claims (7)

1.复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，包括六面体底座(1)，所述底座(1)的顶面贯穿其左、右侧面设置有方槽，所述方槽在所述底座(1)的顶面形成放置开口，所述开口用于放置待夹持加强边的方坯工艺底座或模锻毛坯工艺底座，所述底座(1)的前侧面靠近左侧面处设有坐标系转换块(2)，所述坐标系转换块(2)的前侧面为第一平面，所述底座(1)的前侧面靠近右侧面处竖直设有与方槽内壁夹角为的第二平面，所述第一平面与所述第二平面在同一平面内，所述底座(1)的右侧面靠近前侧面处竖直设有与第二平面垂直的第三平面，所述第一平面、所述第二平面、所述第三平面和方槽底面为加工模锻毛坯时的基准面，所述底座(1)的右侧面、方槽底面与方槽内侧面为加工方坯时的基准面。

2.如权利要求1所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，所述底座(1)的左右两侧面上分别设置有用于封闭方槽的挡板(4)。

3.如权利要求1或2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，所述底座(1)后侧面向着方槽内壁设置有若干个用于安装顶紧螺栓(3)来限制待夹持加强边位置的螺纹通孔。

4.如权利要求1或2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，所述底座(1)的前、后侧面上分别均匀开设有三个压板槽(6)。

5.如权利要求1或2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，所述底座(1)的顶面为与待夹持加强边延伸路径相符的曲面。

6.如权利要求1或2所述的复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具，其特征在于，所述底座(1)的顶面位于方槽的两侧设置有L形台阶。

7.一种复合材料风扇叶片前缘金属加强边两种毛坯加工两用夹具的装夹方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1、如果待加工毛坯是方坯：将底座(1)放置于机床工作台中心，利用第六平面将夹具拉直，利用第四平面、第六平面与第五平面建立加工坐标系；其中第四平面为X方向基准面，第六平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

如果待加工毛坯是模锻毛坯：将底座(1)放置于机床工作台中心，利用第一平面、第二平面将夹具拉直，利用第二平面、第三平面与第五平面坐标值经过计算后建立加工坐标系；其中第三平面为X方向基准面，第二平面为Y方向基准面，第五平面为Z方向基准面；

坐标系计算公式如下：

X＝x_面3+d_x (1-1)，

Y＝y_面2-d_y (1-2)，

Z＝z_面5 (1-3)，

X——加工坐标系原点在机床坐标系中的x坐标值；

x_面3——第三平面在机床坐标系中的x坐标值；

d_x——第三平面与加工坐标系原点的距离；

Y——加工坐标系原点在机床坐标系中的y坐标值；

y_面2——第二平面在机床坐标系中的y坐标值；

Z——加工坐标系原点在机床坐标系中的z坐标值；

z_面5——第五平面在机床坐标系中的z坐标值；

步骤2、利用压板槽(4)将夹具底座(1)固定在机床工作台上，将一个挡板(4)安装于底座(1)一端，使所述挡板(4)与第四平面紧紧贴合，再将毛坯放置于方槽内，使毛坯与所述挡板(4)贴合；

步骤3、利用顶紧螺栓(3)固定毛坯，使得毛坯的工艺底座侧面与第六平面贴合；

步骤4、安装另一挡板(4)于底座(1)的另一端，并顶紧毛坯，最终使得毛坯在夹具中正确的位置上完全固定。