CN108531847A - 一种等离子物理气相沉积用多工位回转工装装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子物理气相沉积用多工位回转工装装置涉及等离子喷涂领域，该多工位回转工装装置由公转系统、自转系统、控制系统、支撑机架四部分组成；其中公转系统由电主轴机构、旋转架机构、公转齿轮机构三部分组成；自转系统由万向节机构、自转轴机构两部分组成。该装置可实现单轴输入多轴输出，具有公转和自转的功能,可满足多个回转体零件回转面涂层制备的使用需求；采用该带角度工装装置后，工件喷涂厚度获得大幅度改善，解决了具有遮蔽严重区域或弯扭较大区域工件的涂层均匀过渡；该装置工位设置合理恰当，机构运行稳定可靠，能严格控制产品涂层的厚度均匀性与一致性，特别适用于燃气涡轮发动机涡轮叶片表面涂层的制备；提高生产效率与产能。

Description

一种等离子物理气相沉积用多工位回转工装装置

技术领域

本发明涉及等离子喷涂领域，具体涉及等离子物理气相沉积过程中，对多个工件进行自动回转喷涂的多工位回转工装装置。

背景技术

燃气涡轮发动机高压涡轮导向叶片，尤其是多联体导向叶片，具有复杂型面和遮蔽因素，其表面的涂层多为大气等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB‐PVD)技术制备。上述两种传统技术均为视线沉积技术，即可见的位置容易沉积涂层，在遮蔽严重区域或弯扭较大区域，难以获得组织和厚度均匀的涂层，会影响燃气涡轮发动机涡轮叶片表面的热障涂层热防护效果。本世纪初以来，国内外发展了一种新型的制备技术—等离子物理气相沉积技术(PS‐PVD)，该技术具有大光斑直径(可达φ400mm)、高等离子体速度和长等离子体焰流(可到2m以上)等特点，制备的热障涂层可以兼顾APS和EB‐PVD涂层的结构特点，具有高隔热、长寿命等特性，被认为是未来热障涂层制备技术必然发展趋势和方向之一。由于PS‐PVD工艺过程中，大尺寸光斑和高速焰流等特征，该技术可以实现非视线沉积，满足多联体导向叶片遮蔽区域涂层均匀制备和组织结构可控涂层制备需求。但是喷涂沉积过程中，被喷涂沉积工件被等离子射流基本完全覆盖，在沉积过程中容易导致基体瞬间热流量输入过大或过热等影响涂层制备和沉积加工过程的相关问题，另外由于等离子体射流长，前端喷枪夹持机械手或行走装置的调节幅度有限，难以像普通大气等离子喷涂(喷涂距离一般60～120mm)大角度调节喷枪实现不同位置喷涂，因而必须配合喷枪姿态摆动设计工装装置配合高质量喷涂沉积。

传统的工装均采用工件垂直放置加旋转的单工位喷涂方式，工装只能实现单轴输入单轴输出的简单单一模式，即实现沿自身自转轴轴线旋转运动，工装实现单一工件喷涂；采用传统的单工位工装喷涂方式，由于多联体导向叶片具有复杂型面和遮蔽部分，易造成涂层厚度偏薄，过渡区域衔接不均匀等不足。在常规大气等离子喷涂过程中，由于焰流长度短，等离子体直径小，喷涂距离近等特点，通过喷涂姿态调整可以实现多联体导向叶片缘板和叶身涂层的均匀过渡；而在PS‐PVD工艺过程中，由于喷涂速度、等离子体直径等问题，小角度位置(缘板及缘板与叶身交界处)难以沉积高质量涂层，必须加以解决。另外从生产效率考虑以及工艺过程考虑，控制多工位无干扰的均匀沉积是提高生产效率的关键，同时可控的自转速度和角度，是控制多联体叶片表面涂层沉积温度以及最终涂层沉积均匀性和组织结构可控生长的关键途径之一，必须克服目前喷涂辅助工装技术的缺陷，针对PS‐PVD工艺开发新型的回转工装装置，满足工艺过程使用及大规模生产需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在等离子物理气相沉积过程中，对多个燃气涡轮发动机多联体涡轮叶片工件进行自动回转喷涂的多工位回转工装装置，可实现提高生产效率与产能水平以及能严格控制工件厚度均匀性与一致性。

另外此多工位回转工装装置亦可实现单轴输入多轴输出，实现多个工件公转与自转同时旋转，且保证各个工件旋转速度均匀、可调。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：多工位回转工装装置由公转系统(1)、自转系统(2)、控制系统(3)、支撑机架(4)四部分组成；其中公转系统由电主轴机构(101)、旋转架机构(102)、公转齿轮机构(103)三部分组成；自转系统由万向节机构(201)、自转轴机构(202)两部分组成。

所述电主轴机构(101)由电机(1011)、减速器(1012)、联轴器(1013)、主传动轴(1014)、主传动轴承套(1015)以及主传动轴承(1016)组成；主转动轴(1014)输出端为圆盘形状，在中心圆周方向上为旋转架设有螺纹孔，用来安装固定旋转架机构；电主轴机构可实现带载条件下长时间工作，并且主传动轴转速连续可调，实现无级变速。

所述旋转架机构(102)由旋转盘(1021)、连接杆(1022)、公转小齿轮托架(1023)组成；旋转盘(1021)大体为类凹型薄壁回转体；在旋转盘(1021)底部有定位台，用于与主传动轴(1014)输出端进行定位；并且与主传动轴(1014)输出端对应处存在相应大小的通孔，用以安装螺栓，紧固旋转盘(1021)；旋转盘(1021)凹面角度为120度，在凹面上均布有六个高精度圆形安装面，并且每个高精度圆形安装面中心方向上均布有四个螺纹孔，中心为通孔，用于安装自转系统(2)；在旋转盘(1021)外沿方向上均布六组通孔，每组在相应圆周方向上设有四个大小相等的通孔，用于安装六根连接杆(1022)。连接杆(1022)为圆柱体结构，在上表面圆周方向上开设与旋转盘外沿方向上相对应的螺纹孔，通过螺栓将连接轴与旋转盘(1021)紧固；下表面也为公转小齿轮托架(1023)开设了螺纹孔，用于连接公转小齿轮托架(1023)。旋转架机构(102)可实现将电主轴机构(101)输出扭矩通过旋转盘(1021)、连接杆(1022)、公转小齿轮托架(1023)，传递到公转小齿轮传动机构(1022)上，从而实现动力的传递。

所述公转齿轮机构(103)由公转大齿轮盘(1031)和公转小齿轮传动机构(1032)组成；公转小齿轮传动机构(1032)又包括公转小齿轮轴承套(10321)、公转小齿轮轴承(10322)、公转小齿轮轴承端盖(10323)、公转小齿轮轴(10324)；公转大齿轮盘(1031)在圆周方向上开设两排通孔，用于固定在支撑机架(4)上；公转小齿轮传动机构(1032)通过与公转大齿轮盘(1031)齿轮啮合，实现公转小齿轮绕着公转大齿轮做圆周运动，实现公转转动，也实现公转小齿轮轴沿自身轴线转动。

所述自转轴机构(202)由自转轴传动机构(2021)以及夹持机构(2022)组成，自转轴传动机构又包括自转轴轴承(20211)、自转轴轴承套(20212)、自转轴轴承端盖(20213)、自转轴(20214)；通过万向节机构(201)将公转小齿轮轴与自转轴相连接，实现将小齿轮轴动力传递到自转轴上，并且自转轴传动机构通过自转轴轴承套安装在旋转盘凹面的高精度圆形安装面上，从而实现将不同轴线两轴动力传输，实现自转轴转动。夹持机构(2022)通过键与自转轴相连接，夹持机构可依据工件尺寸、形状等实际情况专门设计，夹持机构采用可拆卸设计，方便根据不同设计更换与安装。

所述控制系统(3)，主要控制电动机转速，通过电动机本身所带有编码器进行反馈监测，实现电机转速调节全闭环控制，也实现无级变速。

所述支撑机架(4)，机架(401)为圆盘结构，中间设有主传动轴承安装套，用来安装主传动轴，在机架与公转大齿轮盘相对应处也开设两排螺纹孔，用于安装公转大齿轮，机架又通过圆环支撑架(402)支撑，可根据高度大小专门设计，支撑机架负责整个多工位回转工装装置的支撑。并且在旋转盘上设置隔板(403)，将每个工位相隔开，实现各个工位工作互不干涉，达到屏蔽保护作用。

此多工位回转工装装置运行在超低压环境的真空罐中，在真空环境下，空气稀薄，不具有热交换，环境温度可达一二百度，产生的高温会对机械结构产生热应力，使机械结构发生变形，会影响机械运转的精度，而且高温对电机运转也有很大影响，因此多工位回转工装装置须具有热防护功能；通过在回转工装最大直径处采用水冷隔套设计；水冷隔套外形为圆柱形套筒形式，采用方形金属管盘绕在圆柱形套筒内表面，起到吸收焰流高温、隔绝传动装置与焰流以及起到一定防尘功能，水冷隔套采用可拆卸设计，根据实际使用情况，可定期拆下，进行喷砂等处理；电机散热装置为按照电机外形量身设计的水冷结构，采用圆形金属水管按照一定方向缠绕在电机机身上，通过金属水管内冷却水循环，带走电机工作产生的热量，保障电机可适应在高温下工作。并且喷涂作业过程中会产生大量粉尘，粉尘如若沉积到机械结构上，不仅会导致整个工装重量加重，负载增大，也会导致机械结构卡死，因此多工位回转工装装置须具有较高防尘等级，关键件设计与选型均考虑了产品防护等级，电机、减速器等零件防护等级均达到IP65，可保障防尘性能；另外，还对外部裸露部分加装了防护措施，从而保证了该设备整体具备了在恶劣喷涂环境下长时间良性工作的能力。

该多工位回转工装装置巧妙运用行星轮与万向节相结合设计方式，达到一轴输入，多轴输出，实现公转与自转于一体，实现自转轴变角度输出，该结构工装具有较好热防护与防尘功能，可适应在超低压、高温等恶劣喷涂环境下长时间良性工作。通过使用该结构工装，可有效提高双联体导向叶片遮蔽严重喉道区域涂层厚度，并且有效提高了涂层的厚度均匀性，同时大幅度提高了生产效率。

本发明突出优点在于：

1、本多工位回转工装装置采用一轴输入多轴输出，实现多个工件公转与自转同时旋转，且保证各个工件旋转速度均匀、可调。

2、本装置设置多个工位，实现多工位同时工作，且工位设置合理恰当,机构运行稳定可靠，能严格控制工件表面涂层厚度均匀性与一致性。

3、整个装置结构简单紧凑，采用了大量标准件，制造简单，成本低，安装较容易。

4、本装置巧妙采用万向节机构实现不同轴线两轴动力传输，实现自转轴变角度输出，可以保证整个多联体叶片不同位置涂层厚度和组织结构均匀性。

5、夹持机构可依据工件尺寸、形状等实际情况专门设计，采用可拆卸设计，方便更换与安装。

6、此装置采用隔板设计，将每个工位相隔开，实现各个工位工作互不干涉，达到屏蔽保护作用。

7、该结构工装具有较高热防护与防尘功能，可适应在超低压、高温等恶劣喷涂环境下长时间良性工作的能力。

技术效果

制备生产实际的应用，可以充分利用该多工位回转工装装置进行喷涂作业；本多工位回转工装装置采用单轴输入多轴输出，具有公转和自转的功能，公转系统进行公转，旋转盘均布的六个高精度圆形安装面上固定多个自转系统可实现自转，公转与自转速度连续可调；该多工位回转工装装置可用于多个回转体零件回转面等离子物理气相沉积喷涂涂层；该多工位回转工装装置，工位设置合理恰当，机构运行稳定可靠，能严格控制产品涂层的厚度均匀性与一致性；同时，可有效提高产品的生产效率与产能水平。

附图说明

图1是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置立体结构示意图；

图2是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置公转系统结构示意图；

图3是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置自转系统结构示意图；

图4是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置电主轴机构示意图；

图5是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置旋转架机构示意图；

图6是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置公转齿轮机构示意图；

图7是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置公转小齿轮传动机构示意图；

图8是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置自转轴机构示意图；

图9是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置自转轴传动机构示意图；

图10是一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置支撑机架结构示意图；

图11是采用该工装喷涂双联体导向叶片遮蔽严重喉道区域涂层厚度示意图。

附图中各部件的标记如下：1公转系统、2自转系统、3控制系统、4支撑机架

101电主轴机构、102旋转架机构、103公转齿轮机构

201万向节机构、202自转轴机构

1011电机、1012减速器、1013联轴器、1014主传动轴、1015主传动轴承套、1016主传动轴承

1021旋转盘、1022连接杆、1023公转小齿轮托架

1031大齿轮盘、1032公转小齿轮传动机构

10321公转小齿轮轴承套、10322公转小齿轮轴承、10323公转小齿轮轴承端盖、10324公转小齿轮轴

2021自转轴传动机构、2022夹持机构

20211自转轴轴承、20212自转轴轴承套、20213自转轴轴承端盖、20214自转轴

401机架、402圆环支撑架、403隔板

具体实施方式

下面对本发明的具体实施做详细说明，所述说明在本发明提出的技术方案下实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明设计了一种等离子喷涂领域多工位回转工装装置，该多工位回转工装装置由公转系统、自转系统、控制系统、支撑机架四部分组成；公转系统安装到支撑机架上，实现公转转动，自转系统安装到公转系统的高精度安装面上，实现自传转动，控制系统通过控制公转系统电主轴机构电机转速，实现单轴输入多轴输出，实现多个工件公转与自转同时旋转，且保证各个工件旋转速度均匀、可调。

如图2、4、5、6、7、10所示，公转系统由电主轴机构、旋转架机构、公转齿轮机构三部分组成，电主轴机构由电机、减速器、联轴器、主传动轴、主传动轴承套以及主传动轴承组成；旋转架机构由旋转盘、连接杆、公转小齿轮托架组成；公转齿轮机构由公转大齿轮盘和公转小齿轮传动机构组成。

电主轴机构通过电机、减速器、联轴器、主传动轴承套以及主传动轴承带动主传动轴转动；主传动轴通过螺栓与旋转架机构的旋转盘连接在一起，六根连接杆通过螺栓连接到旋转盘外沿相应位置上，六个公转小齿轮托架也是分别通过螺栓连接到相应的连接杆上，从而实现主传动轴将动力传递给旋转架机构，实现旋转架机构转动；公转小齿轮传动轴通过公转小齿轮轴承、公转小齿轮轴承套安装到公转小齿轮托架上，通过公转小齿轮传动机构与公转大齿轮盘啮合，实现公转小齿轮绕着公转大齿轮做圆周运动；将连接为一体的电主轴机构、旋转架机构、公转齿轮机构，通过主传动轴承安装到支撑机架中间设有的主传动轴承安装套上，从而实现本多工位回转工装装置公转转动，也实现公转小齿轮轴沿自身轴线转动。

如图3、8、9所示，自转系统由万向节机构、自转轴机构两部分组成，自转轴机构又由自转轴传动机构以及夹持机构组成。

自转轴传动机构通过自转轴轴承套与高精度圆形安装面通过螺栓连接起来，将自转轴轴承、自转轴安装到自转轴轴承套上，将自转轴轴承端盖通过螺栓固定到自转轴轴承套上，实现自转轴传动机构安装到旋转架机构上，依据工件尺寸、形状等实际情况专门设计的夹持机构通过键与自转轴相连接，通过万向节机构将公转小齿轮轴与自转轴相连接，实现将小齿轮轴动力传递到自转轴上，从而实现本多工位回转工装装置自转转动。

利用该装置在PS‐PVD工艺过程中喷涂了六个双联体导向叶片，对原方式垂直放置自转工装(单件)喷涂时，导向叶片上联叶背高点(遮蔽区域)涂层厚度及上缘板和叶身夹角位置的厚度进行了分析，结果如图11所示，原采用APS和EB‐PVD工艺时，叶背高度陶瓷层厚度范围分别为0～30μm和30～60μm，采用单件垂直旋转PS‐PVD喷涂时，该位置陶瓷层厚度为60μm左右，采用本发明中带角度工装系统后，该位置厚度可以达到70μm以上，同时相对而言提高缘板和叶身夹角位置厚度至130μm左右(与叶身一致水平)，相对单件垂直旋转该位置40μm厚度获得大幅度改善，实现了叶身到缘板涂层厚度的均匀过渡；可见更改结构方式的工装，有效的提高了涂层的厚度均匀性，同时大幅度提高了生产效率。

当然，本发明还可有其它多种实施形式，本多工位回转工装装置的实施方式不限于以上的实施步骤，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种不同的实施方式，但这些相应的变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种等离子物理气相沉积领域多工位回转工装装置，其特征在于，包括公转系统、自转系统、控制系统和支撑机架，其中公转系统由电主轴机构、旋转架机构、公转齿轮机构三部分组成；自转系统由万向节机构、自转轴机构两部分组成；

电主轴机构由电机、减速器、联轴器、主传动轴、主传动轴承套以及主传动轴承组成；主转动轴输出端为圆盘形状，在中心圆周方向上开设螺纹孔；

旋转架机构由旋转盘、连接杆、公转小齿轮托架组成；旋转盘为凹型回转体；在旋转盘底部设有定位台，并且与主传动轴输出端对应处存在相应大小的通孔；旋转盘凹面角度为120度，在凹面上均布有六个圆形安装面，并且每个圆形安装面中心方向上均布有四个螺纹孔，中心为通孔；在旋转盘外沿方向上均布六组通孔，每组在相应圆周方向上设有四个大小相等的通孔；连接杆为圆柱体结构，在上、下表面圆周方向上开设螺纹孔；公转齿轮机构由公转大齿轮盘和公转小齿轮传动机构组成；公转小齿轮传动机构又包括公转小齿轮轴承套、公转小齿轮轴承、公转小齿轮轴承端盖、公转小齿轮轴；公转大齿轮盘在圆周方向上开设两排通孔；

自转轴机构由自转轴传动机构以及夹持机构组成，自转轴传动机构又包括自转轴轴承、自转轴轴承套、自转轴轴承端盖、自转轴；通过万向节机构将公转小齿轮轴与自转轴相连接，并且自转轴传动机构通过自转轴轴承套安装在旋转盘凹面的圆形安装面上；夹持机构通过键与自转轴相连接。

2.根据权利要求1所述多工位回转工装装置，其特征在于，控制系统，控制电动机转速，通过电动机本身所带有编码器进行反馈监测，实现电机转速调节全闭环控制，也实现无级变速。

3.根据权利要求1所述多工位回转工装装置，其特征在于，支撑机架，机架为圆盘结构，中间设有主传动轴承安装套，在机架开设两排螺纹孔。

4.根据权利要求1所述多工位回转工装装置，其特征在于，本多工位回转工装装置采用单轴输入多轴输出，实现多个工件公转与自转同时旋转，且保证各个工件旋转速度均匀、可调。

5.根据权利要求1所述多工位回转工装装置，其特征在于，采用隔板设计，将每个工位相隔开，实现各个工位工作互不干涉，达到屏蔽保护作用。

6.根据权利要求1所述多工位回转工装装置，其特征在于，此装置采用可拆卸水隔套与电机散热装置进行热防护，对外部裸露部分加装了防护措施。