CN110340495A - 一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配方法 - Google Patents

一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配方法，包括底座、定位型块和压盖；所述底座周向均匀分布有多个用于压紧所述薄壁机匣下端面的下端面压紧机构，所述底座上还设有与所述薄壁机匣下端面间隙配合的定位止口；所述压盖设于所述薄壁机匣上端面的外周且位于所述定位型块的上端止口内，所述压盖和薄壁机匣上端面之间设有上端面压紧机构，所述定位型块的一端通过固定机构安装在所述底座上，所述定位型块的另一端与所述薄壁机匣上端面连接。能有效的控制了焊接和热处理过程中零件径向方向的变形，保证焊接和热处理后的圆度和流道面跳动以符合设计图要求。

Description

一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配 方法
技术领域
本发明涉及航空发动机机匣制造的夹具工装技术领域，具体涉及一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配方法。
背景技术
航空发动机为飞机的心脏，是一种高度复杂和精密的热力机械，主要为航空器提供飞行所需动力的发动机。从一定程度上来说，航空发动机技术的高低直接影响着飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前而言，随着科技的发展，世界各国都在逐渐加强航空发动机的研发，机匣为航空发动机的零件之一。
进气承力框用于连接支板的外机匣为钛合金机加件，由于结构限制，机匣筒体在焊接集气罩和安装座时机匣壳体不具备留余量的条件，只有端面和外圆有少许余量。现有的机匣作为机加类零件，如附图4所示，厚度较薄，为2.1mm，刚性差，尺寸精度要求高，整个内流道面跳动不大于0.05，圆度不大于0.05mm，直径近800mm，两条整环焊缝17靠近小端，且位置比较集中，焊接时机匣受热不均匀，势必产生很大的焊接应力，极易发生机匣两端9扩张筒体凹陷变形的趋势。为保证零件尺寸受控，不仅需要在焊接过程中合理的约束零件，还需要在焊后热处理过程中继续约束零件，即如果有焊接和热处理一体化工装，将零件的约束贯穿在焊接和热处理过程中，就能引导零件沿着轴向释放应力，使得变形沿轴向进行，以保证机匣圆度和跳动。
现有设计中，缺少专用于钛合金薄壁机匣的焊接和热处理一体化工装夹具，一般只在焊接过程中对零件进行控制，热处理过程呈自由状态，难以保证零件最终的尺寸精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具及其装配方法，有效的控制了焊接和热处理过程中零件径向方向的变形，保证焊接和热处理后的圆度和流道面跳动以符合设计图要求。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，包括底座、定位型块和压盖；
所述底座周向均匀分布有多个用于压紧所述薄壁机匣下端面的下端面压紧机构，所述底座上还设有与所述薄壁机匣下端面间隙配合的定位止口；
所述压盖设于所述薄壁机匣上端面的外周且位于所述定位型块的上端止口内，所述压盖和薄壁机匣上端面之间设有上端面压紧机构，所述定位型块的一端通过固定机构安装在所述底座上，所述定位型块的另一端与所述薄壁机匣上端面连接。
进一步地，所述下端面压紧机构包括压板、楔块和螺纹销，所述压板和底座上均设有与所述螺纹销配合的螺纹孔，所述螺纹销上设有与所述楔块配合的梯形孔。
进一步地，所述压板和薄壁机匣下端面之间还设有第一压块。
进一步地，所述上端面压紧机构包括卡兰和压紧螺钉，所述压紧螺钉穿过所述卡兰实现所述压盖和所述薄壁机匣上端面间的夹紧定位。
进一步地，所述压紧螺钉和压盖之间还设有第二压块。
进一步地，所述固定机构包括双头螺栓的第一端与所述底座螺纹连接，所述双头螺栓的第二端与所述定位型块的底端螺纹连接。
进一步地，所述底座和压盖上设有吊环螺钉。
进一步地，所述底座和定位型块均由中硅钼球墨铸铁制成，所述薄壁机匣由钛合金制成。
进一步地，所述压板、第一压块、楔块、螺纹销和第二压块均由不锈钢材料制成。
一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具的装配方法，包括以下步骤：
S1、使用固定机构将定位型块固定安装到底座上；
S2、酸洗所述薄壁机匣和集气罩，将所述薄壁机匣下端面安装于所述底座的定位止口内；
S3、在底座上安装下端面压紧机构，实现薄壁机匣下端面、定位型块和底座之间的压紧固定；
S4、将薄壁机匣上端面安装到定位型块的顶端，将压盖安装到上端止口内，在所述薄壁机匣上端面上安装上端面压紧机构，夹紧固定所述压盖和薄壁机匣上端面；
S5、采用手工氩弧焊分段对称地焊接机匣和集气罩的环形焊缝；
S6、松动下端面压紧机构，使薄壁机匣和压紧机构型面的间隙为0.3～0.35mm，拆掉上端面压紧机构，将所述一体化工装进炉进行真空消应力热处理。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的一体化工装夹具的底座和定位型块采用中硅钼球墨铸铁材料制成，薄壁机匣采用钛合金材料，利用这两种材料在不同温度下膨胀系数的较小的差异，通过使薄壁机匣下端面与定位止口间隙配合，焊接时配合楔块和螺纹销来实现定位型块与机匣型面之间间隙的可调，当螺纹销装入压板和底座的螺纹孔内，并将楔块楔入螺纹销的梯形孔中，能保证最大程度压紧薄壁机匣，使薄壁机匣型面完全贴合下端面压紧机构的型面；
焊接完成后，将螺纹销和楔块松开到一定程度，比如保证机匣型面和定位型块型面间隙为0.3mm，当热处理的温度到达到560℃左右时，由于中硅钼球墨铸铁和钛合金此温度下膨胀系数接近，夹具和机匣型面能刚好完全贴紧，同时在下端面压紧机构的作用下，引导机匣沿轴向释放内应力，从而避免了薄壁机匣下端面的轴向的受热变形；
又半锁死的楔块有一定的活动性，在加热过程中，可随机匣的变形进行自适应调节，防止过度压紧机匣型面，避免下端面安装边的端面局部压紧处与其他部位膨胀不一致从而产生局部凹陷。
(2)本发明的一体化工装夹具的上端面压紧机构采用卡兰和压紧螺钉，易于安装和拆卸，压盖和定位型块在上端面压紧机构的加紧固定作用下，能有效防止机匣上端面向上翘曲变形，定位型块能支撑机匣的内表面，保证整个机匣的圆度和防止上端面跳动，焊接和热处理时，均能防止机匣上端面相外扩、变形导致上端面安装边向下塌陷的现象发生。
(2)本发明的一体化工装夹具能贯穿用于薄壁机匣焊接和热处理整个过程中，中间不需要拆装零件，薄壁机匣型面始终处于约束状态，直到应力在夹具的导向作用下沿轴向彻底释放后，才从夹具上拆下，完全能够控制零件的变形趋势，保证薄壁机匣最终尺寸的高精度。
附图说明
图1为本发明的一体化工装夹具的俯视图；
图2为本发明的图1中A-A向的剖视图；
图3为本发明的图1中B-B向的剖视图；
图4为本发明的机匣安装简图；
其中：
1-底座，101-定位止口，2-定位型块，202-定位止口，3-压盖，4-薄壁机匣下端面，5-薄壁机匣上端面，6-压板，7-楔块，8-螺纹销，9-螺纹孔，10-梯形孔，11-第一压块，12-卡兰，13-压紧螺钉，14-第二压块，15-双头螺栓，16-吊环螺钉，17-焊缝，18-下端面安装边,19-上端面安装边。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
请参照图1-3，一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，包括底座1、定位型块2和压盖3；
所述底座1周向均匀分布有多个用于压紧所述薄壁机匣下端面4的下端面压紧机构，所述底座1上还设有与所述薄壁机匣下端面4间隙配合的定位止口101；
所述压盖3设于所述薄壁机匣上端面5的外周且位于所述定位型块2的上端止口202内，所述压盖3和薄壁机匣上端面5之间设有上端面压紧机构，所述定位型块2的一端通过固定机构安装在所述底座1上，所述定位型块2的另一端与所述薄壁机匣上端面5连接。
本发明薄壁机匣下端面4安装在定位止口101且间隙配合，使用下端面压紧机构将薄壁机匣下端面4压紧，引导机匣在焊接和热处理时沿轴向释放内应力，避免薄壁机匣下端面4的轴向的受热变形。
本发明薄壁机匣上端面5、定位型块2及压盖3之间通过上端面压紧机构实现压紧固定，机匣在焊接和热处理时，能有效机匣上端面相外扩、变形导致上端面安装边向下塌陷的现象发生。
请参照图2-3，所述下端面压紧机构包括压板6、楔块7和螺纹销8，所述压板6和底座1上均设有与所述螺纹销8配合的螺纹孔9，所述螺纹销8上设有与所述楔块7配合的梯形孔10。
本发明的薄壁机匣在焊接时，螺纹销8装入压板6和底座1的螺纹孔9内，并将楔块7楔入螺纹销8的梯形孔10中，能保证最大程度压紧薄壁机匣的型面，使薄壁机匣型面完全贴合夹具型面。
请参照图2，所述压板6和薄壁机匣下端面4之间还设有第一压块11。
本发明的第一压块11的一个端面贴合薄壁机匣下端面4的型面，所述第一压块11沿薄壁机匣下端面4的轴向成对称布置，能增加受力均匀性。
请参照图2，所述上端面压紧机构包括卡兰12和压紧螺钉13，所述压紧螺钉13穿过所述卡兰12实现所述压盖3和所述薄壁机匣上端面5间的夹紧定位。
本发明的采用压紧螺钉13旋入卡兰12，压盖3和定位型块2在螺钉旋入卡兰12的配合下能加紧固定压盖3、薄壁机匣上端面5及定位型块2，能有效防止机匣上端面向上翘曲变形，定位型块2能支撑机匣的内表面，保证整个机匣的圆度和防止上端面跳动，焊接和热处理时，均能防止机匣上端面相外扩、变形导致上端面安装边向下塌陷的现象发生。
请参照图2，所述压紧螺钉13和压盖3之间还设有第二压块14。
所述第二压块14的作用也是增加受力均匀性。
请参照图2，所述固定机构包括双头螺栓15的第一端与所述底座1螺纹连接，所述双头螺栓15的第二端与所述定位型块2的底端螺纹连接。
采用双头螺栓15将定位型块2固定安装到底座1上。
请参照图2，所述底座1和压盖3上设有吊环螺钉16。
所述吊环螺钉16为多个，比如在底座1和压盖3上可设置4个，方便起吊工装进行装配和运输。
优选地，所述底座1和定位型块2均由中硅钼球墨铸铁制成，所述薄壁机匣由钛合金制成。
本发明采用这两种材料在不同温度下膨胀系数的较小的差异，通过使薄壁机匣下端面4与定位止口101间隙配合，焊接时配合楔块7和螺纹销8来实现定位型块2与机匣型面之间间隙的可调。
优选地，所述压板6、第一压块11、楔块7、螺纹销8和第二压块14均由不锈钢材料制成。
一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具的装配方法，包括以下步骤：
S1、使用固定机构将定位型块2固定安装到底座1上；
具体地，将双头螺栓15的第一端与底座1螺纹连接，双头螺栓15的第二端与定位型块2的底端连接；优选地，所述双头螺栓15的数量可为8个，均匀分布在底座1上；
S2、酸洗所述薄壁机匣和集气罩，将所述薄壁机匣下端面4安装于所述底座1的定位止口101内；
S3、在底座1上安装下端面压紧机构，实现薄壁机匣下端面4、定位型块2和底座1之间的压紧固定；
具体地，将压板6压在所述薄壁机匣下端面4安装边上，将第一压块11装入靠近所述安装边的压板6下面，将螺纹销8旋入压板6和底座1的螺纹孔9内，再将楔块7楔入梯形孔10，即实现薄壁机匣下端面4、定位型块2和底座1之间的压紧固定；
所述压板6、螺纹销8和楔块7的数量均可采用12个；
S4、将薄壁机匣上端面5安装到定位型块2的顶端，将压盖3安装到上端止口202内，在所述薄壁机匣上端面5上安装上端面压紧机构，夹紧固定所述压盖3和薄壁机匣上端面5；
将压盖3安装在薄壁机匣上端面5安装边的上端止口202内，配合使用卡兰12、压紧螺钉13和第二压块14使压盖3和薄壁机匣上端面5夹紧固定；
S5、采用手工氩弧焊分段对称地焊接机匣和集气罩的环形焊缝17；由于每条焊缝17长度约为2500mm，为减小变形，采用分段对称焊接，如图4所示。
S6、松动下端面压紧机构，使薄壁机匣和压紧机构型面的间隙为0.3～0.35mm之间，拆掉上端面压紧机构，将所述一体化工装进炉进行真空消应力热处理；
具体地，松动楔块7，拧松压紧螺钉13，拆掉卡兰12和第二压块14，将所述一体化工装进炉进行真空消应力热处理。
本发明的一体化工装夹具的底座1采用中硅钼球墨铸铁材料制成，薄壁机匣采用钛合金材料，利用这两种材料在不同温度下膨胀系数的较小的差异，通过使薄壁机匣下端面4与定位止口101间隙配合，焊接时配合楔块7和螺纹销8来实现定位型块2与机匣型面之间间隙的可调，当螺纹销8装入压板6和底座1的螺纹孔9内，并将楔块7楔入螺纹销8的梯形孔10中，能保证最大程度压紧薄壁机匣，使薄壁机匣型面完全贴合下端面压紧机构的型面；
焊接完成后，将螺纹销8和楔块7松开到一定程度，比如保证机匣型面和定位型块2型面间隙为0.3mm，当热处理的温度到达到560℃左右时，由于中硅钼球墨铸铁和钛合金此温度下膨胀系数接近，由于薄壁机匣下端面4与定位止口101间隙配合，夹具和机匣型面能刚好完全贴紧，同时在下端面压紧机构的作用下，引导机匣沿轴向释放内应力，从而避免了薄壁机匣下端面4的轴向的受热变形；
又半锁死的楔块7有一定的活动性，在加热过程中，可随机匣的变形进行自适应调节，防止过度压紧机匣型面，避免下端面安装边的端面局部压紧处与其他部位膨胀不一致从而产生局部凹陷。
本发明焊接热处理一体化工装夹具本发明提供的夹具贯穿用于焊接和热处理整个过程中，中间不需要拆装零件，薄壁机匣型面始终处于约束状态，直到应力在夹具的导向作用下沿轴向彻底释放后，才从夹具上拆下，完全能够控制薄壁机匣的变形趋势，保证零件最终尺寸精度，属于焊接和热处理一体化工装夹具。
该夹具选用中硅钼球墨铸铁和1Cr18Ni9Ti不锈钢材料组合，产品结构简单，错作方便，可靠性高，有效的控制了焊接和热处理过程中薄壁机匣径向方向的变形，保证焊接和热处理后的圆度和流道面跳动以符合设计图要求。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，包括底座(1)、定位型块(2)和压盖(3)；
所述底座(1)周向均匀分布有多个用于压紧所述薄壁机匣下端面(4)的下端面压紧机构，所述底座(1)上还设有与所述薄壁机匣下端面(4)间隙配合的定位止口(101)；
所述压盖(3)设于所述薄壁机匣上端面(5)的外周且位于所述定位型块(2)的上端止口(202)内，所述压盖(3)和薄壁机匣上端面(5)之间设有上端面压紧机构，所述定位型块(2)的一端通过固定机构安装在所述底座(1)上，所述定位型块(2)的另一端与所述薄壁机匣上端面(5)连接。
2.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述下端面压紧机构包括压板(6)、楔块(7)和螺纹销(8)，所述压板(6)和底座(1)上均设有与所述螺纹销(8)配合的螺纹孔(9)，所述螺纹销(8)上设有与所述楔块(7)配合的梯形孔(10)。
3.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述压板(6)和薄壁机匣下端面(4)之间还设有第一压块(11)。
4.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述上端面压紧机构包括卡兰(12)和压紧螺钉(13)，所述压紧螺钉(13)穿过所述卡兰(12)实现所述压盖(3)和所述薄壁机匣上端面(5)间的夹紧定位。
5.根据权利要求4所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述压紧螺钉(13)和压盖(3)之间还设有第二压块(14)。
6.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述固定机构包括双头螺栓(15)的第一端与所述底座(1)螺纹连接，所述双头螺栓(15)的第二端与所述定位型块(2)的底端螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述底座(1)和压盖(3)上设有吊环螺钉(16)。
8.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述底座(1)和定位型块(2)均由中硅钼球墨铸铁制成，所述薄壁机匣由钛合金制成。
9.根据权利要求1所述的用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具，其特征在于，所述压板(6)、第一压块(11)、楔块(7)、螺纹销(8)和第二压块(14)均由不锈钢材料制成。
10.一种用于薄壁机匣焊接热处理的一体化工装夹具的装配方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的工装夹具进行装配，包括以下步骤：
S1、使用固定机构将定位型块(2)固定安装到底座(1)上；
S2、酸洗所述薄壁机匣和集气罩，将所述薄壁机匣下端面(4)安装于所述底座(1)的定位止口(101)内；
S3、在底座(1)上安装下端面压紧机构，实现薄壁机匣下端面(4)、定位型块(2)和底座(1)之间的压紧固定；
S4、将薄壁机匣上端面(5)安装到定位型块(2)的顶端，将压盖(3)安装到上端止口(202)内，在所述薄壁机匣上端面(5)上安装上端面压紧机构，夹紧固定所述压盖(3)和薄壁机匣上端面(5)；
S5、采用手工氩弧焊分段对称地焊接机匣和集气罩的环形焊缝；
S6、松动下端面压紧机构，使薄壁机匣和压紧机构型面的间隙为0.3～0.35mm，拆掉上端面压紧机构，将所述一体化工装进炉进行真空消应力热处理。
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