CN110370158B - 应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，用于解决现有航空发动机预旋喷嘴内腔表面抛光无工装的技术问题。技术方案是包括底座、密封垫、缸筒、盖板、内侧定位环、外侧定位环、型芯、压板和导流，所述底座、缸筒和盖板固连形成一个密闭空间。导流位于内侧定位环和外侧定位环之间，通过圆柱销将三者固定成整体。外侧定位环通过内六角圆柱头螺钉固定于底座上。型芯位于预旋喷嘴内腔，并通过内六角圆柱头螺钉固定于外侧定位环上，多个型芯周向组成一个整圆。压板位于预旋喷嘴上，等长双头螺柱将底座与压板紧固。导流提升了预旋喷嘴叶片抛光的均匀性；型芯提高了抛光的一致性；等长双头螺柱解决了预旋喷嘴震动的技术问题。

Description

应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装

技术领域

本发明涉及一种工装，特别是涉及一种应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装。

背景技术

现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到1800K甚至2000K，超过绝大多数金属材料的熔点，为了保证发动机的可靠工作，需要对高温部件进行冷却。涡轮转子叶片的冷却普遍使用预旋系统，预旋喷嘴是预旋系统的核心部件之一，其结构设计的合理性、内腔表面质量等因素极大影响涡轮叶片的耐久性和可靠性，进而影响航空发动机的推重比、耐久性、可靠性和整体性能。

预旋喷嘴结构复杂、尺寸较大、内腔封闭、具有薄壁、内流道、变截面、叶片等几何特征，制造难度较高，传统制造方式为分体式熔模铸造，受限于铸造工艺，预旋喷嘴在结构设计上做出了让步，采用壁厚加厚、分体设计等，降低了零件整体性能。而且铸造周期较长，产品合格率低于20％，造成人力物力大量浪费。

为提高零件合格率，新型预旋喷嘴可通过增材制造技术一体化成型。增材制造可以打破熔模铸造的局限，对零件进行结构优化设计，实现减重的目标和冷却性能的提升。增材制造预旋喷嘴机械性能优于铸件，抗拉强度以及屈服强度可达锻件标准，并且通过增材制造，预旋喷嘴可实现减重10％以上，缩短制造周期30％，尺寸精度及冶金合格率达到90％。但是增材制造预旋喷嘴表面质量较差、表面粗糙度通常在Ra6.3以上，严重影响涡轮叶片的冷却效果，极大限制了其在航空发动机上的使用。

增材制造预旋喷嘴为一体化成型，内腔狭小，空间扭曲、刀具可达性差，传统抛光方式只能实现外表面的表面光整，无法实现内腔的表面光整。而磨粒流抛光为柔性流体抛光，磨料可以随形流动，加工可达性好，适用于具有复杂内腔结构的预旋喷嘴的内腔表面光整。

预旋喷嘴内腔进出口面积相差几十倍，截面积较大的一侧抛光容易产生“欠抛”现象，截面积较小的一侧压力集中，容易产生“过抛”现象，整体抛光一致性很差。内腔截面积较小的一侧处分布着一圈叶片，叶片的尺寸精度、表面粗糙度要求严格，抛光过程中容易造成叶片进排气边等边缘结构被破坏，从而使零件报废；磨料在流过叶片排气边后，流道截面积突然变大，造成叶背侧剩余部分抛光效果变差，叶片抛光效果不均匀。因此有必要发明一种功能性工装实现预旋喷嘴内腔流场均匀性控制、叶片抛光一致性控制、进排气边保形控制，最终实现预旋喷嘴内腔异形曲面的高质高效光整加工，推动增材制造预旋喷嘴的在航空发动机上的工程化应用。

发明内容

为了克服现有航空发动机预旋喷嘴内腔表面抛光无工装的不足，本发明提供一种应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装。该工装包括底座、密封垫、缸筒、盖板、内侧定位环、外侧定位环、型芯、压板和导流，所述底座、缸筒和盖板固连形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间。导流位于内侧定位环和外侧定位环之间，通过圆柱销将三者固定成整体。外侧定位环通过内六角圆柱头螺钉固定于底座上。型芯位于预旋喷嘴内腔，并通过内六角圆柱头螺钉固定于外侧定位环上，多个型芯周向组成一个整圆。压板位于预旋喷嘴上，等长双头螺柱将底座与压板紧固。导流避免了磨料对预旋喷嘴叶片的直接冲击，提升了预旋喷嘴叶片抛光的均匀性，型芯实现了预旋喷嘴内腔流场的均匀性，提高了抛光的一致性。等长双头螺柱将工装固定为一个整体解决了抛光过程中预旋喷嘴的震动问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特点是包括底座1、密封垫2、缸筒3、盖板4、内侧定位环5、外侧定位环6、型芯7、压板8和导流9；所述底座1、缸筒3和盖板4固连形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间。所述底座1的下凸台外侧周向均布六个环形槽，所述盖板4上周向均布六个环形槽，用于磨料流动的通道。缸筒3的下端与底座1之间、缸筒3的上端与盖板4之间安装密封垫2。导流9位于内侧定位环5和外侧定位环6之间，通过圆柱销11将三者固定成整体，共同构成磨料流动的通道。外侧定位环6通过内六角圆柱头螺钉12固定于底座1上。型芯7位于预旋喷嘴内腔，并通过内六角圆柱头螺钉12固定于外侧定位环6上，多个型芯7周向组成一个整圆。压板8位于预旋喷嘴上，等长双头螺柱15下端与底座1螺纹连接，等长双头螺柱15上端穿过压板8中心通孔，六角薄螺母14与等长双头螺柱15上端螺纹配合，通过开口垫圈13，压紧在压板8的上表面，所述压板8上均布六个磨料通道。

还包括手柄10，四个手柄10对称分布于缸筒3中部周围，并与缸筒3固连。

还包括吊耳16，四个吊耳16对称分布于盖板4环形槽的外侧，并与盖板4固连。

所述密封垫2的材料是MC901尼龙。

所述缸筒3的下端面对称分布四个矩形凹槽。

所述导流9的上方是预旋喷嘴叶片的仿形。

所述外侧定位环6是预旋喷嘴外环的仿形。

所述型芯7是预旋喷嘴内腔的仿形。

本发明的有益效果是：该工装包括底座、密封垫、缸筒、盖板、内侧定位环、外侧定位环、型芯、压板和导流，所述底座、缸筒和盖板固连形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间。导流位于内侧定位环和外侧定位环之间，通过圆柱销将三者固定成整体。外侧定位环通过内六角圆柱头螺钉固定于底座上。型芯位于预旋喷嘴内腔，并通过内六角圆柱头螺钉固定于外侧定位环上，多个型芯周向组成一个整圆。压板位于预旋喷嘴上，等长双头螺柱将底座与压板紧固。导流避免了磨料对预旋喷嘴叶片的直接冲击，提升了预旋喷嘴叶片抛光的均匀性，型芯实现了预旋喷嘴内腔流场的均匀性，提高了抛光的一致性。等长双头螺柱将工装固定为一个整体解决了抛光过程中预旋喷嘴的震动问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装的主视图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的剖视图。

图4是图1的局部剖视图。

图5是图3中导流与预旋喷嘴叶片配合放大图。

图6是图3中外侧定位环6的剖视放大图。

图中，1-底座，2-密封垫，3-缸筒，4-盖板，5-内侧定位环，6-外侧定位环，7-型芯，8-压板，9-导流，10-手柄，11-圆柱销，12-内六角圆柱头螺钉，13-开口垫圈，14-六角薄螺母，15-等长双头螺柱，16-吊环。

具体实施方式

以下实施例参照图1～6。

本发明应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装包括底座1、密封垫2、缸筒3、盖板4、内侧定位环5、外侧定位环6、型芯7、压板8、导流9、手柄10、圆柱销11、内六角圆柱头螺钉12、开口垫圈13、六角薄螺母14、等长双头螺柱15和吊环16；缸筒3的下端与底座1的上端连接，为保证密封，缸筒3与底座1之间安装密封垫2。缸筒3的上端与盖板4的下端连接，为保证密封，缸筒3与盖板4之间安装密封垫2。内侧定位环5、外侧定位环6、导流9采用圆柱销11连接，导流9安装于内侧定位环5和外侧定位环6之间，通过圆柱销11将三者固定成整体。外侧定位环6的下端面与底座1采用螺栓连接，通过内六角圆柱头螺钉12将外侧定位环6固定于底座1上。型芯7插入预旋喷嘴内腔截面积较大的一侧，型芯7与外侧定位环6为螺栓连接，通过内六角圆柱头螺钉12将型芯7固定于外侧定位环6上，12个型芯7周向组成一个整圆。压板8下端面安装于预旋喷嘴上端面上，等长双头螺柱15下端与底座1为螺纹连接，上端穿过压板8中心的通孔。六角薄螺母14旋入等长双头螺柱15上侧，通过开口垫圈13，压紧在压板8的上端面上。手柄10与缸筒3采用焊接连接，吊耳16与盖板4采用螺纹连接。

所述底座1为圆柱体设计，圆柱体上下底面各分部一个圆形凸台，上凸台直径与缸筒3内径相等，用于缸筒3的配合。上凸台周向均布8个螺纹盲孔，用于外侧定位环6的安装。下凸台外侧周向均布6个环形槽，用于磨料流动的通道。底座1的中心设有一个螺纹盲孔，用于等长双头螺柱15的安装，以便保证工装的整体定位。

所述密封垫2为MC901尼龙材料，密封垫2的内径与底座1上凸台直径相等，外径与缸筒3外径相等；

所述缸筒3为圆筒设计，缸筒3的下端面对称分布四个矩形凹槽，该凹槽可用于磨料吸附力较强时缸筒的拆卸。缸筒3的中部对称分布8个通孔，用于4个手柄10的安装，缸筒3直径与密封垫直径2相等；

所述盖板4为圆柱体设计，圆柱体下端面为一个圆形凸台，凸台直径与缸筒3内径相等。盖板4上周向均布6个环形槽，用于磨料流动的通道，环形槽采用切向设计，使得磨料沿切向流入工装，避免了磨料对零件的直接冲击。环形槽的外侧均布4个螺纹通孔，用于吊环16的安装；

所述底座1、密封垫2、缸筒3、盖板4形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间。

所述内侧定位环5为圆筒设计，圆筒上端凸台的直径和预旋喷嘴内环直径相等。筒壁下侧周向均布106个销孔，用于导流9的固定；

所述外侧定位环6采用预旋喷嘴外环的仿形设计，预旋喷嘴套装在外侧定位环6上，外侧定位环6下侧周向分布着106个销孔，用于导流9的固定。外侧定位环的底部周向均布8个螺纹通孔，用于与底座1的连接；

所述型芯7采用预旋喷嘴内腔的仿形设计，将型芯7装配到预旋喷嘴内腔可有效较低零件进出口的截面积差，通过流体仿真模拟型芯7不同结构下磨料的流动状态，优化型芯7的结构。型芯7与零件壁面的间隙会极大影响预旋喷嘴内腔抛光一致性，通过理论计算与试验验证相结合，获取了型芯7与预旋喷嘴壁面间隙的最佳范围。型芯7周向均布4个螺纹通孔，用于型芯7与外侧定位环6的连接。型芯7两个侧面夹角为30度，12个型芯7组合成一个整圆；

所述压板8为圆柱体设计，圆柱体下端面为一个圆形凸台，凸台的直径与预旋喷嘴上端面直径相等，压板8压紧在预旋喷嘴上表面。压板8上均布6个圆形通孔，磨料通过通孔流入预旋喷嘴内环内侧，填充零件，防止零件变形；

所述导流9下侧为长方体设计。导流9与内侧定位环5、外侧定位环6共同构成磨料流动的通道。导流9的上侧采用预旋喷嘴叶片的仿形设计，导流9与预旋喷嘴叶片排气边形成圆滑过渡，使得磨料在流过完整的叶片时截面积不会发生突变，增强预旋喷嘴叶背侧的抛光效果。导流9的长方体部分纵向分布两个销孔，用于导流9的固定，优化销孔的位置可以改变导流9与预旋喷嘴叶片排气边的距离，可以实现排气边的保形；

所述手柄10、圆柱销11、内六角圆柱头螺钉12、开口垫圈13、六角薄螺母14、等长双头螺柱15、吊环16均采用国家标准件。

工作时磨料流入工装，在压力的作用下往复通过预旋喷嘴内腔表面实现内腔的表面光整。正向流动时磨料从下料缸流出，沿底座1上的6个环形槽流入工装，通过内侧定位环5、外侧定位环6、导流9构成的通道沿预旋喷嘴叶片切向流入内腔，经过型芯与预旋喷嘴壁面的间隙流过零件，进入工装内腔，将工装填满之后在压力的作用下磨料沿盖板4上的切向环形槽流出工装流入上料缸。反向时磨料从盖板4上的环形槽流入工装，经底座1上的环形槽流出工装进入下料缸。如此往复循环，磨料可在压力作用下实现预旋喷嘴内腔的表面光整。

Claims (6)

1.一种应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：包括底座(1)、密封垫(2)、缸筒(3)、盖板(4)、内侧定位环(5)、外侧定位环(6)、型芯(7)、压板(8)和导流(9)；所述底座(1)、缸筒(3)和盖板(4)固连形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间；所述底座(1)的下凸台外侧周向均布六个环形槽，所述盖板(4)上周向均布六个环形槽，用于磨料流动的通道；缸筒(3)的下端与底座(1)之间、缸筒(3)的上端与盖板(4)之间安装密封垫(2)；所述导流(9)的上方是预旋喷嘴叶片的仿形；导流(9)位于内侧定位环(5)和外侧定位环(6)之间，导流(9)与预旋喷嘴叶片排气边形成圆滑过渡；通过圆柱销(11)将三者固定成整体，共同构成磨料流动的通道；外侧定位环(6)通过内六角圆柱头螺钉(12)固定于底座(1)上；型芯(7)是预旋喷嘴内腔的仿形，型芯(7)位于预旋喷嘴内腔，型芯(7)插入预旋喷嘴内腔截面积较大的一侧，并通过内六角圆柱头螺钉(12)固定于外侧定位环(6)上，多个型芯(7)周向组成一个整圆；压板(8)位于预旋喷嘴上，等长双头螺柱(15)下端与底座(1)螺纹连接，等长双头螺柱(15)上端穿过压板(8)中心通孔，六角薄螺母(14)与等长双头螺柱(15)上端螺纹配合，通过开口垫圈(13)，压紧在压板(8)的上表面，所述压板(8)上均布六个磨料通道。

2.根据权利要求1所述的应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：还包括手柄(10)，四个手柄(10)对称分布于缸筒(3)中部周围，并与缸筒(3)固连。

3.根据权利要求1所述的应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：还包括吊耳(16)，四个吊耳(16)对称分布于盖板(4)环形槽的外侧，并与盖板(4)固连。

4.根据权利要求1所述的应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：所述密封垫(2)的材料是MC901尼龙。

5.根据权利要求1所述的应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：所述缸筒(3)的下端面对称分布四个矩形凹槽。

6.根据权利要求1所述的应用于航空发动机预旋喷嘴内腔表面光整的磨粒流工装，其特征在于：所述外侧定位环(6)是预旋喷嘴外环的仿形。

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