CN110977746A - 大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法，属于航空发动机压气机叶片表面光整技术领域。所述大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置包括振动光整机构和夹具，振动光整机构包括槽式容器，槽式容器通过若干个螺旋弹簧与底座连接，槽式容器外部对称设置有激振器，并且槽式容器内部设置有磨削介质，用于磨削转子叶片，夹具设置在所述槽式容器内部用于夹持转子叶片，其包括顶部基座和根部基座以及对应的夹持机构，所述顶部基座和根部基座通过若干根保护柱连接。所述大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法，其能够取代传统的手工抛光方式，实现该叶片的自动化、精细化制造，提升零件表面完整性及工作可靠性。

Description

大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机压气机叶片表面光整技术领域，特别涉及一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法。

背景技术

大型复杂结构转子叶片在加工后，为保证表面粗糙度要求，必需经过一道修光工序，现有工艺采用手工抛光方式，但是，大型叶片手工操作困难并且受人为因素的影响，加工质量一致性及稳定性差，更严重的问题是不宜保证叶片进、排气边缘的几何精度，从而影响零件的使用性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法，其能够取代传统的手工抛光方式，实现大型复杂结构航空发动机压气机叶片的自动化、精细化制造，提升零件表面完整性及工作可靠性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，包括振动光整机构和夹具；

所述振动光整机构包括槽式容器，所述槽式容器通过若干个螺旋弹簧与底座连接，所述槽式容器外部对称设置有激振器，并且槽式容器内部设置有磨削介质，用于磨削转子叶片；

所述夹具设置在所述槽式容器内部用于夹持转子叶片，其包括顶部基座和根部基座，所述顶部基座和根部基座通过若干根保护柱连接。

所述槽式容器的底部内侧为半圆形结构，用以避免夹具与槽式容器内壁发生碰撞；所述槽式容器的底部外侧为方形结构，用以使螺旋弹簧稳定地安装。

所述顶部基座和根部基座均为圆盘状结构，用以实现回转运动，所述顶部基座设置有第一夹持结构，用于夹持转子叶片的叶尖，所述根部基座设置有第二夹持结构，用于夹持转子叶片的根部。

所述第一夹持结构与顶部基座螺栓连接，其包括平行设置的第一立板和第二立板，所述第二立板设置有螺纹孔，所述第一立板和第二立板与顶部基座形成第一定位槽，转子叶片叶尖的夹持部设置在第一定位槽内；所述第二夹持结构与根部基座螺栓连接，其包括平板、定位销钉、第三立板和第四立板，所述第三立板和第四立板平行设置在平板上并与平板形成第二定位槽，转子叶片根部的夹持部设置在第二定位槽内，所述第二定位槽内设置有所述定位销钉，所述第四立板设置有螺纹孔。

所述顶部基座和根部基座的直径均为320-330mm，所述保护柱的直径为8-12mm，并且设置有3根，3根所述保护柱的布置方式为：3根保护柱均匀设置在顶部基座和根部基座的直径为290-300mm的分度圆上，并且3根保护柱的布置位置分别与第三立板长度方向的夹角为65°、185°和305°。

所述磨削介质为包括磨料和磨液，所述磨料和磨液的体积比为10:1，所述磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，所述对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2。

所述螺旋弹簧设置有8个，并且呈两行四列均匀分布。

一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整方法，采用上述大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，包括如下步骤：

S1、将转子叶片安装入夹具内；

S2、准备磨削介质，先将磨料放入槽式容器内，再加入磨液；

S3、加工准备，启动激振器，使磨削介质在槽式容器内翻转运行设定时间后向槽式容器加入温水将磨料清洗干净排出废液，再向槽式容器内加入磨液；

S4、将装有转子叶片的夹具放入磨削介质中；

S5、调整光整频率和光整时间，启动激振器对转子叶片进行光整加工。

所述步骤S1中，将转子叶片装入夹具的具体方式为：首先，将转子叶片叶尖和根部的夹持部分别放入对应的第一夹持结构和第二夹持结构内；其次，通过第二夹持结构的第三立板、平板和定位销钉对转子叶片根部的夹持部进行定位，将螺栓拧入第四立板的螺纹孔夹紧转子叶片根部的夹持部，并通过百分表监测；最后，通过第一夹持结构的第一立板对转子叶片叶尖的夹持部进行定位，将螺栓拧入第二立板的螺纹孔夹紧转子叶片叶尖的夹持部，并通过百分表监测。

所述磨削介质为包括磨料和磨液，所述磨料和磨液的体积比为10:1，所述磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，所述对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2。

本发明的有益效果：

1)本发明能够取代传统的手工抛光方式，实现了大型复杂结构航空发动机压气机叶片自动化、精细化制造，提升零件表面完整性及工作可靠性，并且可推广到其他同类产品中，应用前景广泛；

2)本发明的卧式复合式振动光整方法，通过夹具和磨削介质的配合使大型叶片在光整装置里充分翻滚，实现了全型面机械振动光整；

3)本发明已进行实际生产加工，加工后的转子叶片几何精度稳定，光整变形量控制在工艺要求的范围内，零件表面粗糙度Ra值从Ra0.4um降低至Ra0.2um，提高1个等级；零件表面残余压应力水平从-100MPa左右提高到-400MPa左右，表面残余压应力水平明显优于传统工艺；并且转子叶片已顺利通过疲劳测试考核。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置的主视结构示意图；

图2是本发明实施例提供的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例提供的夹具的整体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的顶部基座和第一夹持结构的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的根部基座和第二夹持结构的结构示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-底座，2-磨削介质，3-螺旋弹簧，4-激振器，5-槽式容器，6-顶部基座，7-根部基座，8-保护柱，9-第一夹持结构，10-第二夹持结构，11-转子叶片，12-定位销钉，13-第一立板，14-第二立板，15-第三立板，16-第四立板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置及方法，其能够取代传统的手工抛光方式，实现了大型复杂结构航空发动机压气机叶片自动化、精细化制造，提升零件表面完整性及工作可靠性。

如图1至图2所示，一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，包括振动光整机构和夹具；振动光整机构包括槽式容器5，槽式容器5通过若干个螺旋弹簧3与底座1连接，槽式容器5外部对称设置有激振器4，并且槽式容器5内部设置有磨削介质2，用于磨削转子叶片11；槽式容器5的底部内侧为半圆形结构，用以避免夹具与槽式容器5内壁发生碰撞；槽式容器5的底部外侧为方形结构，用以使弹簧稳定地安装。

磨削介质2为包括磨料和磨液，磨料和磨液的体积比为10:1，磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2。磨料的顶部与槽式容器5顶部之间的距离为10～20cm。本实施例中，磨料为陶瓷基磨料，对切圆柱磨料的型号为RXX 15/15QZ，侧切三角料的型号为PI Triangle A/C 6×12，椭圆形磨料的型号为PI Ellipse 14×14×5，磨液的型号为FC600。

作为一种优选的实施方式，槽式容器5与底座1之间安装有8个螺旋弹簧3，并且呈两行四列均匀分布。

激振器4采用现有技术，两个激振器4对称分布在槽式容器5的左右两侧，每个激振器4的轴水平安装，激振器4轴上的两个可调整布置角度和偏心量的偏心块，当激振器4水平轴高速回转时，偏心块产生离心激振力，带动槽式容器5产生水平和垂直两个方向的复合运动。装有转子叶片11和磨削介质2的槽式容器5在激振器4和螺旋弹簧3的作用下，可实现垂直和水平两个方向的复合运动，从而使转子叶片11和磨削介质2之间形成复杂的相对运动，如图2所示的磨削介质2的翻转方向，夹具的翻转方向与磨削介质2的翻转方向相同，但是速度不同，夹具的翻转速度比磨削介质2的翻转速度慢，在相对运动的作用下，处于游离状态的磨削介质2以一定的作用力对零件表面进行碰撞、滚压、滑擦和刻划，从而实现大型叶片全型面机械光整。

如图3至图5所示，夹具设置在槽式容器5内部用于夹持转子叶片11，其包括顶部基座6和根部基座7，顶部基座6和根部基座7通过若干根保护柱8连接。顶部基座6和根部基座7均为圆盘状结构，用以实现回转运动，顶部基座6设置有第一夹持结构9，用于夹持转子叶片11的叶尖，根部基座7设置有第二夹持结构10，用于夹持转子叶片11的根部。

如图4所示，第一夹持结构9与顶部基座6螺栓连接，其包括平行设置的第一立板13和第二立板14，第二立板14设置有螺纹孔，第一立板13和第二立板14与顶部基座6形成第一定位槽，转子叶片11叶尖的夹持部设置在第一定位槽内，如图5所示，第二夹持结构10与根部基座7螺栓连接，其包括平板、定位销钉12、第三立板15和第四立板16，第三立板15和第四立板16平行设置在平板上并与平板形成第二定位槽，转子叶片11根部的夹持部设置在第二定位槽内，第二定位槽内设置有定位销钉12，第四立板16设置有螺纹孔，优选的，第一立板13的长度方向与第三立板15的长度方向的夹角为59°，用以实现转子叶片11的安装。

顶部基座6和根部基座7的直径均为320-330mm，保护柱8的直径为8-12mm，并且设置有3根，3根保护柱8的布置方式为：3根保护柱8均匀设置在顶部基座6和根部基座7的直径为290-300mm的分度圆上，并且3根保护柱8的布置位置分别与第三立板15长度方向的夹角为65°、185°和305°。本实施例中，顶部基座6和根部基座7的直径均为320mm，3根直径为10mm的保护柱8布置在直径为290mm的分度圆上，这样两根保护柱8间距约为241mm，3根保护柱8均匀布置，在保证夹具整体刚度的情况下，还保证叶片装卸的顺利进行，叶片沿根部方向安装进夹具中，上述保护柱8的布置使保护柱8不能距离进排气边缘过近，距离近的话会导致磨料在保护柱8与进排气边缘流动性不好，严重时会导致卡料甚至导致叶片报废，本实施例中3根保护柱8的端部与根部基座7圆心的连接线分别与第三立板15长度方向的夹角为65°、185°和305°，使得进排气边缘与保护柱8之间的最短距离为26mm，足以保证磨料顺利通过。3个保护柱8一方面起支撑作用，增加夹具的刚性，从而控制光整加工中的变形量；另一方面起到叶片保护进、排气边，减弱磨削介质2与叶片进、排气边缘的直接碰撞作用，同时要保证磨削介质2与叶片之间必需的滚压和滑擦作用。圆盘状带保护柱8的夹具带动大型叶片在磨削介质2中的充分翻滚，实现全型面光整，并保证叶片进、排气边的几何精度及光整变形量。

本发明在具体使用时，为了便于工艺加工，转子叶片11的叶尖和根部均预留有分别与第一夹持结构9和第二夹持结构10对应的夹持部，便于第一夹持结构9和第二夹持结构10的夹持，待转子叶片11光整工作完成后，将夹持部切割掉即可。

一种大型复杂结构转子叶片11卧式复合式振动光整方法，采用上述大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，包括如下步骤：

S1、将转子叶片11安装入夹具内，具体方式为：首先，将转子叶片11叶尖和根部的夹持部分别放入对应的第一夹持结构9和第二夹持结构10内；其次，通过第二夹持结构10的第三立板15、平板和定位销钉12对转子叶片11根部的夹持部进行定位，将螺栓拧入第四立板16的螺纹孔夹紧转子叶片11根部的夹持部，并通过百分表监测；最后，通过第一夹持结构9的第一立板13对转子叶片11叶尖的夹持部进行定位，将螺栓拧入第二立板14的螺纹孔夹紧转子叶片11叶尖的夹持部，并通过百分表监测；

S2、准备磨削介质2，先将磨料放入槽式容器5内，再加入磨液，磨削介质2为包括磨料和磨液，磨料和磨液的体积比为10:1，磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2；

S3、加工准备，启动激振器4，使磨削介质2在槽式容器5内翻转运行设定时间后向槽式容器5加入温水将磨料清洗干净排出废液，再向槽式容器5内加入磨液，磨料和磨液的体积比与步骤S2相同，优选的，磨削介质2在槽式容器5内翻转运行3个小时；

S4、将装有转子叶片11的夹具放入磨削介质2中，夹具及转子叶片11应全部埋入到磨削介质2中，并且不能接触槽式容器5的底部及侧壁，即转子叶片11中在夹具内并且夹具在槽式容器5内悬浮保证叶片与槽式容器5不发生摩擦；

S5、调整光整频率和光整时间，启动激振器4对转子叶片11进行光整加工，光整时间即激振器4工作时间为1h，光整频率即激振器4电机转速为1440r/min。

在实际使用时，步骤S1中，在安装转子叶片11根部和转子叶片11叶尖的过程中，如果百分表读数不变，则安装完成，如果百分表读数发生变化，则需要调整第一夹持结构9与转子叶片11叶尖的夹持部的相对位置，直到百分表读数不变，完成转子叶片11的安装。步骤S3中，如果是新的磨料，首先使磨削介质2在槽式容器5内翻转运行3个小时，然后通过温水将磨料清洗干净，并通过槽式容器5的废液排出口排出，再重新放入磨液，加入夹具进行加工；如果是已经使用的磨料，需要加工另外一批工件时，不需要磨削介质2在槽式容器5内空转运行，只需要将磨料用温水清洗干净，并通过槽式容器5的废液排出口排出，再重新放入磨液，加入夹具进行加工即可。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，包括振动光整机构和夹具；

所述振动光整机构包括槽式容器，所述槽式容器通过若干个螺旋弹簧与底座连接，所述槽式容器外部对称设置有激振器，并且槽式容器内部设置有磨削介质，用于磨削转子叶片；

所述夹具设置在所述槽式容器内部用于夹持转子叶片，其包括顶部基座和根部基座，所述顶部基座和根部基座通过若干根保护柱连接。

2.根据权利要求1所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述槽式容器的底部内侧为半圆形结构，用以避免夹具与槽式容器内壁发生碰撞；所述槽式容器的底部外侧为方形结构，用以使螺旋弹簧稳定地安装。

3.根据权利要求1所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述顶部基座和根部基座均为圆盘状结构，用以实现回转运动，所述顶部基座设置有第一夹持结构，用于夹持转子叶片的叶尖，所述根部基座设置有第二夹持结构，用于夹持转子叶片的根部。

4.根据权利要求3所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述第一夹持结构与顶部基座螺栓连接，其包括平行设置的第一立板和第二立板，所述第二立板设置有螺纹孔，所述第一立板和第二立板与顶部基座形成第一定位槽，转子叶片叶尖的夹持部设置在第一定位槽内；所述第二夹持结构与根部基座螺栓连接，其包括平板、定位销钉、第三立板和第四立板，所述第三立板和第四立板平行设置在平板上并与平板形成第二定位槽，转子叶片根部的夹持部设置在第二定位槽内，所述第二定位槽内设置有所述定位销钉，所述第四立板设置有螺纹孔。

5.根据权利要求4所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述顶部基座和根部基座的直径均为320-330mm，所述保护柱的直径为8-12mm，并且设置有3根，3根所述保护柱的布置方式为：3根保护柱均匀设置在顶部基座和根部基座的直径为290-300mm的分度圆上，并且3根保护柱的布置位置分别与第三立板长度方向的夹角为65°、185°和305°。

6.根据权利要求1所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述磨削介质为包括磨料和磨液，所述磨料和磨液的体积比为10:1，所述磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，所述对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2。

7.根据权利要求1所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，所述螺旋弹簧设置有8个，并且呈两行四列均匀分布。

8.一种大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整方法，采用权利要求1所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将转子叶片安装入夹具内；

S2、准备磨削介质，先将磨料放入槽式容器内，再加入磨液；

S3、加工准备，启动激振器，使磨削介质在槽式容器内翻转运行设定时间后向槽式容器加入温水将磨料清洗干净排出废液，再向槽式容器内加入磨液；

S4、将装有转子叶片的夹具放入磨削介质中；

S5、调整光整频率和光整时间，启动激振器对转子叶片进行光整加工。

9.根据权利要求8所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整方法，其特征在于，所述步骤S1中，将转子叶片装入夹具的具体方式为：首先，将转子叶片叶尖和根部的夹持部分别放入对应的第一夹持结构和第二夹持结构内；其次，通过第二夹持结构的第三立板、平板和定位销钉对转子叶片根部的夹持部进行定位，将螺栓拧入第四立板的螺纹孔夹紧转子叶片根部的夹持部，并通过百分表监测；最后，通过第一夹持结构的第一立板对转子叶片叶尖的夹持部进行定位，将螺栓拧入第二立板的螺纹孔夹紧转子叶片叶尖的夹持部，并通过百分表监测。

10.根据权利要求8所述的大型复杂结构转子叶片卧式复合式振动光整方法，其特征在于，所述磨削介质为包括磨料和磨液，所述磨料和磨液的体积比为10:1，所述磨料包括对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料，所述对切圆柱磨料、侧切三角料和椭圆形磨料的质量比为5：3：2。

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