CN111911589B - 一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置 - Google Patents

一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，包括：支撑滚珠、滚珠支架、万向节、基座和弹性件，其中；支撑滚珠至少为3个，可滚动地分布于所述滚珠支架上；滚珠支架为凹形结构，其底部与万向节的上端相连；万向节支撑于基座上；基座开设有上下贯通的阶梯通孔，该阶梯通孔中设有弹性件；弹性件位于阶梯通孔中且支撑于万向节的下端和基座的下端之间。本发明的柔性随动装置采用多点接触、万向转动、柔性支撑相结合的方法，实现了航空发动机叶片超声滚压强化加工过程中的主被动柔性随动支撑，在保证支撑刚度减少航空发动机叶片形变的同时，减小航空发动机叶片的颤振，从而提高航空发动机叶片超声滚压强化加工的精度和稳定性。

Description

一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置
技术领域
本发明涉及材料强化加工领域，更具体地涉及一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置。
背景技术
在对航空发动机叶片的表面强化研究中发现，一方面，具有高幅高频超声振动的强化工具作用于航空发动机叶片上会引起工件的颤振；另一方面，强化工具对航空发动机叶片施加的静压力会造成叶片较大的形变，这将严重影响航空发动机叶片超声滚压强化的表面改性效果和强化加工的几何精度。因此要想降低航空发动机叶片颤振形变造成的负面影响，就必须配备相应的辅助支撑系统及支撑策略，控制超声滚压强化工具与辅助支撑系统施加于航空发动机叶片上的力尽可能相同。
目前，常见的支撑装置多采用单点刚性支撑的方式，单点支撑方式支撑面积小，需要点对点的实时控制，控制难度较大；而刚性支撑又难以消除强化加工过程中振动带来的消极影响，因此单点刚性支撑的方式难以满足航空发动机叶片的支撑需求。虽然中国专利申请(申请号：201510038101.2)公开了一种用于镜像加工的刚柔多点随动支撑头，该发明支撑头的中心采用主万向滚珠固定支撑，支撑头的周围采用辅万向滚珠在弹簧作用下柔性支撑的方式。但是该发明一方面不能控制中心固定支撑力的大小，且对于曲率变化较大的复杂曲面，周围各个辅万向滚珠施加于表面的力大小不一，若任一滚珠对表面挤压力过大，将会对表面造成破坏。
因此，为了保证航空发动机表面强化加工过程的精度和稳定性，需要开发一种针对航空发动机叶片主被动柔性支撑装置，在保证支撑强度的同时，抑制叶片发生颤振和形变，提高航空发动机叶片表面强化加工的精度。
发明内容
本发明提供一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，采用多点接触、万向转动、柔性支撑相结合的方法，实现了航空发动机叶片超声滚压强化加工过程中的主被动柔性随动支撑，在保证支撑刚度减少航空发动机叶片形变的同时，减小航空发动机叶片的颤振。
本发明提供一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，包括：支撑滚珠、滚珠支架、万向节、基座和弹性件，其中；
所述支撑滚珠，至少为3个，可滚动地分布于所述滚珠支架上；
所述滚珠支架，为凹形结构，其底部与所述万向节的上端相连；
所述万向节，支撑于所述基座上；
所述基座，开设有上下贯通的阶梯通孔，该所述阶梯通孔中设有弹性件；
所述弹性件，位于所述阶梯通孔中且支撑于所述万向节的下端和所述基座的下端之间。
进一步地，所述滚珠支架为凹型滚珠保持架，所述凹型滚珠保持架上设有滚珠保持槽，所述支撑滚珠安装在所述滚珠保持槽中。
进一步地，所述滚珠保持槽为四个，每个所述滚珠保持槽内安装有一个所述支撑滚珠，四个所述滚珠保持槽沿所述凹型滚珠保持架的周向均匀设置。
进一步地，所述万向节包括相互连接的万向节球型法兰和万向节球头支撑杆，所述万向节球型法兰与所述滚珠支架相连，所述万向节球头支撑杆的下端位于所述阶梯通孔中且与所述弹性件相连。
进一步地，还包括分别连接在所述弹性件两端的上端盖和下端盖，所述上端盖与所述万向节球头支撑杆的下端相连，所述下端盖安装在所述基座的下端。
进一步地，还包括力传感器，所述力传感器安装在所述基座上且位于所述基座和所述下端盖之间。
进一步地，所述力传感器为压电石英传感器。
进一步地，所述弹性件为弹簧。
进一步地，所述弹性件为橡胶金属复合弹簧。
进一步地，所述基座下端设有安装台阶，所述安装台阶上设置有多个沿周向均匀布置的安装通孔。
本发明的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，可用于航空发动机叶片超声强化加工过程中的随动支撑。一方面，通过采用多个支撑滚珠，实现多点支撑，避免了对叶片表面造成划伤，增大了叶片的支撑面积，相比较单点支撑而言，不需要“点对点”支撑控制，降低了随动支撑的控制难度；另一方面，通过采用万向节，使多个支撑滚珠可根据叶片曲率的变化调整支撑姿态，最大限度的使支撑滚珠与叶片表面接触；同时，采用弹性件对万向节进行柔性支撑，可以有效的削弱航空发动机叶片强化过程中振动产生的消极影响；并设置力传感器，能够实时监控支撑力的大小并反馈控制系统，形成闭环主动控制，确保超声滚压强化加工过程中强化工具与支撑装置施加在航空发动机叶片的作用力尽可能相同，避免叶片单侧受力过大产生形变而影响强化加工的精度。相比较常规的支撑装置及其支撑策略，使用本发明提出的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置进行航空发动机叶片强化加工具有更高的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图2的A-A剖视图。
附图标记：
1-支撑滚珠；
2-滚珠支架；
21-滚珠保持槽；
3-万向节；
31-万向节球型法兰；
32-万向节球头支撑杆；
4-基座；
41-安装台阶；
411-安装通孔；
51-弹性件；
52-上端盖；
53-下端盖；
6-力传感器；
7-螺栓。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1-3所示，本发明提供一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，主要用于对具有复杂曲面的结构(例如航空发动机叶片)在超声滚压强化加工时的支撑，包括：至少3个支撑滚珠1、滚珠支架2、万向节3、弹性件51和基座4，其中，基座4的上端开有阶梯通孔，万向节3的下端位于该阶梯通孔中，弹性件51也位于阶梯通孔中，且弹性件51的一端与万向节3 的下端相连，另一端则与基座4的下端相连，这样，万向节3和弹性件51可以在基座4的阶梯通孔中上下直线移动，弹性件51实现对万向节3的柔性支撑；万向节3的上端与滚珠支架2相连，在万向节3的带动下，滚珠支架2 可以任意转动，因此可以根据被支撑物的复杂曲面做出适应性调节；支撑滚珠1则与滚珠支架2滚动连接，其可在滚珠支架2内自由转动，这样可以避免在支撑过程中表面摩擦对被支撑物的表面造成划伤，当叶片曲率变化较大时，万向节3可以带动滚珠支架2任意转动，使多个支撑滚珠1根据叶片曲率的变化调整支撑姿态，最大限度的使支撑滚珠1与叶片表面接触，避免任一支撑滚珠1对叶片表面挤压力过大而对表面造成破坏。
具体地，滚珠支架2可以为凹型滚珠保持架，且在凹型滚珠保持架上设有滚珠保持槽21，支撑滚珠1安装在滚珠保持槽21中，以使支撑滚珠1在滚珠保持槽21中自由转动。
滚珠保持槽21可以设置为多个，例如四个，且每个滚珠保持槽21中安装一个支撑滚珠1，四个滚珠保持槽21沿凹型滚珠保持架的周向均匀设置，这样，使得相邻两个滚珠保持槽21之间的角度为90°。当然支撑滚珠1也可根据需要设置为多于4个。通过设置多个滚柱保持槽21并使其均匀布置，可以使多个支撑滚珠1同时支撑被支撑物的表面，实现多点支撑，一方面增大了支撑面积，另一方面也降低了该航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置的控制难度。
万向节3可以包括相互连接的万向节球型法兰31和万向节球头支撑杆 32，万向节球头支撑杆32的上端为球头，万向节球型法兰31的下端为球型壳体，两者相互配合，其中，万向节球型法兰31还用于与滚珠支架2相连，万向节球头支撑杆32的下端位于基座4的阶梯通孔中，用于与弹性件51相连。
具体地，可以在万向节球型法兰31的上端圆周方向均匀布置若干通孔，滚珠支架2的下端则布置相应的螺纹孔，两者通过螺栓紧固连接。
在一可行的实施方式中，还可以在弹性件51的上下端分别插入上端盖 52和下端盖53，此时，下端盖53、弹性件51和上端盖52均位于基座4的阶梯通孔中，且下端盖53座于基座4的下端开口上，下端盖53、弹性件51、上端盖52和万向节球头支撑杆32依次相连，可以在基座4的阶梯通孔内实现上下直线移动。通过设置上端盖52和下端盖53可以保持弹性件51在支撑过程中不发生晃动，从而使支撑更稳定。
万向节球头支撑杆32与上端盖52可以通过螺栓7固定相连，具体地，在万向节球头支撑杆32的下端面沿周向均匀布置若干安装螺纹孔，上端盖52 上则布置与安装螺纹孔配合的通孔，通过螺栓实现两者之间的紧固连接。
具体地，还可以在基座4的下端和下端盖53之间设置力传感器6，此时，力传感器6安装在基座4的下端，下端盖53则安装在力传感器6上。力传感器6用于实时监测支撑力的大小并反馈给相应的控制系统，从而形成闭环主动控制，确保在加工过程中强化装置与支撑装置作用在被支撑物的作用力尽可能相同，避免其单侧受力过大产生形变而影响强化加工的精度。由于控制系统并不设置在本发明的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置中，因此本发明对此不做详细说明。
力传感器6可以选用压电石英传感器，通过对支撑力的实时检测反馈，实现对被支撑物的主动支撑闭环控制。
弹性件51可以为弹簧，优选地，可以采用橡胶金属复合弹簧，这样能够实现柔性支撑，有效减小被支撑表面在加工过程中产生的颤振。
在上述实施例的基础上，基座4的下端还设有安装台阶41，该安装台阶41上设置有多个沿周向均匀布置的安装通孔，用于将该航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置安装在其他装置上。
下面以对航空发动机叶片的超声滚压强化加工为例说明本发明的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置的工作过程：
本发明的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置一般与超声滚压强化装置协同运动，在对航空发动机叶片进行超声滚压强化加工时，支撑滚珠1 与叶片接触，对叶片进行支撑，超声滚压强化加工则对叶片的另一面进行加工，滚珠支架2通过万向节3绕基座4转动，以适应叶片的复杂曲面，控制系统同时控制超声滚压强化装置和航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，使超声滚压强化装置与叶片表面的接触点在航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置的轴线上，并保持超声滚压强化装置与航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置施加在叶片上的力尽可能相同，确保超声滚压强化加工过程中航空发动机叶片不产生的形变，同时超声振动引起的叶片颤振将被柔性弹性件51吸收，从而保证叶片超声滚压强化加工的精度和稳定性。
本发明实施例提供的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，可用于航空发动机叶片超声强化加工过程中的随动支撑。通过采用多个支撑滚珠，实现多点支撑，避免了对叶片表面造成划伤，增大了叶片的支撑面积，相比较单点支撑而言，不需要“点对点”支撑控制，降低了随动支撑的控制难度；通过采用万向节，使多个支撑滚珠可根据叶片曲率的变化调整支撑姿态，最大限度的使支撑滚珠与叶片表面接触；通过采用弹性件对万向节进行柔性支撑，可以有效的削弱航空发动机叶片强化过程中振动产生的消极影响；通过设置力传感器，能够实时监控支撑力的大小并反馈控制系统，形成闭环主动控制，确保超声滚压强化加工过程中强化工具与支撑装置施加在航空发动机叶片的作用力尽可能相同，避免叶片单侧受力过大产生形变而影响强化加工的精度。相比较常规的支撑装置及其支撑策略，使用本发明提出的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置进行航空发动机叶片强化加工具有更高的精度和稳定性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (9)

1.一种航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，包括：支撑滚珠、滚珠支架、万向节、基座和弹性件，其中；
所述支撑滚珠，至少为3个，可滚动地分布于所述滚珠支架上；
所述滚珠支架，为凹形结构，其底部与所述万向节的上端相连；
所述万向节，支撑于所述基座上；
所述基座，开设有上下贯通的阶梯通孔，该所述阶梯通孔中设有弹性件；
所述弹性件，位于所述阶梯通孔中且支撑于所述万向节的下端和所述基座的下端之间，所述弹性件的下端连接有下端盖，所述下端盖安装在所述基座的下端，所述基座和所述下端盖之间设置有力传感器，所述力传感器设置为实时监测支撑力的大小并反馈给相应的控制系统，形成闭环主动控制。
2.根据权利要求1所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述滚珠支架为凹型滚珠保持架，所述凹型滚珠保持架上设有滚珠保持槽，所述支撑滚珠安装在所述滚珠保持槽中。
3.根据权利要求2所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述滚珠保持槽为四个，每个所述滚珠保持槽内安装有一个所述支撑滚珠，四个所述滚珠保持槽沿所述凹型滚珠保持架的周向均匀设置。
4.根据权利要求1所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述万向节包括相互连接的万向节球型法兰和万向节球头支撑杆，所述万向节球型法兰与所述滚珠支架相连，所述万向节球头支撑杆的下端位于所述阶梯通孔中且与所述弹性件相连。
5.根据权利要求4所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，还包括连接在所述弹性件上端的上端盖，所述上端盖与所述万向节球头支撑杆的下端相连。
6.根据权利要求1所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述力传感器为压电石英传感器。
7.根据权利要求1所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧。
8.根据权利要求7所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述弹性件为橡胶金属复合弹簧。
9.根据权利要求1-8任一项所述的航空发动机叶片主被动柔性随动支撑装置，其特征在于，所述基座下端设有安装台阶，所述安装台阶上设置有多个沿周向均匀布置的安装通孔。
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