CN112372451B - 一种高精度转子叶片及其轮缘尺寸控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于发动机叶片加工技术，具体涉及一种高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法。本发明为高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，叶片尺寸加工时，通过在叶片榫槽底部设置顶紧工装，推动叶片榫头，使得叶片榫头工作面与顶紧工装榫槽工作面始终保持贴合，加工叶片轮缘尺寸，使得叶片轮缘与石墨环间的间隙满足设计要求，然后撤除顶紧工装，并将叶片安装在轮盘焊接组件榫槽内。本发明方法保证加工完成后轮缘尺寸达到设计要求，转子叶片试车后轮缘直径满足设计状态，无高点存在，保证轮缘尺寸一致性，避免石墨刮磨造成轮缘间隙过大，导致气流损失加大，提高压气机效率、增大压比，并对发动机起动稳定性有很好的改善效果，具有较大的实际应用价值。

Description

一种高精度转子叶片及其轮缘尺寸控制方法

技术领域

本发明属于发动机叶片加工技术，具体涉及一种高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法。

背景技术

轻型航空发动机压气机转子叶片采用燕尾形榫头与周向燕尾形榫槽配合连接的方式。由于受到结构形式限制，为保证装配需求，转子叶片榫头与轮盘榫槽之间需要具有一定间隙，如图1所示。叶片榫头与轮盘榫槽存在制造误差，所以不同叶片榫头与轮盘榫槽之间的配合间隙不一致。该间隙直接影响加工和试车后轮缘直径。针对该问题，目前有以下技术方案：

Ⅰ提高榫头、榫槽精度要求。该方法执行难度很大，榫头、榫槽配合面为小圆弧面，叶片尺寸小，加工精度受加工条件、设备和零件自身结构限制，而且即使精度提高到极限，公差累积也难以避免，因此，该方法难以彻底解决轮缘尺寸伸长问题，而提高榫头、榫槽加工精度后，还会导致压气机转子叶片装配十分困难。

Ⅱ利用高速磨床磨削。采用高速磨床磨削方法加工转子轮缘尺寸。该方法要求磨床转速达到每分钟3万多转，该状态下，转子叶片在离心力作用下已甩出，榫头与榫槽已基本贴合，消除了装配时榫头榫槽间隙，从而可以保证工作状态下叶片轮缘直径不再伸长，从根本上解决这一问题。但该高速磨床采购成本高达数百万，为单一产品工序采购高成本设备，费用太高，经济效益差，难以实施。

Ⅲ首次试车后磨削转子轮缘直径。该方法在首次试车后，转子叶片已经伸长的状态下再次进行磨削。该方法需要同时对刮磨的工作环进行重新喷涂，而且首次试车过程中，压气机效率降低。重复试车、重新喷涂工作环均浪费大量资源，同时对生产交付进度影响很大。

Ⅳ采用超转方式模拟压气机转子叶片工作状态加工的方法。

该方法采用超转方式模拟压气机转子叶片工作状态，使叶片受到离心力作用，叶片向外甩出达到榫头与榫槽贴合状态再进行加工。该方法存在叶片受到离心力作用后无法保证所有叶片全部达到伸长到理想贴合状态的情况，未能完全消除配合间隙对轮缘直径产生影响。同时加工过程中受到刀具切削力作用，叶片存在缩短和偏斜情况，无法反映出轮缘直径的真实值。试车后轮缘尺寸仍有高点，轮缘间隙过大造成气流损失，压气机压比效率下降。

发明内容

本发明的目的：提供一种高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，有效避免试车后轮缘尺寸伸长，石墨刮磨导致间隙过大造成气流损失增大。

本发明的技术方案：一种高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，叶片尺寸加工，通过在叶片榫槽底部设置顶紧工装，推动叶片榫头，使得叶片榫头工作面与顶紧工装榫槽工作面始终保持贴合，加工叶片轮缘尺寸，使得叶片轮缘与石墨环间的间隙满足设计要求，然后撤除顶紧工装，并将叶片安装在轮盘焊接组件榫槽内。

所述顶紧工装包括榫槽轮盘、顶紧机构，所述榫槽轮盘为开口筒状结构，其筒状壁面设置有若干圆周均布的内凹式榫槽，且每一个榫槽中心设置有径向调节孔，该径向调节孔朝向叶尖方向一端为通孔，朝向工装轴向一端为螺纹孔，两者同轴且相互连通，所述顶紧机构包括顶块和调节螺栓，所述顶块设置在通孔内，调节螺栓设置在螺纹孔内，通过旋转调节螺栓，推动顶块上升，能够推动叶片榫头往上，保证榫头工作面与榫槽工作面完全贴合。

所述顶紧工装榫槽轮盘中心连接传动轴，该传动轴连接外部机床，传递加工扭矩。

所述顶紧工装还包括轴向限位机构，该轴向限位机构为压盖结构设置在榫槽轮盘外侧，用于对叶片进行轴向限位。

所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其包括如下步骤：

步骤一：准备阶段

准备用于装配的转子叶片，并进行编号，准备顶紧工装以及叶片加工设备；

步骤二：试装配消除间隙

在顶紧工装上按榫槽数量装配转子叶片，对叶片装入的榫槽编号，记录叶片编号与榫槽之间编号对应关系，保证叶片圆周方向靠紧；

步骤三：测量

对装配完成的每片叶片预加载F₁作用力，测量轮缘尺寸，记录实际值；进一步的叶片预紧力不允许超过工作状态下，转子叶片所受离心力；

步骤四：分解并重新装配

分解下已装配的所有叶片，重复第2、3步，改变叶片施加作用力，通过测量不同作用力下叶片轮缘尺寸变化，获取确定最佳作用力；

步骤五：装配消除间隙

重新装配所有叶片，对每片叶片加载Fn径向作用力，测量轮缘直径实际值；步骤六磨削

按图纸尺寸加工轮缘直径至合格。

步骤七试车验证

对加工完成压气机转子随发动机整机进行试车验证，考察转子轮缘试车后是否伸长，超出图纸要求。

步骤四中，施加的作用力改为F₂；直至加载力为Fn，n取1、2、3…时，如继续加大Fn，测量叶片轮缘尺寸不发生变化，确定加载力Fn为消除间隙最小预紧力；进一步的当每次使用不同力矩顶紧时，应保证被顶紧时叶片不发生倾斜。

所述传动轴与机床输出轴之间同轴度不大于0.01。

一种高精度转子叶片，其根据所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法制造而成，其转子第1、2级轮缘直径

第3～6级转子轮缘直径

本发明的有益效果为：本发明高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，针对现有技术方案加工轮缘方式不足，本发明达到预期效果，保证加工完成后轮缘尺寸达到设计要求，转子叶片试车后轮缘直径满足设计状态，无高点存在，保证轮缘尺寸一致性，减小了压气机轮缘损失，避免石墨刮磨造成轮缘间隙过大，导致气流损失加大，提高压气机效率、增大压比，并对发动机起动稳定性由很好的改善效果，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1是叶片安装示意图；

图2是本发明顶紧机构的结构示意图，

其中，其中1－榫槽、2－叶片榫头、3-榫槽轮盘、4传动轴、5-轴向限位机构、6-顶紧机构。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

本发明高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法通过在叶片榫槽底部顶紧，避免叶片轮缘位置移动，从而保证加工尺寸，具体包括以下步骤：

步骤一 准备阶段

满足装配数量要求的压气机转子叶片1套，对叶片进行编号；

设计并制造加工顶紧工装，按压气机转子叶片榫头与榫槽尺寸每级分别设计1件工装，用于加工转子叶片轮缘尺寸。

请参阅图2，其是所述顶紧工装结构示意图。本发明顶紧工装包括榫槽轮盘、顶紧机构、轴向限位机构、传动轴。所述榫槽轮盘为开口筒状结构，其筒状壁面设置有若干圆周均布的内凹式榫槽，且每一个榫槽中心设置有径向调节孔，该径向调节孔朝向叶尖方向一端为通孔，朝向工装轴向一端为螺纹孔，两者同轴且相互连通。所述顶紧机构包括顶块和调节螺栓，所述顶块设置在通孔内，调节螺栓设置在螺纹孔内，通过旋转调节螺栓，推动顶块上升，能够推动叶片榫头往上，保证榫头工作面与榫槽工作面完全贴合。另外，所述顶紧工装榫槽轮盘中心连接传动轴，该传动轴连接外部机床，传递加工扭矩。所述顶紧工装还包括轴向限位机构，该轴向限位机构为压盖结构设置在榫槽轮盘外侧，用于对叶片进行轴向限位。

通过该顶紧工装，可以有效保证每个叶片安装于独立榫槽，在每个叶片榫头底部能够施加径向力，同时榫槽具有轴向定位功能；进一步的该工装应具备较高精度水平和较好结构强度。保证连接装置与机床输出轴之间同轴度不大于0.01mm，保证高速旋转后榫槽底面轮廓度变形量不超过0.01mm。

另外，准备磨削加工设备1台，设备精度应高于加工转子叶片的轮缘尺寸精度；

步骤二 试装配消除间隙

在专用的顶紧工装上按榫槽数量装配转子叶片，对叶片装入的榫槽编号，记录叶片编号与榫槽之间编号对应关系，保证叶片圆周方向靠紧；进一步的当叶片装入不同榫槽中时，通过控制叶片榫头和榫槽的加工精度，使得叶片轮缘尺寸偏差不大与0.02mm，叶片反复装配后轮缘尺寸偏差不大于0.02mm。

步骤三 测量

对装配完成的每片叶片预加载F₁作用力，测量轮缘尺寸，记录实际值；进一步的叶片预紧力不允许超过工作状态下，转子叶片所受离心力；

步骤四 分解并重新装配

分解下已装配的所有叶片，重复第2、3步，其中施加的作用力改为F₂；直至加载力为Fn(n取1、2、3…)时，如继续加大Fn，测量叶片轮缘尺寸不发生变化，确定加载力Fn为消除叶片榫头和榫槽之间的间隙最小预紧力；进一步的当每次使用不同力矩顶紧时，控制力矩大小，应保证被顶紧时叶片不发生倾斜；

步骤五 装配消除间隙

重新装配所有叶片，对每片叶片加载Fn径向作用力，测量轮缘直径实际值，当叶片轮缘尺寸不再发生变化，即认为叶片榫头和榫槽之间的间隙已经消除，实现二者之间的完全贴合；

步骤六 磨削

此时，按图纸尺寸加工叶片轮缘直径至合格；

步骤七 试车验证

对加工完成压气机转子随发动机整机进行试车验证，考察转子轮缘试车后是否伸长，即有无超出图纸要求，产生超出图纸尺寸的高点，如果有，则重复步骤一到步骤六，直至满足图纸尺寸要求。

实施例：某压气机转子设计要求如下，其第1、2级轮缘直径

第3～6级转子轮缘直径

本发明高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法具体实施时，其过程如下：

1准备：

满足装配数量要求的压气机转子叶片1套，对叶片进行编号；

设计并制造加工工装，按压气机转子叶片榫头与榫槽尺寸每级分别设计1件工装，用于加工转子叶片轮缘尺寸。该工装应保证每个叶片安装于独立榫槽，在每个叶片榫头底部能够施加径向力，同时榫槽具有轴向定位功能；

磨削加工设备1台。

2试装配消除间隙

在每级专用工装上按榫槽数量装配转子叶片，对叶片装入的榫槽编号，记录叶片编号与榫槽之间编号对应关系，保证叶片圆周方向靠紧；

3测量

对装配完成的每片叶片预加载0.2N.m作用力，测量轮缘跳动，记录实际值；

4分解并重新装配

分解下已装配的所有叶片，重复第2、3步，其中施加的作用力改为0.3N.m；直至加载力为0.5N.m时，如继续加大力，测量轮缘跳动不发生变化，确定加载力0.5N.m为消除间隙最小预紧力；

5装配消除间隙

重新装配所有叶片，对每片叶片加载0.5N.m力矩，测量轮缘直径实际值；

6磨削

按图纸尺寸

加工轮缘直径至合格。

7试车验证

对加工完成压气机转子随发动机整机进行试车验证，试车后轮缘尺寸如表1所示。

表1新品和试车后轮缘尺寸

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，另外，本发明未详尽部分均为常规技术。

Claims (7)

1.一种高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，叶片尺寸加工，通过在叶片榫槽底部设置顶紧工装，推动叶片榫头，使得叶片榫头工作面与顶紧工装榫槽工作面始终保持贴合，加工叶片轮缘尺寸，使得叶片轮缘与石墨环间的间隙满足设计要求，然后撤除顶紧工装，并将叶片安装在轮盘焊接组件榫槽内；

所述方法包括如下步骤：

步骤一：准备阶段

准备用于装配的转子叶片，并进行编号，准备顶紧工装以及叶片加工设备；

步骤二：试装配消除间隙

在顶紧工装上按榫槽数量装配转子叶片，对叶片装入的榫槽编号，记录叶片编号与榫槽之间编号对应关系，保证叶片圆周方向靠紧；

步骤三：测量

对装配完成的每片叶片预加载F₁作用力，测量轮缘尺寸，记录实际值；进一步的叶片预紧力不允许超过工作状态下，转子叶片所受离心力；

步骤四：分解并重新装配

分解下已装配的所有叶片，重复第2、3步，改变叶片施加作用力，通过测量不同作用力下叶片轮缘尺寸变化，获取确定最佳作用力；

步骤五：装配消除间隙

重新装配所有叶片，对每片叶片加载Fn径向作用力，测量轮缘直径实际值；

步骤六 磨削

按图纸尺寸加工轮缘直径至合格；

步骤七 试车验证

对加工完成压气机转子随发动机整机进行试车验证，考察转子轮缘试车后是否伸长，超出图纸要求。

2.根据权利要求1所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，所述顶紧工装包括榫槽轮盘、顶紧机构，所述榫槽轮盘为开口筒状结构，其筒状壁面设置有若干圆周均布的内凹式榫槽，且每一个榫槽中心设置有径向调节孔，该径向调节孔朝向叶尖方向一端为通孔，朝向工装轴向一端为螺纹孔，两者同轴且相互连通，所述顶紧机构包括顶块和调节螺栓，所述顶块设置在通孔内，调节螺栓设置在螺纹孔内，通过旋转调节螺栓，推动顶块上升，能够推动叶片榫头往上，保证榫头工作面与榫槽工作面完全贴合。

3.根据权利要求2所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，所述顶紧工装榫槽轮盘中心连接传动轴，该传动轴连接外部机床，传递加工扭矩。

4.根据权利要求3所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，所述顶紧工装还包括轴向限位机构，该轴向限位机构为压盖结构设置在榫槽轮盘外侧。

5.根据权利要求1所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，步骤四中，施加的作用力改为F₂；直至加载力为Fn，n取1、2、3…时，如继续加大Fn，测量叶片轮缘尺寸不发生变化，确定加载力Fn为消除间隙最小预紧力，将消除间隙最小预紧力作为最佳作用力；进一步的当每次使用不同力矩顶紧时，应保证被顶紧时叶片不发生倾斜。

6.根据权利要求3所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法，其特征在于，所述传动轴与机床输出轴之间同轴度不大于0.01。

7.一种高精度转子叶片，其由根据权利要求1至6任一项所述的高精度转子叶片轮缘尺寸控制方法制造而成，其特征在于，转子第1、2级轮缘直径

第3～6级转子轮缘直径

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