CN112873145B - 一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装，包括榫槽机构、多螺栓夹紧机构、辅助支撑旋转机构和丝杠导轨机构，其中辅助支撑旋转机构中的柔性伸缩杆设置有多个，且此柔性伸缩杆具有压力感知功能。采用多螺栓夹紧机构对叶冠进行装夹，辅助支撑旋转机构对叶身进行辅助支撑，丝杠导轨机构作为辅助支撑旋转机构的基座实现辅助支撑旋转机构沿要求方向移动。当需要对叶身某一部位进行支撑时，可以通过控制丝杠导轨机构使辅助支撑旋转机构移动到叶身的指定部位，对叶身进行辅助支撑。该工装夹具一方面可以保证薄壁叶片类零件加工时不发生加工振动与扭曲变形，另一方面便于工件的装夹与拆卸，提高薄壁叶片类零件加工质量和加工效率。

Description

一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装

技术领域

本发明属于航空发动机复杂薄壁类零件加工技术领域，具体涉及一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装。

背景技术

叶片类零件是航空发动机的关键、重要构件，其在航空发动机制造领域有较多加工难题存在。航空发动机零部件处于高温、高压、高转速等的工作环境中，故为满足服役过程中叶片零件的使用性能需求，在加工时提高零件加工质量是保证发动机的可靠性、服役性能的先决条件。航空发动机关键、重要零件多采用能够很好降低能耗并提高飞机性能的复杂曲面薄壁结构，尤其是叶片类零件。叶片类薄壁零件多具有壁厚薄、刚性弱、结构复杂等特点，且多使用钛合金、高温合金等难加工材料，使得加工中极易发生加工振动和变形，明显降低零件加工质量。因此，控制叶片类薄壁零件加工质量是提高航空发动机等重大航空装备高品质发展亟需解决的难题。

针对该问题，提出了控制薄壁叶片质量的柔性工装设计方法。该思想来源于已发表专利[黄涛.控制薄壁叶片加工变形的柔性夹具及叶片装夹方法:中国,CN111571266A.2020-08-25]，该专利结构主要包括：磁力工作台，以及能够与磁力工作台相吸的夹具本体，即磁力工作台具有吸力平面；而夹具本体包括定位台、具有两个旋转自由度的旋转关节、夹具台和叶片夹持机构。

该文献所提薄壁件柔性夹具对多数薄壁件均能进行装夹，可实现毛坯叶片的叶冠部分可靠、无预应力装夹，保证叶片零件除了受轴向的拉压力或压力之外，不受其它方向的装夹预应力。但该方法在长径比较大的薄壁叶片加工时，随着工件材料去除，工件几何结构与系统动力学特性会发生剧烈演化，时变动态切削力作用下工件易发生振动和变形，降低零件加工质量，限制了该柔性夹具的应用范围。基于此，提出了本发明。

发明内容

针对目前薄壁叶片类零件装夹难、加工过程易发生振动与变形、系统动力学特性时变性强等问题，本发明采用组合式工装对薄壁叶片进行装夹。其中，对于榫头而言，拟采用榫槽机构将其固定。对于叶冠而言，拟采用多螺栓夹紧机构将其固定。对于叶身而言，拟采用具有压力感知功能的柔性伸缩杆进行支撑，而伸缩杆设置在旋转机构上，称为辅助支撑旋转机构。辅助支撑旋转机构固定在丝杠导轨机构中的活动滑块上，当需要对叶身的某一部位进行支撑时，可以通过控制丝杠导轨机构中步进电机的运转，从而带动螺杆的转动，活动滑块内设螺纹孔与螺杆是配合关系，因此螺杆的转动将会带动固定在活动滑块上辅助支撑旋转机构的移动，使之移动到叶身的指定部位，对叶身进行辅助支撑。保证薄壁叶片类零件加工时不发生加工振动与扭曲变形，提高薄壁叶片零件加工质量和加工效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装，其包括榫槽机构、叶身支撑机构、叶冠夹持机构和丝杠导轨机构，其特征在于：所述叶身支撑机构为辅助支撑旋转机构，其中辅助支撑旋转机构中的柔性伸缩杆设置有多个，所述叶冠夹持机构为多螺栓夹紧机构。

所述辅助支撑旋转机构包括大型轴承、薄壁外壳、环形盖和柔性伸缩杆四部分，大型轴承内置于薄壁外壳之中，用螺钉连接，大型轴承外圈另一侧与环形盖用螺钉连接，柔性伸缩杆安装在此轴承内圈上、下两侧。

所述柔性伸缩杆机构外部由压力传感器、活动盖板、左端板、薄壁箱体、右端板、电机固定件、电机组成，内部由联轴器、深沟球轴承、螺杆、活动滑块和滑杆组成，压力传感器设在活动盖板顶端，用螺栓和螺母将左端板、薄壁箱体、右端板、电机固定件和电机连接，电机与螺杆右端用联轴器连接，螺杆两侧与深沟球轴承配合，两个深沟球轴承分别内置于左端板和右端板之中，活动滑块位于左端板和右端板之间，活动滑块内设螺纹孔，与螺杆配合，滑杆穿过左端板，其左端与活动盖板连接，右端与活动滑块连接。

所述多螺栓夹紧机构由大型轴承、薄壁外壳、移动体、轮子、螺栓、环形盖、上凸台和下凸台组成，大型轴承内置于薄壁外壳之中，用螺钉连接，薄壁外壳与移动体用螺栓连接，移动体两个“腿”下方分别设有两个轮子，大型轴承外圈另一侧与环形盖用螺钉连接，大型轴承内圈是实心的，其上设有两个凸台，两个凸台之间有间隙，每个凸台上设有两个螺纹孔，可以调节的螺栓与此螺纹孔配合。

在移动体横梁中间部分设有两个不同直径但同轴心的通孔，深沟球轴承置于大直径通孔中，螺杆右侧与深沟球轴承配合，螺杆右端内设一个螺纹孔，与法兰面螺栓连接，螺杆的左端与摇柄用螺钉连接，摇柄和移动体之间设有支撑体，支撑体内设螺纹孔，与螺杆配合，此支撑体固定丝杠导轨机构中固定端板上。

采用上述方案将叶片的叶冠部分伸入多螺栓夹紧机构两个凸台中间空隙，通过凸台上可以调节的螺栓对叶冠两侧进行定位夹紧。对于叶片榫头部位的装夹，根据榫头形状用相同尺寸形状的榫槽进行装夹，用螺栓通过榫槽底部螺纹孔对榫头进行顶紧。叶片两端进行定位夹紧后，其叶身部位必须加一个辅助支撑机构，否则，在加工过程中叶片很容易发生弯曲变形。本发明使用了一个具有压力感知功能的柔性伸缩杆，此机构设置有多个，分别将其安装在辅助支撑旋转机构的轴承内圈上、下两侧对叶身进行辅助支撑。增强其动态工艺系统刚度，提高切削系统稳定性，抑制薄壁零件再加工过程中因振动产生的弯曲变形。

本发明的辅助支撑旋转机构固定在丝杠导轨机构中的活动滑块上，当需要对叶身的某一部位进行支撑时，可以通过控制丝杠导轨机构中步进电机的运转，从而带动螺杆的转动，而活动滑块内设螺纹孔与螺杆是配合关系，因此螺杆的转动将带动固定在活动滑块上辅助支撑旋转机构的移动，使之移动到叶身的指定部位，通过柔性伸缩杆对叶身进行辅助支撑。

综上所述，本发明带来的有益效果是：采用多螺栓夹紧机构对叶冠进行装夹、采用辅助支撑旋转机构对叶身进行支撑、采用丝杠导轨机构作为辅助支撑旋转机构的基座实现辅助支撑旋转机构沿要求方向移动等，该工装夹具一方面可以保证薄壁叶片类零件加工时不发生加工振动与扭曲变形，而另一方面便于工件的装夹与拆卸，提高薄壁叶片零件加工质量和加工效率。

附图说明

图1为本发明装置结构主视图；

图2为本发明图1的A-A处结构剖视示意图；

图3为本发明多螺栓夹紧机构结构示意图；

图4为本发明图1的B-B处结构剖视示意图；

图5为本发明辅助支撑机构结构示意图；

图6为本发明柔性伸缩杆机构结构示意图；

图7为本发明图6的C-C处结构剖视示意图；

图8为本发明丝杠导轨机构结构俯视图；

图9为本发明图8的D-D处结构剖视示意图；

图10为本发明装置结构示意图。

图中：1-圆柱凸台，2-螺栓，3-榫槽，4-榫头，5-法兰面螺栓，6-螺栓，7-支撑体，8-螺杆，9-螺钉，10-摇柄，11-三角卡盘，12-薄壁外壳，13-轴承外圈，14-钢球，15-保持架，16-轴承内圈，17-移动体，18-轮子，19-薄型螺母，20-螺钉，21-环形盖，22-螺栓，23-上凸台，24-下凸台，25-螺栓，26-轴承外圈，27-钢球，28-保持架，29-轴承内圈，30-薄壁外壳，31-叶片，32-螺钉，33-环形盖，34-螺钉，35-柔性伸缩杆，36-压力传感器，37-活动盖板，38-螺母，39-螺母，40-左端板，41-薄壁箱体，42-右端板，43-电机固定件，44-螺栓，45-电机，46-联轴器，47-深沟球轴承，48-螺杆，49-活动滑块，50-滑杆，51-深沟球轴承，52-矩形槽，53-螺栓，54-步进电机，55-固定端面，56-法兰面螺母，57-螺钉，58-联轴器，59-螺钉，60-“T”型支撑板，61-深沟球轴承，62-螺杆，63-活动滑块，64-深沟球轴承，65-固定端板，66-螺母，67-螺栓，68-滑杆，69-底座，70-螺栓，71-右夹紧块，72-左夹紧块，73-螺栓。

具体实施方式

本发明一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装，主要包括榫槽机构、辅助支撑旋转机构、多螺栓夹紧机构和丝杠导轨机构。以下实例参照图1~10。

如图1所示，为本发明装置结构主视图。其中榫槽机构由圆柱凸台1、螺栓2和榫槽3组成。榫槽3底部设有一个圆柱凸台1，圆柱凸台1用三角卡盘11夹持，榫槽3形状根据榫头4形状制作而成，榫槽3与榫头4配合，用螺栓2通过榫槽3底部螺纹孔将榫头4顶紧，使榫槽3与榫头4配合更加牢固。对于多螺栓夹紧机构、辅助支撑旋转机构和丝杠导轨机构将在图2~9描述。

如图1、图2和图3所示，多螺栓夹紧机构主要由大型轴承、薄壁外壳12、移动体17、轮子18、环形盖21、螺栓22、上凸台23和组成下凸台24组成。薄壁外壳12和大型轴承外圈13分别设有四个螺纹孔，两相邻螺纹孔角度为90°，由轴承外圈13、钢球14、保持架15、轴承内圈16（实心的）构成的大型轴承内置于薄壁外壳12之中，用螺钉连接。薄壁外壳12与移动体17用螺栓25连接。移动体17两个“腿”下方分别设有两个轮子18，用薄型螺母19固定。大型轴承外圈13另一侧与环形盖21用螺钉20连接。大型轴承内圈16设有上凸台23和下凸台24，上凸台23和下凸台24分别设有两个螺纹孔，叶片的叶冠部分深入两凸台之间，用可以调节的螺栓22通过螺纹孔拧紧实现对叶冠的定位夹紧。

此外，为了能够控制多螺栓夹紧机构的左右移动和工件装夹与拆卸的便捷。如图1所示，在移动体17横梁中间部分设有两个不同直径但同轴心的通孔，深沟球轴承置于大直径通孔中，螺杆8右侧与深沟球轴承配合，螺杆8右端内设一个螺纹孔，与法兰面螺栓5连接。支撑体7位于摇柄10与移动体17之间，支撑体7内设螺纹孔，与螺杆8配合。支撑体7与丝杠导轨机构中固定端板55用螺栓6连接。摇柄10与螺杆8左端用螺钉9连接。手动摇动摇柄10，从而控制多螺栓夹紧机构的左右移动。

如图4和图5所示，辅助支撑旋转机构主要由大型轴承、薄壁外壳30、环形盖33和柔性伸缩杆35组成。大型轴承外圈26和薄壁外壳30分别设有四个螺纹孔，两相邻螺纹孔的角度为90°，由轴承外圈26、钢球27、保持架28和轴承内圈29构成的大型轴承内置于薄壁外壳30之中，用螺钉连接。大型轴承外圈26另一侧与环形盖33用螺钉32连接。用螺钉34将柔性伸缩杆35固定在轴承内圈29上、下两侧对叶身进行辅助支撑。

如图6和图7所示，柔性伸缩杆35机构外部主要由压力传感器36、活动盖板37、左端板40、薄壁箱体41、右端板42、电机固定件43、电机45组成，其内部主要由联轴器46、深沟球轴承47、螺杆48、活动滑块49、滑杆50和深沟球轴承51组成。压力传感器36设置在活动盖板37顶端。左端板40、薄壁箱体41、右端板42、电机固定件43和电机45四个端角处均设有通孔，用螺母39和螺栓44将它们连接，电机45与螺杆48右端用联轴器46固定，螺杆48两侧与深沟球轴承47，51配合，两个深沟球轴承47，51分别内置于右端板42和左端板40之中，活动滑块49位于左端板40和右端板42之间，活动滑块49内设螺纹孔，与螺杆48配合，活动盖板37和活动滑块49分别设有三个通孔，滑杆50左端与活动盖板37用螺母38固定，滑杆50右端与活动滑块49用螺母固定。左端板40设有三个通孔，其通孔直径略大于滑杆50直径，使滑杆50无摩擦穿过左端板40。

如图8和图9所示，丝杠导轨机构主要由步进电机54、固定端板55、联轴器58、“T”型支撑板60、深沟球轴承61、螺杆62、活动滑块63、深沟球轴承64、固定端板65、滑杆68、底座69、右夹紧块71和左夹紧块72组成。用螺栓53和法兰面螺母56将步进电机54和固定端板55连接，固定端板55与底座69左端用螺栓73连接。底座69右端与固定端板65用螺栓67连接。底座69左部分上表面设有四个螺纹孔，右夹紧块71和左夹紧块72分别设两个螺纹孔，将“T”型支撑板60放在两夹紧块中间，用螺栓70将两个夹紧块与底座69进行固定连接，从而将“T”型支撑板60定位夹紧。底座69两侧导轨上表面放置一个活动滑块63，此活动滑块63位于“T”型支撑板60和固定端板65之间，活动滑块63中心部位设有螺纹孔，与螺杆62配合。“T”型支撑板60、活动滑块63和固定端板65分别设通孔，其中活动滑块63通孔直径略大于滑杆68直径，每一侧通孔轴线位于同一轴线上，且两侧通孔的轴线位于同一水平面上，滑杆68穿过通孔，用螺母66将滑杆68的两端拧紧固定。深沟球轴承61，64分别内置于“T”型支撑板60和固定端板65之中，螺杆62左部分与深沟球轴承61配合，其右部分与深沟球轴承64 配合。步进电机54与螺杆62的左端用联轴器58固定。底座69两侧分别设有一条矩形槽52，便于多螺栓夹紧机构的移动。

如图10所示，上述的辅助支撑旋转旋转机构固定在丝杠导轨机构中的活动滑块63上 ，当需要对叶身的某一部位进行支撑时，可以控制丝杠导轨机构中的步进电机54的运转，通过联轴器58带动螺杆62的转动，进而带动活动滑块63的左右移动，使辅助支撑旋转机构移动到叶身的指定部位，通过辅助支撑旋转机构中的柔性伸缩杆35对叶身进行辅助支撑。

该夹具的优越性主要体现在如下方面：一是可以通过控制丝杠导轨机构运转，使辅助支撑旋转机构移动到叶身的指定部位，从而对叶身进行辅助支撑；二是保证叶身被支撑时不受压应力，并且在加工过程中，可以保证薄壁叶片类零件不发生加工振动与扭曲变形，大大提高薄壁叶片零件加工质量和加工效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参考上述的实施例对本发明已进行了比较详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装，其包括榫槽机构、叶身支撑机构、叶冠夹持机构和丝杠导轨机构，其特征在于：

所述叶身支撑机构为辅助支撑旋转机构，其中辅助支撑旋转机构中的柔性伸缩杆机构设置有多个；所述叶冠夹持机构为多螺栓夹紧机构；

对于榫头而言，采用榫槽机构将其固定；对于叶冠而言，采用多螺栓夹紧机构将其固定；对于叶身而言，采用具有压力感知功能的柔性伸缩杆机构进行支撑；辅助支撑旋转机构固定在丝杠导轨机构中的活动滑块上；

对于叶片榫头部位的装夹，根据榫头形状用相同尺寸形状的榫槽进行装夹，用螺栓通过榫槽底部螺纹孔对榫头进行顶紧；

所述辅助支撑旋转机构包括大型轴承、薄壁外壳、环形盖和柔性伸缩杆机构四部分，大型轴承内置于薄壁外壳之中，用螺钉连接，大型轴承外圈另一侧与环形盖用螺钉连接，柔性伸缩杆机构安装在此轴承内圈上、下两侧；

所述柔性伸缩杆机构外部由压力传感器、活动盖板、左端板、薄壁箱体、右端板、电机固定件、电机组成，内部由联轴器、深沟球轴承、螺杆、活动滑块和滑杆组成，压力传感器设在活动盖板顶端，用螺栓和螺母将左端板、薄壁箱体、右端板、电机固定件和电机连接，电机与螺杆右端用联轴器连接，螺杆两侧与深沟球轴承配合，两个深沟球轴承分别内置于左端板和右端板之中，活动滑块位于左端板和右端板之间，活动滑块内设螺纹孔，与螺杆配合，滑杆穿过左端板，其左端与活动盖板连接，右端与活动滑块连接；

所述多螺栓夹紧机构由大型轴承、薄壁外壳、移动体、轮子、螺栓、环形盖、上凸台和下凸台组成，大型轴承内置于薄壁外壳之中，用螺钉连接，薄壁外壳与移动体用螺栓连接，移动体两个腿下方分别设有两个轮子，大型轴承外圈另一侧与环形盖用螺钉连接，大型轴承内圈是实心的，其上设有两个凸台，两个凸台之间有间隙，每个凸台上设有两个螺纹孔，可调节螺栓与此螺纹孔配合；

辅助支撑旋转机构固定在丝杠导轨机构中的活动滑块上，当需要对叶身的某一部位进行支撑时，通过控制丝杠导轨机构中步进电机的运转，从而带动螺杆的转动，而活动滑块内设螺纹孔与螺杆是配合关系，因此螺杆的转动将带动固定在活动滑块上辅助支撑旋转机构的移动，使之移动到叶身的指定部位，通过柔性伸缩杆机构对叶身进行辅助支撑。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁叶片类零件叶身精密加工柔性工装，其特征在于：在移动体横梁中间部分设有两个不同直径但同轴心的通孔，深沟球轴承置于大直径通孔中，螺杆右侧与深沟球轴承配合，螺杆右端内设一个螺纹孔，与法兰面螺栓连接，螺杆的左端与摇柄用螺钉连接，摇柄和移动体之间设有支撑体，支撑体内设螺纹孔，与螺杆配合，此支撑体固定丝杠导轨机构中固定端板上。