CN114161310A - 用于钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，主要由上盖板、上垫块、上夹板、限制器、下垫块、下盖板、缸圈、定位螺钉和下夹板组成，通过在两叶片间设置随形限制器，形成均匀有效的跟随曲面叶片型面的磨料流道，引导磨料在叶片型面间进行反复循环加工，均匀去除高效铣削残留的变质层，减少了加工残余应力的同时得到较低的叶片的表面粗糙度。本发明有效地提高了磨粒流的加工效率和加工精度，保证了叶轮叶片型面的高质量和低应力。
Description
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，涉及一种用于钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具。
背景技术
整体叶轮作为航空航天业的关键零件，对产品的运行性能起着决定性的作用。整体叶轮的材料多为钛合金、高温合金等难加工材料，其叶片型面多为三维复杂曲面，需要在高速铣加工或电解加工后用磨粒流方法进行加工。本发明涉及的整体叶轮材料为钛合金，涉及的整体叶轮零件在圆周上均布几十个叶片，两相邻叶片在中心处的间隙是从渐变的。叶轮叶片之间空隙小，最窄处仅1.73mm，根部具有圆角R0.5-0.8mm。传统的加工整体叶轮零件的磨粒流夹具只是将磨料送到叶片流道部位进行加工，叶片间的间隙变化造成加工时磨料中的磨粒与叶片的接触速度和受力不一致，使得叶片的型面精度难以达到技术要求，表面微观余量去除不均匀。因此，常规夹具流道设计存在未考虑叶片间的间隙变化而造成叶片型面部位不能均匀磨粒流抛光的情况，传统方式加工精度及光整性不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，主要由上盖板、上垫块、上夹板、限制器、下垫块、下盖板、缸圈、定位螺钉和下夹板组成；所述上盖板、下盖板结构相同，上垫块、下垫块结构相同；
所述上盖板为圆盘形，其端面与磨粒流机床的上磨料缸紧密接触，上有多个扇形孔，用于磨料的进出；上盖板上有台阶状的凸起，用于与缸圈的定位；
所述上垫块为阶梯圆锥形，与上盖板相连，底部压在上夹板上，用于夹紧固定和密封；上垫块中间有圆柱沉头孔，用于放置整体叶轮盘的轴端；
所述上夹板为圆盘形，其上有一个扇形孔，与整体叶轮的叶型面相对应，磨料从此扇形孔挤入，进入到叶轮型面的加工部位；在下行程中，磨料此扇形孔挤出；
所述限制块为曲面不规则形状，位于叶轮叶片、上夹板和下夹板之间；限制器用于引导介质流向，保证变截面叶片流道曲面在磨粒流加工时的流道尺寸的一致；多个限制器沿圆周排列；
所述上夹板、下夹板、多个限制器通过定位螺钉连接；
所述缸圈为圆筒形，缸圈直径与上夹板和下夹板、零件及限制器在圆周紧密配合，高度与上垫块、上夹板、零件、下垫块、下盖板协调，从而形成上腔和下腔；
所述下盖板端面与磨粒流机床的下磨料缸紧密接触。
进一步的，所述限制块有多个随型齿片，保持与叶片型面的间隙为0.5-0.7mm；限制器侧边缘平面上设有圆孔，用于和上夹、下夹板确定固定位置并安装定位螺钉。
进一步的，所述限制块的两端设计成相互配合的圆弧凹凸面。
进一步的，所述上盖板材料为45钢，上有4个扇形孔，用于磨料的进出。
进一步的，所述上盖板上有多个螺纹孔用于与上垫块螺纹紧固连接。
进一步的，所述上垫块的顶部直径和底部直径分别小于上盖板的扇形孔内直径和上压板的扇形孔内直径。
进一步的，所述上夹板的扇形孔角度占圆周的一半。
进一步的，所述上夹板上有多个螺纹孔，且孔上有倒角，作为定位螺钉旋入的始端。
进一步的，所述下夹板设有一个扇形孔和多个螺纹孔，作为定位螺钉旋入的末端，螺纹孔数量与上夹板螺纹孔相同。
进一步的，所述上垫块与上盖板，所述下垫块与下盖板，均通过六角螺栓相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)使用随形磨粒流夹具，可以实现钛合金整体叶轮的叶片型面部位的光整加工，实现表面粗糙度的降低，达到Ra0.7μm以下；同时均匀地去除电解或机械加工残留的变质层，减少表面残余应力，获得低应力的表面；
(2)通过随形限制器4的设置，可在磨粒流加工时保证一定的通过叶片型面的磨料流速和压力，实现叶轮叶片型面的余量均匀去除，从而达到IT7级高精度要求，同时减小了加工时磨料流经叶片型面流道的面积，提高了加工效率；
(3)通过各组件配合形成针对叶片型面部位的均匀的小间隙磨料流道，有效地密封住整体叶轮的轴端，磨粒流机床将磨料挤出进入叶片部位进行反复循环加工，提高了磨粒流的加工效率和表面质量。
附图说明
图1为随形磨粒流夹具总图。
图2为上/下盖板示意图。
图3为上/下垫块示意图。
图4为上夹板示意图。
图5为下夹板示意图。
图6为定位螺钉示意图。
图7为限制器示意图。
图8为缸圈示意图。
图9为六角螺栓示意图。
图10为钛合金整体叶轮示意图。
图11为随形磨粒流夹具工作示意图。
附图标记：1-上盖板，2-上垫块，3-上夹板，4-限制器，5-下垫块，6-下盖板，7-缸圈，8-定位螺钉，9-钛合金叶轮，10-下夹板，11-六角螺栓。
具体实施方式
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种针对钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，固定零件的同时引导磨料流过加工表面进行光整加工，堵住不需要加工的部位。通过在两叶片间设置随形限制器，形成均匀有效的跟随曲面叶片型面的磨料流道，引导磨料在叶片型面间进行反复循环加工，均匀去除高效铣削残留的变质层，减少了加工残余应力的同时得到较低的叶片的表面粗糙度。本发明有效地提高了磨粒流的加工效率和加工精度，保证了叶轮叶片型面的高质量和低应力。
如图1所示，一种用于钛合金整体叶轮实现流道磨粒流光整加工的专用夹具，主要由上盖板1、上垫块2、上夹板3、限制器4、下垫块5、下盖板6、缸圈7、定位螺钉8、下夹板10、六角螺栓11组成；所述上盖板1、上垫块2、上夹板3、限制器4、下垫块5、下盖板6由上而下依次设置，缸圈7位于上盖板1、下盖板6之间。
如图2所示，上盖板1为圆盘形，材料为45钢，其端面磨粒流机床的上磨料缸紧密接触，上有4个扇形孔，用于磨料的进出。盖板上有台阶状的凸起，用于与缸圈7的定位。上盖板1上有四个螺纹孔用于与上垫块2螺纹紧固连接。
如图3所示，上垫块2为阶梯圆锥形，材料为PA66，是尼龙制材料。其用4个六角螺栓11与上盖板1相连，底部压在上夹板3上，起到夹紧固定和密封作用，防止磨料流入到叶轮内孔中，保护叶轮内孔不被加工。上垫块2中间有圆柱沉头孔，用于放置整体叶轮盘的轴端。上垫块2的顶部直径和底部直径分别小于上盖板1的扇形孔内直径和上压板3的扇形孔内直径，使得流料可以从上盖板1和上压板3的扇形孔顺利流进流出。
如图4所示，上夹板3为圆盘形，其上有一个扇形孔，扇形孔角度约占圆周的一半，且与整体叶轮的叶型面相对应，磨料从此扇形孔挤入，进入到叶轮型面的加工部位。在下行程中，磨料此扇形孔挤出，达到反复循环高效加工的目的。夹板3上有8个螺纹孔，且孔上有倒角，是螺钉旋入的始端。
如图7所示，限制块4为曲面不规则形状，位于叶轮叶片、上夹板3和下夹板10之间。限制器4用于引导介质流向，保证变截面叶片流道曲面在磨粒流加工时的流道尺寸的一致。结构上有三个随型齿片，其曲面形状结合流道设计成跟随叶片型面的曲面，保持与叶片型面的间隙为0.5-0.7mm，且需保证跟随叶片型面的不同曲面位置间隙一致。限制块齿片的底部圆弧、顶面圆弧、高度尺寸均需结合叶轮零件齿型的底部圆弧、顶面圆弧、高度尺寸设计，同样保证与叶片型面的间隙为0.5-0.7mm。限制器侧边缘平面上设有圆孔，用于和上、下夹板确定固定位置并安装定位螺钉。限制块的两端设计成相互配合的圆弧凹凸面，以便于两个限制器的相互配合。限制块可采用高温合金3d打印后精密加工而成。通过将多个限制器沿圆周排列，可以同时加工多个叶型面。由于限制器4与叶型面形成的间隙相同，磨料的流速基本一致，从而可以均匀去除铣削残留的变质层，提高加工质量。
下垫块5的材料、功能、结构形状与上垫块2相同。
下盖板6端面与磨粒流机床的下磨料缸紧密接触，下盖板6的材料、功能、结构形状与上盖板1相同。
如图6所示，定位螺钉8用于联接上夹板3、下夹板10、限制器4。通过8-10个定位螺钉8将上夹板3、下夹板10、多个限制器4连接起来，紧贴在整体叶轮9的端面上进行密封，防止磨料进入到叶轮轴端。
如图5所示，下夹板10的结构与上夹板3基本类似，有一个扇形孔和8个螺纹孔，是螺钉旋入的末端。
如图8所示，缸圈7为圆筒形，材料为45钢。缸圈7直径需与上夹板3和下夹板10、零件及限制器4在圆周紧密配合，高度需与上垫块2、上夹板3、零件、下垫块5、下盖板6、协调，从而形成上腔和下腔，磨料只能通过上、下夹板进入叶片型面加工部位，从而保证了磨料存在一定的压力和流速，提高了磨粒流的加工效率。
如图9所示，六角螺栓11将上垫块2与上盖板1相连、下垫块5与下盖板6相连，是起连接紧固作用的标准件。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图10所示，加工零件以钛合金整体叶轮为例，其材料为钛合金TC9R。零件在圆周上均布46个叶片，两相邻叶片在中心处的间隙是从3.28-1.73mm渐变的。叶轮叶片之间空隙小，最窄处仅1.73mm，叶片径向高度为11.5mm，根部具有圆角R0.8mm，叶片型面粗糙度要求保证Ra 0.8μm。最终需采用磨粒流加工。
随形磨粒流夹具由上盖板1、上垫块2、上夹板3、限制器4、下垫块5、下盖板6、缸圈7、螺钉8、下夹板10、六角螺栓11组成。
如图11所示，本发明所述夹具的使用方法如下：
1)首先将上盖板1和上垫块2用4个六角螺栓11连接在一起，同理，将下盖板6和下垫块5装配在一起，并将下盖板6放置在磨粒流机床的下磨料缸上。
2)将钛合金整体叶轮放在上夹板3和下夹板10之间，然后将8个限制器4按圆周方向依次放入到叶轮叶片中间部位，保证限制器4侧面的孔位置和两夹板的孔位置一一对应，并辅以塞片调整、检查限制器齿片与叶片侧面的间隙一致，从而保证叶片与限制器、上下夹板间形成了均匀的小间隙流道。
3)用定位螺钉8将上夹板3、限制器4和下夹板10联接紧固起来，安装面需贴紧以保证密封性，防止磨料流入叶轮轴端及孔内。
4)将下夹板10放置在下垫块5上，将缸圈7以轴肩定位放在下盖板6上，同理，以轴肩定位将上盖板1放置在缸圈7上。
5)整个随形磨粒流夹具装配完成后，磨粒流机床将磨料从下磨料缸挤出，磨料沿着下盖板6的4个扇形孔进入到缸圈7内，在进入到限制器4和叶轮叶片之间进行磨粒流加工，随后，从上盖板1的4个扇形孔流出到磨粒流机床的上磨料缸。同理，在机床的下行程中，磨料从上磨料缸挤出进入叶片部位再到下磨料缸。多次反复加工，直至叶片表面抛光达到技术要求。
6)整体叶轮的一半叶片加工完成后，将上盖板1取出，将缸圈7取下，将上夹板3和下夹板10拆除，将整体叶轮旋转至未加工的叶片部位，随后，重复步骤2-5即可。至此，完成整个钛合金整体叶轮叶片部位的光整加工。
Claims (10)
1.一种钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，主要由上盖板(1)、上垫块(2)、上夹板(3)、限制器(4)、下垫块(5)、下盖板(6)、缸圈(7)、定位螺钉(8)和下夹板(10)组成；所述上盖板(1)、下盖板(6)结构相同，上垫块(2)、下垫块(5)结构相同；
所述上盖板(1)为圆盘形，其端面与磨粒流机床的上磨料缸紧密接触，上有多个扇形孔，用于磨料的进出；上盖板上有台阶状的凸起，用于与缸圈(7)的定位；
所述上垫块(2)为阶梯圆锥形，与上盖板(1)相连，底部压在上夹板(3)上，用于夹紧固定和密封；上垫块(2)中间有圆柱沉头孔，用于放置整体叶轮盘的轴端；
所述上夹板(3)为圆盘形，其上有一个扇形孔，与整体叶轮的叶型面相对应，磨料从此扇形孔挤入，进入到叶轮型面的加工部位；在下行程中，磨料此扇形孔挤出；
所述限制块(4)位于叶轮叶片、上夹板(3)和下夹板(10)之间；限制器(4)用于引导介质流向，保证变截面叶片流道曲面在磨粒流加工时的流道尺寸的一致；多个限制器(4)沿圆周排列；
所述上夹板(3)、下夹板(10)、多个限制器(4)通过定位螺钉(8)连接；
所述缸圈(7)为圆筒形，缸圈(7)直径与上夹板(3)和下夹板(10)、零件及限制器(4)在圆周紧密配合，从而形成上腔和下腔；
所述下盖板(6)端面与磨粒流机床的下磨料缸紧密接触。
2.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述限制块(4)有多个随型齿片，保持与叶片型面的间隙为0.5-0.7mm；限制器侧边缘平面上设有圆孔，用于和上夹(3)、下夹板(10)确定固定位置并安装定位螺钉(8)。
3.根据权利要求2所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述限制块(4)的两端设计成相互配合的圆弧凹凸面。
4.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上盖板(1)材料为45钢，上有4个扇形孔，用于磨料的进出。
5.根据权利要求4所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上盖板(1)上有多个螺纹孔用于与上垫块(2)螺纹紧固连接。
6.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上垫块(2)的顶部直径和底部直径分别小于上盖板(1)的扇形孔内直径和上压板(3)的扇形孔内直径。
7.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上夹板(3)的扇形孔角度占圆周的一半。
8.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上夹板(3)上有多个螺纹孔，且孔上有倒角，作为定位螺钉(8)旋入的始端。
9.根据权利要求8所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述下夹板(10)设有一个扇形孔和多个螺纹孔，作为定位螺钉(8)旋入的末端，螺纹孔数量与上夹板(3)螺纹孔相同。
10.根据权利要求1所述的钛合金整体叶轮的随形磨粒流夹具，其特征在于，所述上垫块(2)与上盖板(1)，所述下垫块(5)与下盖板(6)，均通过六角螺栓(11)相连。
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