CN114850799A - 一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于航空发动机涡轮外环的加工工装，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装及加工方法。解决了现有SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮外环采用单件机械加工，存在零件加工基准与装配基准、设计基准不统一，难以满足涡轮外环构件产品的装配精度要求的技术问题。本发明加工工装包括底座、支撑环和压板；底座中部设置有用于卡入第二卡槽内的第二卡槽凸台；支撑环的外侧面用于与待加工涡轮外环底板的内侧面接触；支撑环固定连接在底座上端面；压板上部沿径向依次设置有压板台阶和用于卡入第一卡槽内的第一卡槽凸台；压板台阶的台阶面与支撑环的上端面固定连接；压板的内壁面用于与第一卡槽外壁和第二卡槽外壁的外型面相接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于航空发动机涡轮外环的加工工装，具体涉及一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装及加工方法。
背景技术
随着航空工业的迅猛发展，高性能、高推重比的航空发动机已成为航空发动机发展的趋势，其中，提高发动机涡轮进口温度和降低结构重量是研发下一代先进军用航空发动机和大涵道比民用发动机的首要任务。
SiCf/SiC陶瓷基复合材料作为航空发动机热端部件最具潜力的材料，已被应用于军用及商用燃气涡轮发动机燃烧室、涡轮叶片、涡轮外环和喷管等热端部件。研究表明，采用SiCf/SiC陶瓷基复合材料代替传统高温合金材料制备燃气轮机和航空发动机热端部件，可提高燃油效率，降低燃油消耗，减少有害废气排放，大幅提高发动机推重比。
然而，目前采用SiCf/SiC陶瓷基复合材料制备的航空发动机涡轮外环的主要加工方式为单件机械加工，单个待加工的涡轮外环的结构展示如图1和图2所示，但单个涡轮外环的结构不限于此，涡轮外环上设置有第一卡槽11和第二卡槽12，且第二卡槽12比第一卡槽11的深度更大，单件机械加工方法存在零件加工基准与装配基准、设计基准不统一的问题，难以满足涡轮外环构件产品的装配精度要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有SiCf/SiC陶瓷基复合材料涡轮外环采用单件机械加工，存在零件加工基准与装配基准、设计基准不统一，难以满足涡轮外环构件产品的装配精度要求的技术问题，而提供一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装及加工方法。本发明加工方法是对SiCf/SiC陶瓷基复合材料航空发动机涡轮外环进行整体安装，采用本发明方法对涡轮外环加工后，可大幅度提高涡轮外环的尺寸精度及加工效率，能够更好地满足发动机对涡轮外环的综合要求及互换性。
本发明的技术方案是：
一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，其特殊之处在于：包括底座、位于底座上端面的支撑环和压板；
所述底座的中部沿周向设置有与待加工涡轮外环的第二卡槽相适配的第二卡槽凸台，第二卡槽凸台用于卡入第二卡槽内；
所述支撑环的外侧面与待加工涡轮外环底板的内侧面相适配，支撑环的外侧面用于与待加工涡轮外环底板的内侧面接触；所述支撑环的轴向高度与待加工涡轮外环底板的轴向高度一致；所述支撑环的下端连接在底座上端面；
所述压板包括环形外侧壁和固连在环形外侧壁上部并向内延伸的环形顶板，环形顶板的下侧沿径向由内至外依次设置有压板台阶，以及与待加工涡轮外环的第一卡槽相适配的第一卡槽凸台；所述压板台阶的台阶面用于与待加工涡轮外环底板的上端面和支撑环的上端面接触，且压板台阶的台阶面与支撑环的上端面连接；所述第一卡槽凸台用于卡入第一卡槽内；所述压板的内壁面与待加工涡轮外环的第一卡槽外壁的外型面和第二卡槽外壁的外型面相适配，压板的内壁面用于与第一卡槽外壁和第二卡槽外壁的外型面相接触；所述压板的环形外侧壁下端面与底座连接。
进一步地，所述支撑环的外侧面下部设置有支撑环台阶，支撑环台阶的深度小于支撑环高度的三分之一。
进一步地，所述底座与支撑环的下端面之间、底座与压板的环形外侧壁下端面之间、压板台阶的台阶面与支撑环的上端面之间，均通过沿周向间隔设置的销钉和螺栓进行连接。
同时，本发明还提供了一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，基于上述的加工工装，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)制备得到密度为2.0～2.2g/cm3的多个圆弧状待加工涡轮外环的毛坯体；
步骤2)将步骤1)所得待加工涡轮外环的毛坯体进行半精加工；
步骤2.1)以待加工涡轮外环流道的宽度的中分面为基准，加工所得待加工涡轮外环的毛坯体，按照待加工涡轮外环的轴向宽度，在所得待加工涡轮外环的毛坯体宽度方向上、下两端面各留1～2mm的余量；
步骤2.2)在待加工涡轮外环的毛坯体上机械加工待加工涡轮外环底板、第一卡槽、第二卡槽的内外型面，保证待加工涡轮外环底板内型面留0.3～0.4mm的余量，第二卡槽的两内侧面均留有0.2～0.4mm的余量；
步骤2.3)根据步骤2.2的预留余量，以待加工涡轮外环底板所在圆柱的轴心为中心加工底座和支撑环，将底座和支撑环固定连接；
步骤2.4)依次安装n个步骤2.2)所得待加工涡轮外环的毛坯体，n≥2，并将n个待加工涡轮外环的毛坯体进行整体固定；
步骤2.5)加工n个待加工涡轮外环的毛坯体的第一卡槽外壁、第二卡槽外壁，保证第一卡槽外壁和第二卡槽外壁的径向尺寸符合设计要求，并预留0.2～0.4mm的余量；以第一卡槽两侧面的圆弧中心为加工中心，保证第一卡槽的两内侧面均留有0.2～0.4mm的余量；将n个待加工涡轮外环的毛坯体依次拆下，得到半精加工的待加工涡轮外环的毛坯体；
步骤3)对待加工涡轮外环的毛坯体进行致密化，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环的毛坯体；
步骤4)待加工涡轮外环的毛坯体的精加工；
步骤4.1)按照与步骤2.4相同的操作方法，将n个待加工涡轮外环的毛坯体依次安装于固定连接好的底座和支撑环上，进行整体协调加工，保证第一卡槽外壁和第二卡槽外壁的径向尺寸公差为-0.2～-0.1mm，第一卡槽的宽度和深度公差分别为+0.1～+0.15mm和+0.1～+0.15mm；
步骤4.2)根据第一卡槽外壁和第二卡槽外壁的尺寸，加工压板；
步骤4.3)安装压板，使第一卡槽外壁的外壁面和第二卡槽外壁的外壁面与压板的内壁面贴合，将组装好的待加工涡轮外环的毛坯体及工装整体翻面，拆除底座；
步骤4.4)加工n个待加工涡轮外环的毛坯体的第二卡槽和涡轮外环底板，保证第二卡槽的宽度公差为+0.1～+0.15mm，第二卡槽的深度公差+0.1～+0.15mm，涡轮外环底板的的径向尺寸公差为+0.1～+0.2mm，加工完后，将n个待加工涡轮外环的毛坯体依次取下，得到精加工后的待加工涡轮外环的毛坯体；
步骤5)通过化学气相渗透工艺在待加工涡轮外环的毛坯体表面沉积SiC基体，在涡轮外环底板的外型面制备可磨耗涂层，即得到陶瓷基复合材料涡轮外环。
进一步地，步骤1)具体为：先利用模具通过二维铺层的方式制备待加工涡轮外环的纤维预制体，再通过化学气相渗透工艺进行碳化硅沉积得到密度为2.0～2.2g/cm3的待加工涡轮外环的毛坯体；重复相同操作，得到多个圆弧状待加工涡轮外环的毛坯体。
进一步地，步骤3)具体为：通过化学气相渗透工艺对n个待加工涡轮外环的毛坯体进行SiC、B4C基体交替沉积，交替沉积1～3轮次，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环的毛坯体。
本发明的有益效果是：
1、本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，通过对多个涡轮外环形成的整体组件进行整体协调的机械加工，有效的提高了涡轮外环尺寸精度，统一了基准，保持内外径的尺寸公差可控制在±0.05范围内，轴向宽度尺寸公差可控制在±0.03范围内，同时多个涡轮外环同时加工，有效的提高了加工效率。
2、本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，可将涡轮外环零件的基准，机械加工基准，同时都在安装基准上进行加工，从而保证基准的一致。
3、本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，保证零件加工过程纤维布层连续，保证涡轮外环零件性能满足要求。
4、本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，可将一组涡轮外环n个零件同时加工完成，大幅度的提高生产效率以及缩短制备周期。
5、本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装结合本发明加工方法，机械加工出的涡轮外环内外径及宽度的一致性高，任何位置的单一零件都可互换，应用过程中单件出现问题后，可直接换新件，无需将整机组件拆卸维修。
附图说明
图1是单个涡轮外环零件结构示意图一；
图2是单个涡轮外环零件结构示意图二；
图3是本发明加工工装实施例的爆炸结构示意图；
图4是本发明加工工装实施例中底座的二分之一结构示意图；
图5是本发明加工工装实施例中支撑环的二分之一结构示意图；
图6是本发明加工工装实施例中压板的二分之一结构示意图(上下方向与图1显示相反)；
图7是本发明加工工装实施例与涡轮外环零件的装配示意图；
图8是图7的B处放大示意图；
图9是图7的A-A剖视图。
附图标记：1-待加工涡轮外环，10-待加工涡轮外环流道，11-第一卡槽，12-第二卡槽，13-第一卡槽外壁，14-待加工涡轮外环底板，15-第二卡槽外壁；2-底座，20-第二卡槽凸台；3-支撑环，30-支撑环台阶；4-压板，40-内壁面，41-第一卡槽凸台，42-压板台阶；5-螺纹孔，6-销钉孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明实施例中待加工的涡轮外环的结构如图1和图2所示，但本发明加工工装针对的涡轮外环的结构不限于此，其他同类型的涡轮外环也适用。如图1和图2所示，待加工涡轮外环1包括待加工涡轮外环底板14和以待加工涡轮外环底板14为内壁面分别形成的第一卡槽11和第二卡槽12，且第二卡槽12比第一卡槽11的深度更大，第一卡槽11和第二卡槽12的外壁分别为第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15。
如图3-图9所示，本发明一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，包括底座2、位于底座2上端面的支撑环3和压板4，底座2、支撑环3和压板4均为环状结构。
底座2的中部沿周向设置有与待加工涡轮外环1的第二卡槽12相适配的第二卡槽凸台20，第二卡槽凸台20用于卡入第二卡槽12内。支撑环3的外侧面与待加工涡轮外环底板14的内侧面相适配，支撑环3的外侧面用于与待加工涡轮外环底板14的内侧面接触；支撑环3的轴向高度与待加工涡轮外环底板14的轴向高度一致；支撑环3的下端连接在底座2上端面。支撑环3的外侧面下部设置有支撑环台阶30，支撑环台阶30的深度小于支撑环3高度的三分之一。
压板4包括环形外侧壁和固连在环形外侧壁上部并向内延伸的环形顶板，环形顶板的下侧沿径向由内至外依次设置有压板台阶42，以及与待加工涡轮外环1的第一卡槽11相适配的第一卡槽凸台41；压板台阶42的台阶面用于与待加工涡轮外环底板14的上端面和支撑环3的上端面接触，且压板台阶42的台阶面与支撑环3的上端面连接；第一卡槽凸台41用于卡入第一卡槽11内；压板4的内壁面40与待加工涡轮外环1的第一卡槽外壁13的外型面和第二卡槽外壁15的外型面相适配，压板4的内壁面40用于与第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的外型面相接触，压板4的环形外侧壁下端面与底座2连接。
底座2与支撑环3的下端面之间、底座2与压板4的环形外侧壁下端面之间、压板台阶42的台阶面与支撑环3的上端面之间，均通过沿周向间隔设置的销钉和螺栓进行连接。
同时，本发明还提供了利用上述加工工装对涡轮外环加工的加工方法，下面通过实施例进行详细说明。
实施例1
步骤1)制备得到密度为2.0～2.2g/cm3的多个圆弧状待加工涡轮外环1的毛坯体；
先利用模具通过二维铺层的方式制备待加工涡轮外环1的纤维预制体，再通过化学气相渗透工艺进行碳化硅沉积得到所需密度的待加工涡轮外环1的毛坯体。
具体为：
步骤1.1)纤维预制体的制备：根据待加工涡轮外环1的结构及型状尺寸，通过模具进行二维铺层制备得到纤维预制体，保证在待加工涡轮外环1径向方向上各预留0.6mm的加工余量，待加工涡轮外环1轴向和周向上各留12mm的余量。
步骤1.2)使用碳纤维1K丝束根据模具上Ф2的“梅花状”或“五饼状”的孔位进行缝制，每针间距5mm进行密缝，提高层间的结合强度。
步骤1.3)利用化学气相渗透工艺的方式进行碳化硅沉积，沉积至得到密度2.2g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体。
步骤2)将步骤1)所得待加工涡轮外环1的毛坯体进行半精加工；
步骤2.1)以待加工涡轮外环流道10的宽度的中分面为基准，加工所得待加工涡轮外环1的毛坯体，按照待加工涡轮外环1的轴向宽度，在所得待加工涡轮外环1的毛坯体宽度方向上、下两端面各留2mm的余量；
步骤2.2)在待加工涡轮外环1的毛坯体上机械加工待加工涡轮外环底板14、第一卡槽11、第二卡槽12的内外型面，保证待加工涡轮外环底板14内型面留0.3mm的余量，须保证铺层布的纤维连续，第二卡槽12的两内侧面均留有0.2mm的余量；
步骤2.3)根据步骤2.2的预留余量，以待加工涡轮外环底板14所在圆柱的轴心为中心加工底座2和支撑环3，将底座2和支撑环3通过螺栓和销钉分别穿入对应的沿周向间隔设置的螺纹孔5和销钉孔6固定连接；
步骤2.4)将待加工涡轮外环底板14的内侧面与支撑环3的外侧面相接触，待加工涡轮外环1的毛坯体的第二卡槽12与第二卡槽凸台20进行安装到位，依次安装36个步骤2.2)所得待加工涡轮外环1的毛坯体，并将36个待加工涡轮外环1的毛坯体进行整体固定；其中，待加工涡轮外环1的毛坯体的数量不限于36个，可以为多个，数量过大也可根据数量对加工工装的尺寸进行设计。
步骤2.5)以支撑环3的圆心为基准，加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽外壁13、第二卡槽外壁15和第一卡槽11，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸符合设计要求，并预留0.2mm的余量；以第一卡槽11两侧面的圆弧中心为加工中心，保证第一卡槽11的两内侧面均留有0.2mm的余量，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次拆下，得到半精加工的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤3)对待加工涡轮外环1的毛坯体进行致密化，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体；
具体为，通过化学气相渗透工艺对36个待加工涡轮外环1的毛坯体进行SiC、B4C基体交替沉积，交替沉积1～3轮次，得到密度为2.5g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体，此类基体可显著提升陶瓷基复合材料热力氧化寿命。
步骤4)待加工涡轮外环1的毛坯体的精加工；
步骤4.1)按照与步骤2.4相同的操作方法，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次安装于固定连接好的底座2和支撑环3上，形成涡轮外环组件，进行整体协调加工，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸公差为-0.1mm，第一卡槽11的宽度和深度公差均为+0.1mm；
步骤4.2)根据第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的尺寸，加工压板4；
步骤4.3)利用压板4的与支撑环3连接的销钉孔6进行定位，通过螺栓连接压板4与支撑环的螺纹孔5将压板4进行安装，并使压板4的第一卡槽凸台卡入待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽11内，使第一卡槽外壁13的外壁面和第二卡槽外壁15的外壁面与压板4的内壁面40贴合，将组装好的待加工涡轮外环1的毛坯体及工装整体翻面，拆除底座2；
步骤4.4)加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第二卡槽12和涡轮外环底板14，保证第二卡槽12的宽度公差为+0.1mm，第二卡槽12的深度公差+0.1mm，涡轮外环底板14的的径向尺寸公差为+0.1mm，加工完后，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次取下，得到精加工后的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤5)通过化学气相渗透工艺在待加工涡轮外环1的毛坯体表面沉积SiC基体，在涡轮外环底板14的内弧面制备可磨耗涂层，即得到陶瓷基复合材料涡轮外环。
实施例2
步骤1)制备得到密度为2.0～2.2g/cm3的多个圆弧状待加工涡轮外环1的毛坯体；
先利用模具通过二维铺层的方式制备待加工涡轮外环1的纤维预制体，再通过化学气相渗透工艺进行碳化硅沉积得到所需密度的待加工涡轮外环1的毛坯体。
具体为：
步骤1.1)纤维预制体的制备：根据待加工涡轮外环1的结构及型状尺寸，通过模具进行二维铺层制备得到纤维预制体，保证在待加工涡轮外环1径向方向上各预留0.8mm的加工余量，待加工涡轮外环1轴向和周向上各留15mm的余量。
步骤1.2)使用碳纤维2K丝束根据模具上Ф3的“梅花状”或“五饼状”的孔位进行缝制，每针间距7mm进行密缝，提高层间的结合强度。
步骤1.3)利用化学气相渗透工艺的方式进行碳化硅沉积，沉积至得到密度2.1g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体。
步骤2)将步骤1)所得待加工涡轮外环1的毛坯体进行半精加工；
步骤2.1)以待加工涡轮外环流道10的宽度的中分面为基准，加工所得待加工涡轮外环1的毛坯体，按照待加工涡轮外环1的轴向宽度，在所得待加工涡轮外环1的毛坯体宽度方向上、下两端面各留1.5mm的余量；
步骤2.2)在待加工涡轮外环1的毛坯体上机械加工待加工涡轮外环底板14、第一卡槽11、第二卡槽12的内外型面，保证待加工涡轮外环底板14内型面留0.36mm的余量，须保证铺层布的纤维连续，第二卡槽12的两内侧面均留有0.3mm的余量；
步骤2.3)根据步骤2.2的预留余量，以待加工涡轮外环底板14所在圆柱的轴心为中心加工底座2和支撑环3，将底座2和支撑环3通过螺栓和销钉分别穿入对应的沿周向间隔设置的螺纹孔5和销钉孔6固定连接；
步骤2.4)将待加工涡轮外环底板14的内侧面与支撑环3的外侧面相接触，待加工涡轮外环1的第二卡槽12与第二卡槽凸台20进行安装到位，依次安装36个步骤2.2)所得待加工涡轮外环1的毛坯体，并将36个待加工涡轮外环1的毛坯体进行整体固定；
步骤2.5)以支撑环3的圆心为基准，加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽外壁13、第一卡槽11和第二卡槽外壁15，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸符合设计要求，并预留0.3mm的余量，以第一卡槽11两侧面的圆弧中心为加工中心，保证第一卡槽11的两内侧面均留有0.3mm的余量，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次拆下，得到半精加工的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤3)对待加工涡轮外环1的毛坯体进行致密化，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体；
具体为，通过化学气相渗透工艺对36个待加工涡轮外环1的毛坯体进行SiC、B4C基体交替沉积，交替沉积1～3轮次，得到密度为2.6g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体，此类基体可显著提升陶瓷基复合材料热力氧化寿命。
步骤4)待加工涡轮外环1的毛坯体的精加工；
步骤4.1)按照与步骤2.4相同的操作方法，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次安装于固定连接好的底座2和支撑环3上，形成涡轮外环组件，进行整体协调加工，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸公差为-0.1mm，第一卡槽11的宽度和深度公差分别为+0.1mm；
步骤4.2)根据第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的尺寸，加工压板4；
步骤4.3)利用压板4的与支撑环3连接的销钉孔6进行定位，通过螺栓连接压板4与支撑环的螺纹孔5、将压板4进行安装，并使压板4的第一卡槽凸台卡入待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽11内，使第一卡槽外壁13的外壁面和第二卡槽外壁15的外壁面与压板4的内壁面40贴合，将组装好的待加工涡轮外环1的毛坯体及工装整体翻面，拆除底座2；
步骤4.4)加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第二卡槽12和涡轮外环底板14，保证第二卡槽12的宽度公差为+0.1mm，第二卡槽12的深度公差+0.15mm，涡轮外环底板14的的径向尺寸公差为+0.1，加工完后，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次取下，得到精加工后的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤5)通过化学气相渗透工艺在待加工涡轮外环1的毛坯体表面沉积SiC基体，在涡轮外环底板14的内弧面制备可磨耗涂层，即得到陶瓷基复合材料涡轮外环。
实施例3
步骤1)制备得到密度为2.0～2.2g/cm3的多个圆弧状待加工涡轮外环1的毛坯体；
先利用模具通过二维铺层的方式制备待加工涡轮外环1的纤维预制体，再通过化学气相渗透工艺进行碳化硅沉积得到所需密度的待加工涡轮外环1的毛坯体。
具体为：
步骤1.1)纤维预制体的制备：根据待加工涡轮外环1的结构及型状尺寸，通过模具进行二维铺层制备得到纤维预制体，保证在待加工涡轮外环1径向方向上各预留0.5mm的加工余量，待加工涡轮外环1轴向和周向上各留10mm的余量。
步骤1.2)使用碳纤维3K丝束根据模具上Ф4的“梅花状”或“五饼状”的孔位进行缝制，每针间距4mm进行密缝，提高层间的结合强度。
步骤1.3)利用化学气相渗透工艺的方式进行碳化硅沉积，沉积至得到密度2.0g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体。
步骤2)将步骤1)所得待加工涡轮外环1的毛坯体进行半精加工；
步骤2.1)以待加工涡轮外环流道10的宽度的中分面为基准，加工所得待加工涡轮外环1的毛坯体，按照待加工涡轮外环1的轴向宽度，在所得待加工涡轮外环1的毛坯体宽度方向上、下两端面各留1mm的余量；
步骤2.2)在待加工涡轮外环1的毛坯体上机械加工待加工涡轮外环底板14、第一卡槽11、第二卡槽12的内外型面，保证待加工涡轮外环底板14内型面留0.4mm的余量，须保证铺层布的纤维连续，第二卡槽12的两内侧面均留有0.4mm的余量；
步骤2.3)根据步骤2.2的预留余量，以待加工涡轮外环底板14所在圆柱的轴心为中心加工底座2和支撑环3，将底座2和支撑环3通过螺栓和销钉分别穿入对应的沿周向间隔设置的螺纹孔5和销钉孔6固定连接；
步骤2.4)将单个待加工涡轮外环底板14的内侧面与支撑环3的外侧面相接触，待加工涡轮外环1的毛坯体的第二卡槽12与第二卡槽凸台20进行安装到位，依次安装36个步骤2.2)所得待加工涡轮外环1的毛坯体，并将待加工涡轮外环1的毛坯体进行整体固定；
步骤2.5)以支撑环3的圆心为基准，加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽外壁13、第一卡槽11和第二卡槽外壁15，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸符合设计要求，并预留0.4mm的余量，以第一卡槽11两侧面的圆弧中心为加工中心，保证第一卡槽11的两内侧面均留有0.4mm的余量，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次拆下，得到半精加工的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤3)对待加工涡轮外环1的毛坯体进行致密化，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体；
具体为，通过化学气相渗透工艺对36个半精加工的待加工涡轮外环1的毛坯体进行SiC、B4C基体交替沉积，交替沉积1～3轮次，得到密度为2.7g/cm3的待加工涡轮外环1的毛坯体，此类基体可显著提升陶瓷基复合材料热力氧化寿命。
步骤4)待加工涡轮外环1的毛坯体的精加工；
步骤4.1)按照与步骤2.4相同的操作方法，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次安装于固定连接好的底座2和支撑环3上，形成涡轮外环组件，进行整体协调加工，保证第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的径向尺寸公差为-0.2mm，第一卡槽11的宽度和深度公差均为+0.15mm；
步骤4.2)根据第一卡槽外壁13和第二卡槽外壁15的尺寸，加工压板4；
步骤4.3)利用压板4的与支撑环3连接的销钉孔6进行定位，通过螺栓连接压板4与支撑环的螺纹孔5将压板4进行安装，并使压板4的第一卡槽凸台卡入待加工涡轮外环1的毛坯体的第一卡槽11内，使第一卡槽外壁13的外壁面和第二卡槽外壁15的外壁面与压板4的内壁面40贴合，将组装好的待加工涡轮外环1的毛坯体及工装整体翻面，拆除底座2；
步骤4.4)加工36个待加工涡轮外环1的毛坯体的第二卡槽12和涡轮外环底板14，保证第二卡槽12的宽度公差为+0.15mm，第二卡槽12的深度公差+0.15mm，涡轮外环底板14的的径向尺寸公差为+0.2mm，加工完后，将36个待加工涡轮外环1的毛坯体依次取下，得到精加工后的待加工涡轮外环1的毛坯体；
步骤5)通过化学气相渗透工艺在待加工涡轮外环1的毛坯体表面沉积SiC基体，在涡轮外环底板14的内弧面制备可磨耗涂层，即得到陶瓷基复合材料涡轮外环。
本发明提出了一种SiCf/SiC陶瓷基复合材料航空发动机涡轮外环零件的加工方法，特别涉及到了通过组件整体协调加工涡轮外环组件。采用本技术可显著提高涡轮外环构件尺寸精度、加工效率及一致性，解决了现有涡轮外环构件制备周期和安装基准的统一性等的问题，大大降低构件工作环境时噪音和维修效率。
Claims (6)
1.一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，其特征在于：包括底座(2)、位于底座(2)上端面的支撑环(3)和压板(4)；
所述底座(2)的中部沿周向设置有与待加工涡轮外环(1)的第二卡槽(12)相适配的第二卡槽凸台(20)，第二卡槽凸台(20)用于卡入第二卡槽(12)内；
所述支撑环(3)的外侧面与待加工涡轮外环底板(14)的内侧面相适配，支撑环(3)的外侧面用于与待加工涡轮外环底板(14)的内侧面接触；所述支撑环(3)的轴向高度与待加工涡轮外环底板(14)的轴向高度一致；所述支撑环(3)的下端连接在底座(2)上端面；
所述压板(4)包括环形外侧壁和固连在环形外侧壁上部并向内延伸的环形顶板，环形顶板的下侧沿径向由内至外依次设置有压板台阶(42)，以及与待加工涡轮外环(1)的第一卡槽(11)相适配的第一卡槽凸台(41)；所述压板台阶(42)的台阶面用于与待加工涡轮外环底板(14)的上端面和支撑环(3)的上端面接触，且压板台阶(42)的台阶面与支撑环(3)的上端面连接；所述第一卡槽凸台(41)用于卡入第一卡槽(11)内；所述压板(4)的内壁面(40)与待加工涡轮外环(1)的第一卡槽外壁(13)的外型面和第二卡槽外壁(15)的外型面相适配，压板(4)的内壁面(40)用于与第一卡槽外壁(13)和第二卡槽外壁(15)的外型面相接触；所述压板(4)的环形外侧壁下端面与底座(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，其特征在于：所述支撑环(3)的外侧面下部设置有支撑环台阶(30)，支撑环台阶(30)的深度小于支撑环(3)高度的三分之一。
3.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工工装，其特征在于：所述底座(2)与支撑环(3)的下端面之间、底座(2)与压板(4)的环形外侧壁下端面之间、压板台阶(42)的台阶面与支撑环(3)的上端面之间，均通过沿周向间隔设置的销钉和螺栓进行连接。
4.一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，基于权利要求1-3所述的加工工装，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)制备得到密度为2.0～2.2g/cm3的多个圆弧状待加工涡轮外环(1)的毛坯体；
步骤2)将步骤1)所得待加工涡轮外环(1)的毛坯体进行半精加工；
步骤2.1)以待加工涡轮外环流道(10)的宽度的中分面为基准，加工所得待加工涡轮外环(1)的毛坯体，按照待加工涡轮外环(1)的轴向宽度，在所得待加工涡轮外环(1)的毛坯体宽度方向上、下两端面各留1～2mm的余量；
步骤2.2)在待加工涡轮外环(1)的毛坯体上机械加工待加工涡轮外环底板(14)、第一卡槽(11)、第二卡槽(12)的内外型面，保证待加工涡轮外环底板(14)内型面留0.3～0.4mm的余量，第二卡槽(12)的两内侧面均留有0.2～0.4mm的余量；
步骤2.3)根据步骤2.2的预留余量，以待加工涡轮外环底板(14)所在圆柱的轴心为中心加工底座(2)和支撑环(3)，将底座(2)和支撑环(3)固定连接；
步骤2.4)依次安装n个步骤2.2)所得待加工涡轮外环(1)的毛坯体，n≥2，并将n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体进行整体固定；
步骤2.5)加工n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体的第一卡槽外壁(13)、第二卡槽外壁(15)，保证第一卡槽外壁(13)和第二卡槽外壁(15)的径向尺寸符合设计要求，并预留0.2～0.4mm的余量；以第一卡槽(11)两侧面的圆弧中心为加工中心，保证第一卡槽(11)的两内侧面均留有0.2～0.4mm的余量；将n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体依次拆下，得到半精加工的待加工涡轮外环(1)的毛坯体；
步骤3)对待加工涡轮外环(1)的毛坯体进行致密化，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环(1)的毛坯体；
步骤4)待加工涡轮外环(1)的毛坯体的精加工；
步骤4.1)按照与步骤2.4相同的操作方法，将n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体依次安装于固定连接好的底座(2)和支撑环(3)上，进行整体协调加工，保证第一卡槽外壁(13)和第二卡槽外壁(15)的径向尺寸公差为-0.2～-0.1mm，第一卡槽(11)的宽度和深度公差分别为+0.1～+0.15mm和+0.1～+0.15mm；
步骤4.2)根据第一卡槽外壁(13)和第二卡槽外壁(15)的尺寸，加工压板(4)；
步骤4.3)安装压板(4)，使第一卡槽外壁(13)的外壁面和第二卡槽外壁(15)的外壁面与压板(4)的内壁面(40)贴合，将组装好的待加工涡轮外环(1)的毛坯体及工装整体翻面，拆除底座(2)；
步骤4.4)加工n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体的第二卡槽(12)和涡轮外环底板(14)，保证第二卡槽(12)的宽度公差为+0.1～+0.15mm，第二卡槽(12)的深度公差+0.1～+0.15mm，涡轮外环底板(14)的的径向尺寸公差为+0.1～+0.2mm，加工完后，将n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体依次取下，得到精加工后的待加工涡轮外环(1)的毛坯体；
步骤5)通过化学气相渗透工艺在待加工涡轮外环(1)的毛坯体表面沉积SiC基体，在涡轮外环底板(14)的外型面制备可磨耗涂层，即得到陶瓷基复合材料涡轮外环。
5.根据权利要求4所述的一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，其特征在于，步骤1)具体为：先利用模具通过二维铺层的方式制备待加工涡轮外环(1)的纤维预制体，再通过化学气相渗透工艺进行碳化硅沉积得到密度为2.0～2.2g/cm3的待加工涡轮外环(1)的毛坯体；重复相同操作，得到多个圆弧状待加工涡轮外环(1的毛坯体。
6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基复合材料涡轮外环加工方法，其特征在于，步骤3)具体为：通过化学气相渗透工艺对n个待加工涡轮外环(1)的毛坯体进行SiC、B4C基体交替沉积，交替沉积1～3轮次，得到密度为2.5～2.7g/cm3的待加工涡轮外环(1)的毛坯体。
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