[發明專利]渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法和夾具

無效

• 申請號: 200810232442.3
• 申請日: 2008-11-27
• 公開（公告）號: CN101417396A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發明（設計）人: 梅雪松;姜歌東;陶濤;王恪典;王文君;楊帆;劉志會;王煜
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q3/06
• 分類號: B23Q3/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司
• 代理人: 朱海臨

技術領域

本發明屬于渦輪葉片加工定位方法和專用夾具設計，具體涉及一種燃氣輪機渦輪空心動葉片榫頭加工的定位、夾緊方法及夾具。

背景技術

燃氣輪機是一種將氣體或液體燃料(如天然氣、燃油)燃燒產生的熱能轉化為機械功的旋轉式葉輪動力機械裝置，廣泛應用于能源、航空、交通、國防等領域，是適應我國能源結構調整和航空工業發展的關鍵重大裝備。高溫渦輪葉片處于燃氣輪機中溫度最高(1400℃以上)、應力最復雜、環境最惡劣的部位，其價值占產品整機的近50％，是燃氣輪機中的關鍵部件。采用冷卻葉片結構是提高燃氣輪機效率的最有效措施，目前渦輪高溫級動葉片多采用葉身內部有異型孔冷卻通道、葉身表面上尤其是在進氣邊開有密布小孔的冷卻結構形式。由于葉身曲面比較復雜而且整體中空，如何保證葉片機械加工中的準確定位和合理夾緊也就成為確保葉片在高溫、高速旋轉等惡劣環境下使用壽命的關鍵。

目前，在葉片榫頭的加工中，發動機生產廠家大都沿襲一種加工生產方式：即采用低溫合金包容箱型夾具對復雜曲面的葉片進行加工。該工藝根據經驗選定葉片上的定位點，采用箱型夾具定位葉片后，將低熔點合金灌入箱體與葉片之間的空隙，形成一個整體，利用箱體規則的外形進行夾緊和加工，這樣就在避免了葉身受力同時達到精確加工的目的。利用低溫合金包容箱型法進行葉片榫頭加工有很多優點，例如定位準確、加工過程對加工力無特殊要求、夾持穩定。但是，其缺點也是顯而易見，由于使用的低熔點合金對人體具有毒性，長期下來對操作工人的健康損害很大。同時，低溫合金包容箱型夾具加工效率比較低、生產周期比較長、成本非常高，制約了葉片大規模加工生產。

發明內容

為了克服現有低溫合金包容箱型法所存在的不足，本發明提出了一種新的渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法和夾具。這種方法基于微分幾何的夾具精度理論、定位的形封閉理論，選取榫頭加工時葉片定位精度最高五個定位點，將輔助夾緊點選擇在榫頭頂端和葉片安裝板側面，使得榫頭加工時葉片定位精度和受力變形同時得到控制，并在此基礎上設計了渦輪空心葉片榫頭加工專用夾具。

為達到以上目的，本發明是采取如下技術方案予以實現的：

一種渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法，包括葉片型面定位點的選擇和根據所選定位點進行葉片型面定位夾緊及葉片榫頭頂端和葉片安裝板的輔助夾緊；其中，葉片型面定位點的選擇，首先在葉片安裝板葉片上面一側選擇一個第五定位點作為基準點，然后利用給定的葉片型面設計數據，建立葉片定位點的精度約束數學模型；得到選取定位點的點集空間，然后確定基于位置精度最好的定位點選擇優化準則；再根據定位點的形封閉要求確定優化約束條件；最后優化選取并確定葉片型面的五個定位點：上面的第一至第四定位點和下面的第六定位點；根據所確定的第一到第六定位點來相應安排夾具主體上的第一到第六定位銷，使得六個定位銷圓頭分別位于葉片第一到第六定位點的法線方向，確保葉片放入并與定位銷相接觸后，定位銷垂直于葉片定位點切平面；夾具主體上設置定位銷位于遠離葉片榫頭的葉片頂端，并在葉片榫頭端面采用與夾具主體分離的榫頭端面輔助夾具將葉片左右夾緊；在葉片安裝板上下兩側采用與夾具主體連為一體的安裝板輔助夾具實現葉片上下方向夾緊。

上述方法中，所述葉片型面定位點的選擇采用如下具體步驟：

第一步，根據工件位置誤差與定位點誤差關系，即定位點與工件接觸點的法向量為n_i，接觸點坐標為R_i，則由工件任意點的位置擾動δq＝{δb，δθ}帶來的定位點的位置誤差為其中為定位點位置向量；因此，具有l個定位點的夾具的精度約束，即定位點的位置誤差可以表述為：δy＝G^Tδq，其中：δy＝{δy₁，δy₂，...，δy_l}，G＝[h₁，h₂，...，h_l]為定位點位置矩陣，每一個定位點位置矩陣G對應一個給定的夾具定位點分布；

第二步，葉片模型中提供了葉片表面特征點的位置坐標，利用雙三次B樣條對特征點的位置坐標進行擬合，得到B樣條表述的葉片型面控制節點；根據得到的B樣條曲面控制節點，計算葉片表面特征點的法向量，從而得到選取定位點的點集空間g_i＝[R_i?n_i](1≤i≤N)；