[发明专利]涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法和夹具

说明书

技术领域

本发明属于涡轮叶片加工定位方法和专用夹具设计，具体涉及一种燃气轮机涡轮空心动叶片榫头加工的定位、夹紧方法及夹具。

背景技术

燃气轮机是一种将气体或液体燃料(如天然气、燃油)燃烧产生的热能转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交通、国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机中温度最高(1400℃以上)、应力最复杂、环境最恶劣的部位，其价值占产品整机的近50％，是燃气轮机中的关键部件。采用冷却叶片结构是提高燃气轮机效率的最有效措施，目前涡轮高温级动叶片多采用叶身内部有异型孔冷却通道、叶身表面上尤其是在进气边开有密布小孔的冷却结构形式。由于叶身曲面比较复杂而且整体中空，如何保证叶片机械加工中的准确定位和合理夹紧也就成为确保叶片在高温、高速旋转等恶劣环境下使用寿命的关键。

目前，在叶片榫头的加工中，发动机生产厂家大都沿袭一种加工生产方式：即采用低温合金包容箱型夹具对复杂曲面的叶片进行加工。该工艺根据经验选定叶片上的定位点，采用箱型夹具定位叶片后，将低熔点合金灌入箱体与叶片之间的空隙，形成一个整体，利用箱体规则的外形进行夹紧和加工，这样就在避免了叶身受力同时达到精确加工的目的。利用低温合金包容箱型法进行叶片榫头加工有很多优点，例如定位准确、加工过程对加工力无特殊要求、夹持稳定。但是，其缺点也是显而易见，由于使用的低熔点合金对人体具有毒性，长期下来对操作工人的健康损害很大。同时，低温合金包容箱型夹具加工效率比较低、生产周期比较长、成本非常高，制约了叶片大规模加工生产。

发明内容

为了克服现有低温合金包容箱型法所存在的不足，本发明提出了一种新的涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法和夹具。这种方法基于微分几何的夹具精度理论、定位的形封闭理论，选取榫头加工时叶片定位精度最高五个定位点，将辅助夹紧点选择在榫头顶端和叶片安装板侧面，使得榫头加工时叶片定位精度和受力变形同时得到控制，并在此基础上设计了涡轮空心叶片榫头加工专用夹具。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法，包括叶片型面定位点的选择和根据所选定位点进行叶片型面定位夹紧及叶片榫头顶端和叶片安装板的辅助夹紧；其中，叶片型面定位点的选择，首先在叶片安装板叶片上面一侧选择一个第五定位点作为基准点，然后利用给定的叶片型面设计数据，建立叶片定位点的精度约束数学模型；得到选取定位点的点集空间，然后确定基于位置精度最好的定位点选择优化准则；再根据定位点的形封闭要求确定优化约束条件；最后优化选取并确定叶片型面的五个定位点：上面的第一至第四定位点和下面的第六定位点；根据所确定的第一到第六定位点来相应安排夹具主体上的第一到第六定位销，使得六个定位销圆头分别位于叶片第一到第六定位点的法线方向，确保叶片放入并与定位销相接触后，定位销垂直于叶片定位点切平面；夹具主体上设置定位销位于远离叶片榫头的叶片顶端，并在叶片榫头端面采用与夹具主体分离的榫头端面辅助夹具将叶片左右夹紧；在叶片安装板上下两侧采用与夹具主体连为一体的安装板辅助夹具实现叶片上下方向夹紧。

上述方法中，所述叶片型面定位点的选择采用如下具体步骤：

第一步，根据工件位置误差与定位点误差关系，即定位点与工件接触点的法向量为n_i，接触点坐标为R_i，则由工件任意点的位置扰动δq＝{δb，δθ}带来的定位点的位置误差为其中为定位点位置向量；因此，具有l个定位点的夹具的精度约束，即定位点的位置误差可以表述为：δy＝G^Tδq，其中：δy＝{δy₁，δy₂，...，δy_l}，G＝[h₁，h₂，...，h_l]为定位点位置矩阵，每一个定位点位置矩阵G对应一个给定的夹具定位点分布；

第二步，叶片模型中提供了叶片表面特征点的位置坐标，利用双三次B样条对特征点的位置坐标进行拟合，得到B样条表述的叶片型面控制节点；根据得到的B样条曲面控制节点，计算叶片表面特征点的法向量，从而得到选取定位点的点集空间g_i＝[R_i n_i](1≤i≤N)；