渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法和夾具技術

本發明專利技術公開了一種渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法和夾具，在定位點的選擇中，采用基于微分幾何的夾具精度理論、定位點的形封閉準則，借助葉片型面三維模型在葉片上選取最優的五個定位點，使得在利用包括基準點在內的六個點定位時，葉片定位精度最高；在夾緊點的選擇中，避開薄弱環節，將輔助夾緊點選擇在剛度較好、面積較大的榫頭頂端和葉片安裝板上，盡量減小空心葉片葉身的受力和變形。在此基礎上，設計了包括夾具主體、定位銷、榫頭頂端輔助夾具、葉片安裝板輔助夾具構成的葉片榫頭加工專用夾具。該夾具能夠保證渦輪空心葉片榫頭加工中的準確定位和有效夾緊，在復雜曲面空心葉片加工過程中可提高效率、降低成本和消除對人的健康危害。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術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。
技術介紹
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(140(TC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。
技術實現思路
為了克服現有低溫合金包容箱型法所存在的不足，本專利技術提出了一種新 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，本專利技術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",，接觸點坐標為《，則由工件任意點的位置擾動^ = {尿朋}帶來的定位點的位置誤差為多'=^*，其中;^-k(《x"^為定位點位置向量；因此，具有/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* = 其中^ = {^，^2，...，^}， 0 = 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gH^巧](B/《AO;第三步假設每個定位點的誤差服從正態分布^"W(G，、)，其中 V,diag隊《…W，定位點的位置方差矩陣為V:Var (A)-(GVy"GT)-1，令貝lj使工件的位置精度最好的條件為max(de");由于各定位元件的材 料特性相同，因此不同定位點的永服從相同的分布&aA^0,K)，則有v = (gv;'gV = (gW)-1 ，」=r-' = = ，因此工件位置精度最好的優化準則為max(det"-max(det(GGO);第四步對于給定的夾具定位點位置矩陣G-，當工件上作用 任意外力時，夾具定位點位置不改變，而且在每一個定位點上作用有法向正力，則這種狀態下的定位點位置矩陣G-[V^…,W就滿足形封閉。則在定位點位置矩陣G中任意選一個位置向量^，沿其法向施加任意外力，對于所有 hj，"'--l^A-ih。應滿足a'》0;第五步在葉片型面特征點的點集空間gK《W (BKiV)中，以 max(detJ)為優化準則，在約束條件"'> G下優化選取具有最高精度的五個定 位點，具體步驟如下a. 初始化，計算已經確定的葉片安裝板上定位點的位置向量h。，并計算 點集經=(1"、W)中所有N個點的方向向量，對定位點位置矩陣G。 初始化；得到G。-0。/^ ...~}，其中h。為已經確定的定位點，計算對應的A。和 A。、則在定位點位置矩陣G。中任意選一個位置向量^，沿其法向施加任意 外力，對于給定的h, (BKiV)，計算",-hiTA。"h。，并令* = ^;b. 如果存在不滿足形封閉的定位點，則在這些點中刪除使得 p廠h/Am"hj (w-iV-;O最小的點j;如果所有的定位點都滿足形封閉條件，則直接刪除使P,hjTA:'hj(W = AT-*)最小的定位點j，并令""l;C.將點集重新排序，新點集變為&=(B^A)，更新Gra y/2。/j,…;u、 Am、 Am"和"i =-hjT Ajhe (w-w-;n，再重復步驟b，如此反復，直到* = 5。一種實現前述方法的夾具，包括夾具主體，其特征在于，夾具主體上連接有實現葉片上下方向夾緊的安裝板輔助夾具；夾具主體上設置有相應葉片第一到第六定位點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；夾具主體上還設置有夾緊銷，該夾緊銷和一個與 夾具主體分離的榫頭端面輔助夾一起將葉片左右夾緊。上述夾具方案中，所述葉片的榫頭端面輔助夾具和安裝板輔助夾具均設 有可調節及自適應接觸設計的輔助夾件，該輔助夾件包括頭部和桿部，頭部 的上平面與工件接觸，內部平面與桿部頂端的球面相接觸。所述桿部設有螺 紋，可與葉片的榫頭端面及安裝板附助夾具配合實現位置調整。本專利技術的優點是提出基于微分幾何的夾具精度理論、定位點的形封閉 約束條件，借助葉片型面三維模型在葉片上選取最優的五個定位點，使得利 用包括基準點在內的六個定位點定位時，葉片的定位精度最高；在夾緊點的 選擇中，盡量避開薄弱環節，將輔助夾緊點選擇在榫頭頂端和葉片型面與榫 頭過渡部的葉本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種渦輪空心葉片榫頭加工定位夾緊方法，其特征在于，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；夾具主體上設置夾緊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。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：87[中國|西安]