疊加投影裝配技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

王娜　杜立峰　郭作燃　孫逍遙　王歡

摘 要：航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是多樣的，結(jié)構(gòu)特性則決定裝配工藝路線，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裝配依靠人工、采用簡單的高低點抵消的方式裝配，時常出現(xiàn)不能滿足技術(shù)要求的現(xiàn)象，調(diào)整工作量大，裝配精度、效率低，可控性較差。國外某先進(jìn)發(fā)動機(jī)裝配專用臺架采用氣動定心結(jié)構(gòu)，并配帶疊加投影裝配軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有定位精度、檢測精度、裝配質(zhì)量和效率高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子；疊加投影；裝配

中圖分類號：V231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子作為發(fā)動機(jī)的動力系統(tǒng)，直接影響航空發(fā)動機(jī)的性能，如推力、振動等。航空發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高壓，它的轉(zhuǎn)子由多個堆疊在一起的部件組成，所以每個部件的回轉(zhuǎn)軸理論上應(yīng)該與整個發(fā)動機(jī)的軸線重合。大型發(fā)動機(jī)高速的旋轉(zhuǎn)速度大于10000rpm，任何軸向和徑向跳動引起的不平衡都會對發(fā)動機(jī)造成重大影響，因而保證各部件堆疊后的同心度是安裝的難點。

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，目前轉(zhuǎn)子均采用分段制造，然后通過止口與孔由螺栓裝配組合成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子要求有精確的尺寸精度和形位公差，以減小整個轉(zhuǎn)子裝配后各主要支點之間的形位公差，從而降低轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)時發(fā)動機(jī)的振動。發(fā)動機(jī)振動多由繞軸線的不平衡質(zhì)量和轉(zhuǎn)子偏心引起，如何控制轉(zhuǎn)子零件裝配精度，進(jìn)而提升轉(zhuǎn)子整體精度成為研究重點。

航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子一般劃分為四大轉(zhuǎn)子，即低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高壓渦輪轉(zhuǎn)子和低壓渦輪轉(zhuǎn)子。自三代航空發(fā)動機(jī)開始，在結(jié)構(gòu)上，高壓壓氣機(jī)、高壓渦輪轉(zhuǎn)子采用一體式設(shè)計，即高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子間通過螺栓連接成一整體，通常稱之為核心機(jī)轉(zhuǎn)子。低壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一般不超過四級，主要由盤、鼓筒、前軸頸、后軸頸組成，高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子由多級盤、鼓筒、前軸頸、篦齒盤、鼓筒軸及連接件組成。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子零件間采用螺栓連接結(jié)構(gòu)。高壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由渦輪盤和后軸頸等組成，渦輪盤前帶有短軸和安裝邊，通過螺栓與高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)接成一體。低壓渦輪轉(zhuǎn)子主要由低壓渦輪盤和低壓渦輪軸組成。

為保證轉(zhuǎn)子在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的定心和剛性，各零件的止口配合關(guān)系依據(jù)強(qiáng)度計算結(jié)果進(jìn)行選取，連接螺栓與安裝孔采用小間隙配合。

每個轉(zhuǎn)子分段不可避免地存在兩端止口的同心度和孔平面的平面度的制造誤差，從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在軸承處產(chǎn)生的累積誤差可能超過規(guī)定值。而減小偏心的途徑有兩種：

（1）減小各個轉(zhuǎn)子段的制造誤差。

（2）合理裝配轉(zhuǎn)子段，使得累積誤差最小化。

隨著航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子件制造精度要求大幅提高，制造難度加大，通過減小制造精度來提升轉(zhuǎn)子精度的難度相當(dāng)大，成本也將大幅增加。因此，提升轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量，控制轉(zhuǎn)子整體公差，必然成為提升發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的解決方法是按照轉(zhuǎn)子組成零部件的不平衡相位交錯180°裝配。組成零部件首先進(jìn)行平衡，測量不平衡相位和幅值，該平衡一般在低轉(zhuǎn)速下進(jìn)行，在轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)（一般轉(zhuǎn)速相差10倍以上），并受到工裝夾具、安裝等因素影響，不平衡相位和幅值是否與工作狀態(tài)一致存在疑慮，按此方法裝配的轉(zhuǎn)子常出現(xiàn)“曲軸”和“香蕉”型誤差，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)子偏心，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動過大等問題。

因此，需要更先進(jìn)、更優(yōu)化的裝配技術(shù)來解決該問題。

1 先進(jìn)裝配技術(shù)和設(shè)備發(fā)展和應(yīng)用成果

疊加投影裝配技術(shù)是目前轉(zhuǎn)子裝配類較為先進(jìn)的裝配技術(shù)，國外對于轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)的研究發(fā)展較快，疊加投影裝配技術(shù)具備成熟的理論基礎(chǔ)。目前該類裝配技術(shù)已長足地應(yīng)用于航空轉(zhuǎn)子裝配中，并取得良好效果，該技術(shù)的應(yīng)用有效地提高了轉(zhuǎn)子裝配的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并成功地提高了轉(zhuǎn)子裝配的效率，對于避免反復(fù)裝配增加裝配周期和降低發(fā)動機(jī)成本有著重要的作用。

目前疊加投影裝配所采用的設(shè)備為專用設(shè)備。英國Taylor Hobson公司將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用系統(tǒng)，即疊加投影裝配系統(tǒng)（簡稱SPS），在全球航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪、壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子裝配中大量應(yīng)用。

通過應(yīng)用疊加投影裝配系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)零部件實現(xiàn)了裝配關(guān)系的矢量優(yōu)化，即優(yōu)化轉(zhuǎn)子裝配時各部件（段）之間的相互裝配角度，以達(dá)到軸心偏離最小的目的，也使轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)呈現(xiàn)出輕量化、整體化、系統(tǒng)性、高效性，裝配工作趨于簡單化，從根本上改變了傳統(tǒng)的工作模式、方法和手段，檢測范圍、檢測精度發(fā)生了質(zhì)的變化，目前該設(shè)備也是較為先進(jìn)的專業(yè)用于疊加裝配的專用設(shè)備。

2 疊加投影裝配技術(shù)的可應(yīng)用性

疊加投影裝配系統(tǒng)能自動收集零件及預(yù)測裝配數(shù)據(jù)，主要包括跳動、同心度、垂直度、平行度和平面度，同時，在計算機(jī)和軟件的協(xié)助下，能明顯減少人工判讀的任務(wù)量，還降低了讀數(shù)造成的誤差，最重要的是轉(zhuǎn)子零件測量和預(yù)測技術(shù)能夠?qū)M合在一起的各零件通過測量和計算確定出最佳的相對裝配位置。轉(zhuǎn)子零件測量和預(yù)測技術(shù)應(yīng)用到高壓轉(zhuǎn)子裝配和平衡，由精密儀器測量和計算得到各盤鼓、葉片最佳的相對裝配位置，避免人工操作的誤差，提高裝配精度和質(zhì)量，同時，也大幅提高裝配效率。

疊加投影裝配系統(tǒng)是一種工業(yè)中的強(qiáng)化引擎定位調(diào)整系統(tǒng)。系統(tǒng)采用位于儀器桿上的多套精密儀器測量頭來確保系統(tǒng)測量前快速而準(zhǔn)確地安置與準(zhǔn)備工作。其特有的“旋轉(zhuǎn)式”儀器測桿使得操作者能夠以快速而安全的方法來裝卸工件。其功能概括如下：

（1）空氣軸承主軸徑向和軸向精度高于0.125um。

（2）整套的調(diào)心與調(diào)傾功能，負(fù)載能力高。

（3）低式工作臺有助于組裝與堆砌。

（4）多個儀器測測頭（8項可選操作功能），4種儀器模擬測量。

（5）靈活的旋轉(zhuǎn)式儀器測頭便于安全的裝卸工件。

（6）容易安裝且生產(chǎn)車間程序化的Aerospect組裝堆砌預(yù)測軟件。

（7）軟件操控的調(diào)心與調(diào)傾。

（8）測量參數(shù)包括平面度、圓度、同軸度、垂直度、平行度等。

3 應(yīng)用前景

國外發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子采用該項裝配技術(shù)，利用轉(zhuǎn)子件之間的偏差進(jìn)行互補(bǔ)形成了整個轉(zhuǎn)子的可靠，裝配質(zhì)量和可靠性大幅提升，裝配可控性大幅提升。

通過使用疊加投影裝系統(tǒng)，有效降低單件的加工精度要求，從而降低了對單個零件制造精度的要求，使生產(chǎn)制造更容易保證制造精度，大大減小了組裝堆砌時間，而且優(yōu)化發(fā)動機(jī)的性能，提高了生產(chǎn)制造效率，降低了消耗。

通過此系統(tǒng)安裝的發(fā)動機(jī)可以基本使發(fā)動機(jī)處于最佳安裝位置，大大減小誤差。每個部件的數(shù)據(jù)都可以保留，每次安裝前都可以進(jìn)行預(yù)測，工人只需根據(jù)預(yù)測的方向安裝即可，效率非常高。

同等精度的零部件，通過使用疊加投影裝系統(tǒng)裝配形成的轉(zhuǎn)子，可有效控制“曲軸”和“香蕉”型等誤差，轉(zhuǎn)子裝配狀態(tài)遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)裝配方法裝配形成的轉(zhuǎn)子。

據(jù)有關(guān)資料介紹，采用傳統(tǒng)方法裝配轉(zhuǎn)子，耗費大量的時間，返工的可能性大，非常影響安裝的效率和一次成功率，一般一次成功裝配需要2d～3d，采用疊加投影裝系統(tǒng)安裝轉(zhuǎn)子只需要1d，而且一次成功率可達(dá)95%以上。

疊加投影裝性能表現(xiàn)為：節(jié)省40%安裝時間和費用，95%的一次安裝成功率，可預(yù)測安裝進(jìn)度，減小轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙，增加發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性，降低發(fā)動機(jī)振動，增加發(fā)動機(jī)壽命，減少兩次維護(hù)之間的時間，節(jié)省發(fā)動機(jī)燃料消耗，減小CO2排放，減小發(fā)動機(jī)噪聲污染。

結(jié)論

（1）采用傳統(tǒng)裝配技術(shù)裝配的轉(zhuǎn)子已不能滿足公司目前先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造和研制需求，疊加投影裝配系統(tǒng)作為國際先進(jìn)裝配技術(shù)，經(jīng)過多年研究與應(yīng)用已完全成熟，諸多國際著名發(fā)動機(jī)制造商通過采用疊加投影裝配系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量、效率以及發(fā)動機(jī)振動等性能都得以顯著提升。

（2）疊加投影裝配系統(tǒng)作為國際轉(zhuǎn)子裝配先進(jìn)技術(shù)，它對轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量、效率以致發(fā)動機(jī)整機(jī)性能的提升帶來新的發(fā)展和提升。

（3）為確定該技術(shù)的成熟程度和在其實際裝配中的應(yīng)用效果，仍然需要在進(jìn)一步的設(shè)備應(yīng)用中進(jìn)行探索分析并得出使用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]《航空制造工程手冊》總編委會主編.發(fā)動機(jī)裝配與試車[M].北京：航空工業(yè)出版社，1994.