六點定位原理在發(fā)動機葉片夾具設(shè)計中的應(yīng)用

王 山

（北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京 100191）

1 引言

葉片是航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件，工作于極端環(huán)境，這對于葉片尺寸精度要求較高。但由于葉片榫頭較小及榫頭與葉身相對位置誤差等問題，在最后加工步驟之前有時無法以榫頭為基準(zhǔn)進行加工。所以能夠不使用榫頭，直接依據(jù)葉身部分余量，快速高效地確定葉片的新加工基準(zhǔn)顯的尤為重要。

傳統(tǒng)的葉片基準(zhǔn)確定方法包括機械夾緊法、澆注合金法和線切割法，這些方法都需要對葉片本身進行二次加工，加工過程繁瑣并容易造成對葉片毛坯難以逆轉(zhuǎn)的改動。因此需要設(shè)計專用的葉片夾具來滿足確定葉片新基準(zhǔn)的需求。

2 葉片的工藝分析

葉片的工藝分析主要依據(jù)于葉片的結(jié)構(gòu)要素與現(xiàn)階段工藝水平和能力，毛料制造及機械加工的難易程度等。葉片加工的最大難點是葉型加工。葉片厚度較薄，加工變形大，容易產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，因此葉片的輪廓度和位置難以控制，且葉片的裝夾需要專用夾具，工裝制造與葉片裝夾均有誤差，誤差積累也就進一步增加了葉型輪廓度的位置度的控制難度。

以壓氣機轉(zhuǎn)子葉片為例，其相比于其他葉片結(jié)構(gòu)特點為體積較小，單側(cè)榫頭，毛坯多為小余量模鍛件，依據(jù)毛坯熱處理狀態(tài)，組織狀態(tài)，材料加工型等因素，其典型的工藝路線如下：銑進氣邊→去毛刺→澆注低熔點合金→修正合金塊→切底面工藝凸臺→銑榫頭安裝板短邊及底面槽→拉削榫頭→銑榫頭及緣板尖邊倒圓→中間檢驗→破碎合金塊→除污染→銑進、排氣邊→拋修進排氣邊及轉(zhuǎn)接處→切斷葉肩→銑葉肩減薄處→腐蝕檢查→振動光飾→清洗→成品檢驗→熒光檢驗→測頻、修頻→榫頭噴丸→葉身噴丸→振動光飾→入庫→榫頭噴丸→榫頭涂干膜潤滑劑→榫頭涂膠→清洗→成品入庫。而通常作為葉片加工基準(zhǔn)的榫頭，有時會由于尺寸較小或加工誤差等原因難以成為葉身加工的基準(zhǔn)。所以為了能夠銑削和拋修葉身的進排氣邊及其轉(zhuǎn)接處等高精度區(qū)域，要根據(jù)葉片葉身部分余量重新對葉片設(shè)置加工基準(zhǔn)，因此需要設(shè)計和制造專用夾具。

3 葉片的六點定位方法

為了解決葉片的空間定位問題，應(yīng)引入自由剛體運動理論，根據(jù)此理論，自由缸體在三維空間具有六個自由度，剛體的任何運動狀態(tài)均可分解為剛體相對于基點的平動和轉(zhuǎn)動。

將剛體置于空間直角坐標(biāo)系內(nèi)，該坐標(biāo)系為定坐標(biāo)系oxyz；剛體的動坐標(biāo)系為 o′x′y′z′，動坐標(biāo)系原點 o′為剛體基點，再以基點o′為原點定義一個始終相對于定坐標(biāo)系oxyz平動的坐標(biāo)系o′ξηζ，則剛體基點的平動可用基點o′的位置表示，而基點o′的位置是時間t的函數(shù)，故可用以下表示：

式中：t—時間；xo′，yo′，zo′—基點在定坐標(biāo)系 oxyz中的坐標(biāo)位置。

剛體相對于基點的轉(zhuǎn)動可用與剛體動坐標(biāo)系相對于平動坐標(biāo)系o′ξηζ的三個歐拉角表示為：

式中：t—時間；ψ、θ、φ—剛體的進動角、章動角和自轉(zhuǎn)角。

將葉片近似的視為剛體，一個尚未定位的剛體在三維空間中有6個自由度，即沿3個互相垂直的坐標(biāo)軸的移動自由度（用→表示）和繞3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)自由度（用表示）。要使工件沿某方向的位置確定，就必須限制該方向的自由度。正確選取和分布六個支撐點限制工件在夾具中的位置的規(guī)律，成為六點定位原理，如圖1所示。

圖1 六點定位原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Six-Point Positioning Principle

顯然加工葉片時也需要限制6個自由度，但由于葉片葉身部分為雙側(cè)空間曲面，各部分余量情況較為復(fù)雜，因此需要將三個支撐點（如圖2的1，2，3標(biāo)號處）放置在葉盆面，位于支撐點的支撐銷端面都為球頭，以此保證準(zhǔn)確限制葉片三個自由度，即沿oz軸平移和繞ox與oy軸轉(zhuǎn)動。因為葉片距離榫頭越遠在裝夾時的變形越大，故將兩個支撐點放置在臨近葉肩處，并且盡量加大兩支撐點之間的距離以保證定位準(zhǔn)確。模鍛件產(chǎn)品具有高一致性，因此只需一次確定支撐銷的長度，在接下來的加工中便可重復(fù)使用，使裝卡過程簡單快捷。葉片的另外三個定位點（如圖2的4，5，6標(biāo)號處）都以定位銷的形式分布在葉片周圍，兩點設(shè)置在葉片排氣邊邊緣，通過葉片排氣邊對定位銷的擠靠限制葉片沿ox軸平移及繞oz軸轉(zhuǎn)動。一點設(shè)置在葉片榫頭底面，限制最后一個自由度，即沿oy軸平移，整體6個定位點布局，如圖2所示。

圖2 葉片6個定位點的分布Fig.2 Distribution of Six Positioning Points

綜上所述，采用六點定位方法設(shè)計葉片的定位方式時主要用球頭支撐銷和定位銷，此方法可以限制葉片的6個自由度，沒有產(chǎn)生欠定位，也沒有產(chǎn)生過定位，保證了葉片在工裝中定位的可靠穩(wěn)定性。并且葉身定位過程中避開了榫頭，葉片榫頭的位置及尺寸誤差不會積累到葉片定位的過程中。

4 葉片加工基準(zhǔn)的傳遞

在經(jīng)過上述六點定位方法將葉片調(diào)整到理論姿態(tài)后，就需要通過澆注低熔點合金的方法將理論姿態(tài)的基準(zhǔn)傳遞到易于機加操作的基準(zhǔn)塊上。

澆注凝固的低熔點合金直接連接夾緊塊與基準(zhǔn)塊，不與葉身接觸。這樣可以避免低熔點合金在冷卻凝固時的體積變化使葉身發(fā)生變形，這將影響葉片在進一步加工中的尺寸穩(wěn)定性。同時低熔點合金去除較為困難，如其直接與葉身接觸，將會對葉身造成污染，影響下一步的銑削磨削加工。

在設(shè)計榫頭夾緊塊的過程中，需要考慮將要夾持葉片的榫頭類型與低熔點合金連接方式，以燕尾型榫頭為例，其榫頭為梯形，如圖3所示。用螺紋拉栓的方式將葉片夾緊，夾緊面角度與燕尾型榫頭斜面角度相一致。夾緊塊浸入低熔點合金的部分設(shè)計有貫穿孔，保證在低熔點合金凝固后與夾緊塊的連接緊密，不會產(chǎn)生位移。

圖3 燕尾型榫頭葉片的固定Fig.3 Fixture of Blade with Swallowtail-Type Tenon

在設(shè)計基準(zhǔn)塊的過程中，需要保證有三個相鄰面具有足夠高的表面粗糙度和垂直度，以作為機械加工時的基準(zhǔn)。在澆注過程中，只需用塑料片堵住連接塊與基準(zhǔn)塊之間的空隙，待低熔點合金凝固后即可完成將六點定位而來的葉片新基準(zhǔn)傳遞到長方體基準(zhǔn)塊上的過程。效果，如圖4所示。

圖4 完成低熔點合金澆注后的基準(zhǔn)塊Fig.4 The Reference Block After Low Melting Point Alloy Solidified

5 夾具的整體設(shè)計

夾具總體設(shè)計的原則是裝夾安全、牢固、易于安裝，夾緊時又不能破壞定位。

為保證以上要求，夾具在六個定位銷限制葉片位置的同時，還需要設(shè)置相應(yīng)的夾緊結(jié)構(gòu)。針對于支撐葉片葉盆型面的三個球頭支撐銷，三個與支撐銷相對應(yīng)的球頭壓緊銷被設(shè)置在夾具的安裝蓋上，安裝蓋平行于底面。壓緊銷與支撐銷并不是完全上下相對，如圖5所示。為保證在壓緊過程中葉片不會因為受到壓緊力而發(fā)生形變，盡量使支撐銷球頭和壓緊銷球頭的球心連線與葉盆葉背型面的銷頭接觸點法平面相垂直，即保證連線與力的方向夾角一樣。這樣在下壓壓緊銷，施加壓緊力的時候，力的作用方向指向同一點，并且垂直于葉片在該點的法平面，避免了圖5中葉片因受兩側(cè)壓力不共線而發(fā)生形變，其幾何關(guān)系，如圖6所示。支撐銷球頭和壓緊銷球頭的相對位置要求較高，因此需要在安裝蓋上設(shè)置定位銷孔，保證安裝蓋每次安裝時與底面的相對位置。

圖5 錯誤葉片受力圖Fig.5 Flase Blade Force Diagram

圖6 正確葉片受力圖Fig.6 Correct Blade Force Diagram

在葉片的進氣邊一側(cè)，設(shè)置有夾緊塊，夾緊塊安裝于滑動槽內(nèi)，保證在加緊過程中葉片只受水平方向的壓力，夾緊塊與排氣邊一側(cè)的兩個定位銷限制了葉片在ox軸方向上的移動和oz軸上的轉(zhuǎn)動。在葉肩處設(shè)置有夾緊螺釘，位置與榫頭底面的定位銷相對，限制葉片在oy軸上的移動。

在固定基準(zhǔn)塊的過程中，為保證每個葉片裝夾時的一致性，專用的定位槽被設(shè)置在工作臺上。

綜上所述，夾具在葉盆葉背兩型面上采用點對點的壓緊方式，在葉片四周夾緊的同時保證基準(zhǔn)塊在低熔點合金澆注和凝固過程中的穩(wěn)定牢固，以此提高葉片在重新定位基準(zhǔn)和傳遞基準(zhǔn)時的準(zhǔn)確性。夾具整體方案，如圖7所示。

圖7 夾具整體結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Overall Structure of the Fixture

6 夾具使用效果

因為在夾具的實際使用中，可以通過改變定位銷長度的方法調(diào)整葉片的實際姿態(tài)以滿足余下工序的需要。因此評定該夾具的主要標(biāo)準(zhǔn)是葉片的重復(fù)定位精度，即確定該夾具能否保證余量相同或近似的葉片都能被定位到相同的姿態(tài)并能將該基準(zhǔn)傳遞到基準(zhǔn)塊上。為了測量夾具的重復(fù)定位精度，一個正方體被焊接到葉片葉肩處，每次定位葉片后立方塊的位移便可視為葉片的位移，如圖8所示。

圖8 葉片測量圖Fig.8 Diagram of Measuring Blade

在設(shè)置測量坐標(biāo)系時，以基準(zhǔn)塊上的三個垂直面作為基準(zhǔn)，坐標(biāo)系零點為基準(zhǔn)塊下底角頂點。使用該夾具為葉片重新確定基準(zhǔn)后，應(yīng)用三坐標(biāo)測量機測量正方體露出的5個面上的15個點（每個平面3個點），如圖8所示。通過該15個坐標(biāo)點計算立方塊空間坐標(biāo)，繼而記錄每次定位完定點A的坐標(biāo)以及立方塊棱邊AB與ox軸、oy軸和oz軸的夾角，5次定位中，A點坐標(biāo)，如表1所示。

表1 葉片重復(fù)裝夾測量的A點坐標(biāo)Tab.1 The Coordinates of Point A of Repeated Positioning and Clamping

5次定位中，立方塊棱邊AB與ox軸、oy軸和oz軸的夾角，如表2所示。在五次定位過程中，A點的定位差值不超過0.1mm，可見使用該夾具確定葉片新基準(zhǔn)并進行加工時，可包容的葉片余量最小為0.1mm，滿足葉片的在磨拋過程中的加工需求。在后續(xù)磨拋加工中，利用新基準(zhǔn)銑削和拋修的葉片進排氣邊及其轉(zhuǎn)接處不存在未加工點，證明新基準(zhǔn)的有效可靠，保證了葉身機加尺寸到位。

表2 棱邊AB與坐標(biāo)軸夾角Tab.2 The Angle Between Edge AB and Coordinate Axis

7 總結(jié)

與傳統(tǒng)的葉片基準(zhǔn)確定方法相比，該葉片基準(zhǔn)確定方法無需對葉片毛坯進行機械加工，通過低熔點合金固定也較為簡便快捷，同時過程可逆，可修復(fù)性較強。基于六點定位原理的定位方式保證了葉片的修復(fù)精度，多處夾緊銷與限位塊的設(shè)計保證了固定強度。但此方法僅對于較小葉片的機加基準(zhǔn)修復(fù)與重置效果較為顯著，但由于低熔點合金在凝固過程中體積會發(fā)生變化，導(dǎo)致葉片實際位置發(fā)生偏差，葉片越大，偏差越大，當(dāng)偏差超過葉身余量可容差范圍時，該夾具根據(jù)葉身余量重新設(shè)置機加基準(zhǔn)的作用將失效。為觀察記錄葉片的位移情況，在該夾具的今后的改進過程中將加入位置傳感器，并改進低熔點合金材料，使其在凝固過程中變形減小，最終保證葉片在裝夾及基準(zhǔn)修復(fù)過程中的穩(wěn)定。同時在使用該夾具的過程中夾具本身發(fā)生了溫度變化，這將引起基準(zhǔn)塊等元件的變形，因此制作該類元件時應(yīng)采用耐高溫材料。