一種葉片下緣板內(nèi)圓及錐面測具設(shè)計(jì)研究

李鏡懸 李國平 王放達(dá)

摘要：低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片是由五個(gè)葉片成聯(lián)精密鑄造而成，不僅提高了葉片的加工難度，同時(shí)給葉片的工裝設(shè)計(jì)提出了高要求。介紹了一種低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片下緣板內(nèi)圓及錐面的測量方法，基于UG設(shè)計(jì)了一套同時(shí)測量葉片下緣板內(nèi)圓及錐面的測具。

Abstract： The five stage guide vane of low pressure tuebine is made of five blades by precision casting，which does not improve the machining degree of the blade，and puts forward high requlrements for the tooling design of the blade. A method for measuring the inner circle and surface of the lower green plate of the five stage guide blade of low pressure turbine is introduced. A set of measuring the inner circle and surface of the lower green plate of the blade at the same time is designed based on UG.

關(guān)鍵詞：葉片;下緣板;內(nèi)圓;錐面;測具設(shè)計(jì)

Key words： blade;lower green board;inner cirle;noodles;gauge design

中圖分類號(hào)：V263.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）24-0026-03

1? 概述

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件之一，其制造材料性能、制造精度直接關(guān)系著航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能及服役壽命[1]。隨著軍用發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向小涵道比、大推重比目標(biāo)邁進(jìn)，葉片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，現(xiàn)代葉片制造對加工工藝水平要求更加苛刻，在保證葉片檢測精度的前提下提高檢測效率已經(jīng)成為葉片測具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要工作之一。低壓渦輪導(dǎo)向葉片的工作狀態(tài)是由盆、背安裝板相互搭接，然后相互拼接組成圓盤[2]。實(shí)際葉片的生產(chǎn)過程中，受加工工藝及計(jì)量檢測水平的限制，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和加工基準(zhǔn)往往不統(tǒng)一[3]。如果整批葉片均用三坐標(biāo)計(jì)量葉片下緣板內(nèi)圓及錐面的尺寸，不僅效率低而且受設(shè)備資源的限制，不能滿足生產(chǎn)需要。為保證設(shè)計(jì)和裝配要求，工藝常采用專用測量工裝進(jìn)行測量。需要設(shè)計(jì)兩套以上測具才能檢查葉片下緣板內(nèi)圓及錐面尺寸，浪費(fèi)了大量人力物力。本文描述一種低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片下緣板內(nèi)圓及錐面測具的設(shè)計(jì)過程，采用一套新型測具滿足生產(chǎn)過程中葉片計(jì)量需要，不僅縮短了葉片檢測時(shí)間而且有效的提高了生產(chǎn)效率。

2? 測具的設(shè)計(jì)要求

2.1 葉片三維圖

低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片其材料為高溫合金，主要結(jié)構(gòu)由上緣板、葉身型面、下緣板構(gòu)成，各個(gè)部分通過精密鑄造整體成型。各個(gè)葉片之間依靠緣板定位安裝在輪盤中，并通過緣板側(cè)斜面相互搭接，從而拼接成整個(gè)圓盤[2]。葉片下緣板內(nèi)圓及錐面的質(zhì)量好壞無論從裝配上還是性能上都很重要，見圖1。

2.2 葉片測量位置設(shè)計(jì)分析

根據(jù)工藝規(guī)程要求需要測量211.9±0.1mm、29.3±0.1mm、20°±1°三個(gè)尺寸要素;由于211.9±0.1mm尺寸無法直接測量，已知外圓尺寸為？準(zhǔn)1263.6mm，故211.9±0.1mm需轉(zhuǎn)換為測量內(nèi)圓尺寸;錐面29.3±0.1mm及20°±1°尺寸無法直接測量，20°±1°采取測量葉片錐面母線檢查尺寸，29.3±0.1mm采取用對表塊測量錐面及內(nèi)圓的尺寸間接得出測量結(jié)果。綜合分析該測具應(yīng)保證下緣板的內(nèi)圓及錐面的軸線垂直于底面，方便通過對表塊對表測量。（圖2）

3? 測具結(jié)構(gòu)的確定

3.1 測具定位結(jié)構(gòu)的確定

3.1.1 底部支靠面的確定

通過工藝規(guī)程發(fā)現(xiàn)，該低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片的A1、A2點(diǎn)位于同一個(gè)平面上M上，A3、A4點(diǎn)位于同一個(gè)平面上N上，平面M與平面N的高度差為1.5mm。對于葉片A1、A2、A3、A4點(diǎn)各自組成的平面支撐面有兩種方案可供選擇：

第一種方案為A1、A2點(diǎn)組成的平面M及A3、A4點(diǎn)組成的平面N做成一個(gè)大平面支靠，這種設(shè)計(jì)思路相對來說零部件數(shù)量相對較少，但是對于測具的加工精度及檢測要求明顯提高。同時(shí)采取整面支靠的方式測具笨重，測具使用起來不方便。如果整個(gè)大平面的其中某一處產(chǎn)生磨損與凹陷，則需要更換整個(gè)部件，不利于測具的維修。

第二種方案為將A1、A2、A3、A4點(diǎn)分別做成依靠小圓柱銷平面支撐來定位。這種設(shè)計(jì)思路測具因?yàn)橹Э棵娌皇谴笃矫?，加工及制造過程中作為支靠面的小平面相對于底板大平面的平行度更容易保證。同時(shí)因?yàn)樗膫€(gè)點(diǎn)的支靠面都采取以小圓柱銷頂端小平面支靠的方式來定位，如果因?yàn)槠渲心硞€(gè)點(diǎn)出現(xiàn)磨損，更換起來方便快捷。

綜合以上分析，該測具底部支靠面選取第二種方案來對葉片進(jìn)行定位。該方案不僅有利于測具的生產(chǎn)制造與維修，該方案測具重量相對于第一種方案較輕，使用起來更加方便。

3.1.2 外圓定位面的確定

因需要測量內(nèi)圓及錐面尺寸，外圓也需要定位，外圓定位需要將定位尺寸設(shè)置在直徑？準(zhǔn)1263.6mm的外圓上。下面針對外圓定位提出兩種定位方案：

第一種方案可以采取直接以外圓作為支靠來定位，同時(shí)可以考慮將A1、A2點(diǎn)所在的平面M與外圓定位面做成一個(gè)整體來支靠。由于該外圓定位面不是一個(gè)整圓，測具檢測的時(shí)候三坐標(biāo)采集該定位圓，由于采集點(diǎn)的不同會(huì)造成測量結(jié)果存在0.002mm左右的誤差，導(dǎo)致每次的測量結(jié)果不一致;同時(shí)由于將A1、A2點(diǎn)坐在的平面M支靠面與外圓定位面做成一個(gè)整體，形成了一個(gè)臺(tái)階圓，臺(tái)階圓的端面只能通過數(shù)控銑削的方式來加工，該方式加工出來的定位面相對于測具底面的平行度不容易保證。

第二種方案是以兩圓柱銷外圓母線定位外圓。該方案測具制造相對簡單，重量輕，但是由于外圓僅依靠圓柱銷的外圓母線定位，與葉片外圓實(shí)際是線接觸，對于測具的使用壽命有一定的影響。

綜合分析方案一與方案二，考慮到空間的局限性及后續(xù)制造修理方便，故采取第二種方案定位，通過優(yōu)選方案二中兩圓柱銷的材料，提高其表面硬度的方式來降低磨損，延長使用壽命的目的。（圖3）

3.1.3 葉片角向定位塊的確定

葉片角向面M1面為雙斜面，以M1面來定位葉片角向。由于在生產(chǎn)制造及檢測過程中，雙角度面一直是加工中的難點(diǎn)，該定位面的加工在各個(gè)工序中均需要進(jìn)行轉(zhuǎn)、吊之后才能進(jìn)行加工，其一是由于自身轉(zhuǎn)、吊誤差的影響，部件加工完成到裝配過程中容易產(chǎn)生累積誤差，特別是當(dāng)前三坐標(biāo)檢測普及的情況下，該誤差會(huì)進(jìn)一步放大，不利于測具的生產(chǎn)制造;其二是由于雙角度面在加工過程中在不增加輔助工藝球的情況下，沒有可靠的測量基準(zhǔn)，部件加工至后期容易出現(xiàn)無加工余量的情況，導(dǎo)致部件報(bào)廢。故在該測具的設(shè)計(jì)過程中通過人為的將葉片角向定位塊轉(zhuǎn)一個(gè)角度，消除M1面自身帶來的轉(zhuǎn)角，使該定位塊呈一個(gè)單角度斜塊，這樣方便于測具的制造及檢測。（圖4）

3.2 對表面及滑表座的確定

測量內(nèi)圓滑表座面應(yīng)與葉片內(nèi)圓同心，內(nèi)圓對表塊圓弧面與葉片內(nèi)圓柱面在同一圓心上;因葉片錐面與內(nèi)圓柱面同心，其滑表座面可以與內(nèi)圓柱面的滑表座面共用，為節(jié)約空間，錐面對表面與葉片內(nèi)圓柱面的對表面設(shè)計(jì)在同一對表塊上;錐面角度滑表座滑表面應(yīng)平行于葉片錐面母線，葉片錐面的母線也應(yīng)與其對表面共面。同時(shí)出于測具的加工、使用壽命及操作方便性的考慮，在測具的滑表座表面均勻開2mm深的凹槽。（圖5）

3.3 測具壓緊結(jié)構(gòu)的確定

為了能夠使葉片在測量過程中能夠穩(wěn)定擺放，在檢查葉片各個(gè)定位面及測具定位面均接觸后，需要對葉片進(jìn)行壓緊，根據(jù)葉片簡圖可知，在葉片支靠A1、A2、A3及A4點(diǎn)所在平面后，葉片的壓緊只能夠壓緊D點(diǎn)與D1點(diǎn)所在的平面。經(jīng)過分析，設(shè)置三處壓緊點(diǎn)，壓緊點(diǎn)1設(shè)置于A3支撐點(diǎn)正上方，壓緊點(diǎn)2設(shè)置于A4支撐點(diǎn)正上方，壓緊點(diǎn)3設(shè)置于A1與A2支撐點(diǎn)正上方。（圖6）

3.4 定位尺寸的確定

為方便標(biāo)注及檢測設(shè)計(jì)使用工藝球，需要建立各定位面與工藝球空間相互位置關(guān)系，并確定工藝球到各定位面、對表面之間的距離及角度關(guān)系[4]。

已知外圓尺寸為？準(zhǔn)1263.6mm，內(nèi)圓與外圓半徑差為211.9±0.1mm，通過尺寸鏈換算內(nèi)圓尺寸應(yīng)為419.9±0.1mm。

當(dāng)內(nèi)圓尺寸為上差420.0mm時(shí)，其29.3±0.1mm尺寸為29.3mm+0.1mm*tan20°=29.336mm<29.4mm在公差范

圍內(nèi);

當(dāng)內(nèi)圓尺寸為上差419.8mm時(shí)，其29.3±0.1mm尺寸為29.3mm-0.1mm*tan20°=29.264mm>29.2mm在公差范

圍內(nèi);

當(dāng)20°±1°尺寸為上差21°時(shí)，其29.3±0.1mm尺寸為29.3mm±0.1mm*tan21°=29.3±0.038mm在公差范圍內(nèi);

當(dāng)20°±1°尺寸為下差19°時(shí)，其29.3±0.1mm尺寸為29.3mm±0.1mm*tan19°=29.3±0.034mm在公差范圍內(nèi)。

綜上所述，當(dāng)419.9±0.1mm及20°±1°在公差范圍內(nèi)時(shí)，29.3±0.1mm同時(shí)也保證在公差范圍內(nèi)，根據(jù)測具一般設(shè)計(jì)原則，其公差縮小為原公差五分之一至十分之一，419.9±0.1mm取419.9±0.015mm，20°±1°取20°±5’。（圖7）

3.5 測具材料的選擇

在測具的設(shè)計(jì)過程中通常要考慮測具的耐磨性與測量的穩(wěn)定性。由于該低壓渦輪導(dǎo)向葉片的材料為鑄造高溫合金，相對于一般金屬材料其硬度更高，對于測具使用過程中的磨損情況更大。測具與零件表面相互接觸的測具元件硬度應(yīng)高于被測零件，該測具中定位A1、A2、A3及A4點(diǎn)的支撐銷選取ASP2015粉末高速鋼，其淬火后硬度可達(dá)HRC66～68;M1雙斜面定位塊選取SKD11，其淬火后硬度高，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，具有很好的耐磨性，在熱處理?xiàng)l件允許的情況下進(jìn)行氮化處理效果更佳;因測具在使用過程中，其對表面及滑表面時(shí)刻要與表架底座之間相互滑動(dòng)，為有效的減少摩擦阻力及提高耐磨性，在本設(shè)計(jì)方案中對表面及滑表面材料選擇38CrMoAlA，其作為一種高級氮化鋼，氮化處理后的表面抗磨性高，適用于經(jīng)常往復(fù)摩擦的零件，同時(shí)最后進(jìn)行研磨工作面，可進(jìn)一步的提高耐磨性及滑動(dòng)的流暢性。

4? 結(jié)論

本文從測具定位結(jié)構(gòu)的確定、對表面及滑表面的確定、測具壓緊結(jié)構(gòu)的確定、測具定位尺寸的確定及測具材料的選擇五個(gè)方面闡述了低壓渦輪五級導(dǎo)向葉片測具設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程。通過一套測具分別檢查葉片下緣板內(nèi)圓及錐面的尺寸，此項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，方便測量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。經(jīng)實(shí)際測量試驗(yàn)使用證明，該測具不僅測量精度高，同時(shí)兼具測量穩(wěn)定及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，有效的縮短了葉片檢測時(shí)間及提高了生產(chǎn)效率，為其他同類型的葉片測具設(shè)計(jì)具有良好的借鑒意義。

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