航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭加工夾具設(shè)計

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機葉片；夾具；有限元分析；裝夾方案；模態(tài)測試

中圖分類號：V263

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.04.007 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of Jig and Fixture for Machining Precision Forged Blade Tenons of Aeroengine

ZHANG Shen1 LIANG Jiawei2 WU Dongbo3 WANG Hui4 ZHAO Bing1 XU Lijun5ZHOU Fen5 1.School of Mechanical Engineering，Qinghai University，Xining，810016

2.Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084 3.Institute for Aero Engine，Tsinghua University，Beijing，l00084 4.Institute for Aero Engine，Beihang University，Beijing，l00191 5.AECC Aviation Power Co.，Ltd.，Xi'an，710021

Abstract： Precision forged blades of aeroengine were a typical thin-walled parts with complex curved surface. When miling the blade tenons， it was difficult to locate and easy to produce deformations and vibrations. Aiming at the above problems，a design method of multi-point clamping fixture for precision forged blades was proposed，and a low stress hard clamping fixture was designed. Static analysis was used to optimize the clamping position，select the coping element materials and optimize the clamping method. The effectiveness of the fixture was tested by modal tests and vibration tests. The results show that the low-band amplitude of the system is reduced by 50% ，the high-band amplitude by 75% ，the first-order resonance frequency is increased from 210Hz to 402Hz ，the damping ratio under the peak value is increased from 17.4% to 25.9% ，the effective value of vibration displacement signals is reduced by 35% ，and the machining error margin is reduced by 59% ：

Key words： aeroengine blade; Jig and fixture； finite element analysis；clamping scheme；modal test

0 引言

航空發(fā)動機是整個飛機的核心，其性能對航空發(fā)動機的整體表現(xiàn)起著決定性作用。葉片作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵部件之一，因其復(fù)雜的形狀、嚴(yán)格的質(zhì)量要求以及高昂的加工成本，一直是制造領(lǐng)域的重難點[1-2]。在葉片制造過程中，精密鍛造技術(shù)因其獨特的優(yōu)勢而備受關(guān)注。精密鍛造是在普通模鍛基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種近凈成形工藝方法，該技術(shù)通過對葉片葉身進行精鍛，可以獲得沿葉片形狀分布的光滑金屬流線和均勻細(xì)小的晶粒，滿足航空發(fā)動機對葉片葉身的精度要求。然而，葉片的進氣邊、排氣邊、葉尖和榫頭部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜且加工精度要求高，需要進行二次數(shù)控加工[3-5]。其中，進氣邊、排氣邊和葉尖部位的加工余量較小，允許通過固定葉身和工藝凸臺以及榫頭進行二次加工，以確保加工精度。對于榫頭部位，由于其加工余量相對較大，且在加工過程中僅依靠葉身表面進行定位，因此在加工過程中極易發(fā)生定位精度下降和葉片結(jié)構(gòu)損傷，從而影響葉片的整體性能和使用壽命[]

現(xiàn)階段，我國航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭二次加工主要采用低熔點合金澆注工藝方法。該工藝方法通過將低熔點合金澆注至葉片周圍形成合金塊來實現(xiàn)葉片的定位與夾緊。然而，該工藝方法存在如下若干局限性：定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換可能導(dǎo)致定位精度降低；加工工藝流程的冗長影響生產(chǎn)效率；低熔點合金的使用可能會對葉片表面造成污染，影響葉片的表面質(zhì)量和性能[7]。因此，研究并開發(fā)適用于航空發(fā)動機精鍛葉片的銑削工裝，以替代低熔點合金澆注工藝，對提高精鍛葉片榫頭加工質(zhì)量具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對薄壁復(fù)雜曲面加工工裝存在的定位精度低、加工變形大等一系列問題開展了大量的研究。ARSLANE等8對燃?xì)廨啓C葉片的復(fù)雜曲面形狀和表面曲率進行研究，基于普呂克坐標(biāo)法分析定位單元的分布，研制出一種適用于復(fù)雜曲面葉片的柔性夾具，并基于小位移扭矩概念，評價了夾具的重復(fù)定位性能。FEI等提出了一種通過夾具元件與銑刀保持相同運動速度的改良方法來抑制薄壁件在加工中的變形。WANG等[10]提出了一種渦輪葉片裝夾定位誤差和加工誤差的測量和計算方法，為葉片夾具的設(shè)計提供依據(jù)。陳海瑛等1發(fā)明了一種用于葉片精鍛的葉片-工裝系統(tǒng)設(shè)計的分析方法，通過對葉片-工裝系統(tǒng)進行參數(shù)化建模以及有限元分析，可以精確計算出任意型號精鍛葉片在工裝上的最優(yōu)裝夾位置。王山[12]針對葉片加工過程中工藝基準(zhǔn)的頻繁轉(zhuǎn)換問題，結(jié)合六點定位原理和低熔點合金澆注工藝，設(shè)計了一套專用工裝夾具，使基準(zhǔn)的修復(fù)效率提高約 40% 。張凱堯[13]設(shè)計了一種適用于精鍛葉片的多點柔性支撐銑削工裝，并以葉片榫頭最大加工變形量為優(yōu)化目標(biāo)，對工裝布局進行優(yōu)化，并通過在機測量提高葉片的定位精度。張姚等[14]通過分析薄壁機匣的加工顫振，設(shè)計了一款橡膠減振柔性夾具，并對比分析了柔性夾具與傳統(tǒng)夾具的減振性能，以及銑削力加載頻率、壓板壓力等多種因素對工件-夾具系統(tǒng)的振動影響。

基于上述分析，本文針對航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭加工工藝繁瑣、定位精度差、加工變形大等一系列問題，提出精鍛葉片多點硬裝夾的夾具優(yōu)化方法，并設(shè)計了一種航空發(fā)動機精鍛葉片硬裝夾工裝夾具。

1葉片特征及加工工藝分析

1.1 葉片特征

圖1為航空發(fā)動機精鍛葉片結(jié)構(gòu)示意圖，主要由葉尖、葉身、緣板、榫頭和葉根組成，其總長度約為 55mm ，排氣邊長度約為 35mm ，葉身寬度約為 11mm 。航空發(fā)動機葉片的工作條件十分惡劣，包括直接暴露于燃燒室產(chǎn)生的極高溫度和壓力，以及因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力[15]。這要求葉片材料和設(shè)計必須能夠承受巨大的熱負(fù)荷和機械應(yīng)力。在精鍛葉片結(jié)構(gòu)中，葉身和榫頭是整個葉片的核心部分，各自承擔(dān)著不同的功能。葉身作為葉片的主體，是典型的自由曲面結(jié)構(gòu)，其型面設(shè)計直接關(guān)系到葉片的氣動效率和整體性能。榫頭則是用于將葉片固定在發(fā)動機盤上的部件，它必須具有足夠的強度和精確的配合公差，以確保葉片在高速旋轉(zhuǎn)時不會脫落。

1.2 葉片榫頭加工工藝分析

現(xiàn)階段我國航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭加工采用低熔點合金澆注工藝，該工藝主要流程如圖2a所示。首先，以精鍛工藝獲得的相對準(zhǔn)確的葉身和工藝凸臺為定位基準(zhǔn)，加工葉片的進氣邊和排氣邊；然后，采用鉍、鎘和鉛等低熔點合金對葉片進行澆注，將葉身和葉尖部位澆注為長方形的低熔點合金塊，固定低熔點合金塊后，對葉片榫頭進行加工；最后，去除低熔點合金，取出葉片，以榫頭為定位基準(zhǔn)加工葉尖部位。該工藝存在如下缺陷：葉片加工經(jīng)歷葉片裝夾、澆注、數(shù)控加工、去除低熔點合金等多道工序方能完成，導(dǎo)致葉片加工效率低下；在利用低熔點合金對葉片進行封包時，定位基準(zhǔn)由葉身和工藝凸臺轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿埸c合金塊的表面，在固定榫頭加工葉尖時，定位基準(zhǔn)又由低熔點合金塊表面轉(zhuǎn)變?yōu)槿~身和榫頭，定位基準(zhǔn)的多次轉(zhuǎn)換導(dǎo)致定位精度降低；物理敲擊或高溫熔化低熔點合金過程中，可能導(dǎo)致葉片表面存在合金殘留物，改變鈦合金表面的金屬性質(zhì)，嚴(yán)重影響精鍛葉片的表面完整性。因為葉身為典型的薄壁自由曲面零件，無法承受較大的切削力和夾緊力，因此，定位困難和剛度低是數(shù)控加工葉片榫頭的兩大難題。

綜上，本文設(shè)計了一種航空發(fā)動機精鍛葉片硬裝夾工裝夾具，利用該夾具加工精鍛葉片的主要工藝流程如圖2b所示。這種夾具的主要設(shè)計理念是利用多點硬裝夾的方式對葉片直接定位，利用輔助支撐的原理提高“葉片-夾具”系統(tǒng)的剛度。

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵步驟如圖3所示。首先，通過在葉身、進氣邊和緣板處選取多個關(guān)鍵位置作為定位點，并基于定位點設(shè)計相應(yīng)的定位柱，以確保葉片的精準(zhǔn)定位；然后，基于葉身定位點設(shè)計夾緊柱，實現(xiàn)對葉片的夾緊；最后，基于葉身型面設(shè)計仿形元件，對葉身上下表面進行輔助支撐，從而提高加工穩(wěn)定性和系統(tǒng)剛度。在上述結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，對定位點位置和輔助支撐材料進行優(yōu)化，并通過模態(tài)測試、振動測試和加工精度測試對夾具的使用性能進行評估?；谝陨显O(shè)計方法設(shè)計低應(yīng)力工裝夾具，不僅能簡化工藝步驟，避免定位基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，同時也能降低低熔點合金去除過程中的風(fēng)險，提高葉片的定位精度、加工質(zhì)量和加工效率。此外，還可以通過機械臂和智能控制系統(tǒng)完成葉片的自動裝夾，提高自動化水平。這一方法的關(guān)鍵在于夾具定位方案和輔助壓緊方案的設(shè)計，需要確保夾具能夠?qū)崿F(xiàn)對葉片的高效精準(zhǔn)定位，并在加工過程中保持足夠的系統(tǒng)剛度[16]。

2工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 定位夾緊方案設(shè)計

如圖4a所示，在空間直角坐標(biāo)系中，剛體具有6個自由度，即沿 X，Y，Z 軸的移動自由度和繞三軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)自由度，剛體的任何運動狀態(tài)都可以分解為剛體相對于基點的平動和轉(zhuǎn)動，因此，為了實現(xiàn)工件的完全定位，就必須消除這6個自由度。這一過程通常通過設(shè)置6個支承點來完成，稱為六點定位原理[13]

如圖4b所示，綜合考慮葉片葉身曲面形狀和設(shè)計原則，選取葉片葉身上定位點1、2、3來限制葉片繞 X 軸和 Z 軸的轉(zhuǎn)動自由度以及沿 Y 軸的平移自由度，選取葉片進氣邊定位點4、5來限制葉片繞 Y 軸的轉(zhuǎn)動自由度以及沿 Z 軸的平移自由度，選取葉片內(nèi)緣板上定位點6來限制葉片沿X 軸的平移自由度。通過上述定位點配置，實現(xiàn)葉片在6個自由度上的完全定位。其中，定位點1、2、4位于同一截面線上，記為定位線一；定位點3、5位于同一截面線上，記為定位線二；定位點1、2之間距離記為 H 。這三個參數(shù)即定位線一、定位線二以及距離 H 共同構(gòu)成定位方案的優(yōu)化參數(shù)。

在航空發(fā)動機精鍛葉片加工過程中，確保其穩(wěn)定性與加工質(zhì)量至關(guān)重要，因此，本文在葉片完全定位的基礎(chǔ)上設(shè)計一套由三個剛性仿形夾緊柱組成的夾緊系統(tǒng)，對葉片葉身進行夾緊。這些剛性夾緊柱頂端包覆有柔性材料，用以在施加夾緊力的同時，防止葉片葉身發(fā)生結(jié)構(gòu)變形或夾緊損傷。夾緊柱位置與葉身定位柱精確對應(yīng)，通過緊密配合，能夠有效地固定葉片，確保定位的準(zhǔn)確性。定位夾緊模型如圖5所示。

2.2 輔助支撐方案設(shè)計

根據(jù)薄壁零件的特性，夾具設(shè)計不僅需要滿足基本的定位和夾持功能，還必須能夠有效抑制由于外加載荷導(dǎo)致的過度變形[17]。在葉片榫頭的加工過程中，僅采用六點定位和葉身夾持，葉片依舊會發(fā)生較大變形。為進一步提高葉片的加工質(zhì)量，在六點定位和葉身夾持的基礎(chǔ)上，本文增加仿形元件以提供輔助支撐，旨在提高葉片的系統(tǒng)

剛度，減小葉片加工過程中產(chǎn)生的變形和應(yīng)力。

圖6所示為仿形元件模型。

柔性仿形元件材料的選取對“葉片-夾具”系統(tǒng)的性能極為重要，剛性過低會使仿形元件失去其輔助支撐的作用，過高會導(dǎo)致葉片葉身出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大局部變形?；诖?，本文選取聚氨酯（PUR）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯 （PP）和聚乙烯（PE）4種柔軟且富有彈性的柔性材料進行研究。其中PUR兼具橡膠的高彈性和塑料的高強度，綜合性能優(yōu)異[18-19]。ABS兼具韌、硬、剛相均衡的優(yōu)良力學(xué)性能，是應(yīng)用非常廣泛的聚合物[20]。PP和PE都是輕質(zhì)柔性材料，具有良好的力學(xué)性能、加工性能和化學(xué)穩(wěn)定性[21]。通過更改柔性仿形元件的材料，在葉片榫頭變形量滿足加工精度要求的基礎(chǔ)上，選取葉身應(yīng)力最小的材料作為柔性仿形元件材料。4種材料性能參數(shù)如表1所示。

2.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭硬裝夾工裝夾具如圖7所示。夾具整體主要由伺服轉(zhuǎn)臺、葉身夾具、葉根支撐三部分組成，其中伺服轉(zhuǎn)臺和葉根支撐固定安裝在底板上，并分別與機床工作臺兩端固定連接，橋板與伺服轉(zhuǎn)臺連接，葉身夾具固定安裝在橋板上。加工過程中，橋板由伺服轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，對葉片榫頭進行銑削加工。

如圖8所示，葉身夾具主要由橋板底座和底板組件兩部分組成。橋板底座被固定安裝在橋板上，其上安裝有正反牙雙向螺桿，通過旋轉(zhuǎn)雙向螺桿可以帶動定位底板和夾緊底板同時反向運動，以此來確保葉片能夠準(zhǔn)確、快速地被定位和夾緊。

如圖9所示，底板組件主要由定位底板和夾緊底板組成，通過螺紋孔與橋板底座上的正反牙雙向螺桿連接。定位底板上有剛性葉身定位柱、緣板定位柱和進氣邊定位柱。在夾緊底板上，與葉身定位柱相對安裝有葉身夾緊柱，夾緊柱頂端包覆有柔性材料，可以確保在夾緊葉片的同時，避免葉片產(chǎn)生變形和夾緊損傷。為進一步提高“葉片-夾具\"系統(tǒng)的整體剛度，在定位底板和夾緊底板上安裝柔性仿形元件，分別為葉盆壓塊和葉背壓塊，它們能夠緊密貼合葉片曲面，在切削加工過程中提供均勻的支撐力，從而提高葉片的加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

3裝夾方案仿真分析

在機械加工中，定位夾持位置的選擇和裝夾方式十分重要。合理的夾具結(jié)構(gòu)能夠有效減小加工過程中的零件自身變形，降低切削力對零件變形的影響，從而提高零件的加工質(zhì)量。本文通過建立“葉片-夾具”系統(tǒng)的有限元仿真模型來模擬葉片銑削加工，進而對裝夾方案進行優(yōu)化。

3.1 裝夾位置優(yōu)化

基于2.1節(jié)所述定位方案，利用有限元仿真對葉片榫頭的加工變形和Mises應(yīng)力進行分析，可以得到合理的定位位置，為夾具優(yōu)化提供試驗依據(jù)。精鍛葉片加工完成后，根據(jù)工藝要求，檢測截面線之間的距離。如圖4b所示，選取距離 H 、定位線一和定位線二為裝夾位置優(yōu)化方案的優(yōu)化參數(shù)，并設(shè)計試驗方案如表2所示。

以表2中第1組定位方案為例，通過逐步細(xì)化網(wǎng)格尺寸，驗證網(wǎng)格無關(guān)性。首先，將葉片模型導(dǎo)人ABAQUS平臺，并根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù)設(shè)置葉片材料屬性。其次，依據(jù)定位方案，通過輸入坐標(biāo)值，創(chuàng)建相應(yīng)的定位參考點，并將其分別投影到對應(yīng)的葉盆型面、葉背型面以及緣板處，得到最終定位點。然后，在“相互作用\"界面，將投影得到的定位點與對應(yīng)平面施加“綁定”約束，并在“載荷\"界面按照六點定位原理的約束限制，對投影后的約束點施加相應(yīng)的“位移/轉(zhuǎn)角約束”，同時，在榫頭部位施加 100N 集中力，以此模擬銑削[22]最后，基于葉片的薄壁復(fù)雜曲面特征，設(shè)置葉片網(wǎng)格類型為四面體，并采用更改網(wǎng)格尺寸控制方法來劃分網(wǎng)格[23]

仿真結(jié)果如圖10所示，在網(wǎng)格數(shù)量大于6萬時，葉片最大變形量和最大Mises應(yīng)力逐漸保持穩(wěn)定水平，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。基于上述結(jié)論，劃分葉片網(wǎng)格單元尺寸為 0.66mm ，網(wǎng)格個數(shù)為75009。裝夾位置試驗仿真結(jié)果如表3所示。

以距離 H 為唯一變量， H=6mm 的定位方案相比于 H=7mm 的定位方案，最大位移量減小 0.003～0.004mm ，最大應(yīng)力降低 0～31MPa 。這一結(jié)果表明，距離 H 的選取對葉片加工質(zhì)量有一定影響，但影響較小。以定位線一為唯一變量，截面線Ⅱ定位方案相比于截面線Ⅲ定位方案，最大位移量減小 0.159mm ，最大應(yīng)力降低 99～133 MPa 。這一結(jié)果表明，定位線一的選取對葉片加工質(zhì)量影響很大。以定位線二為唯一變量，截面線V定位方案相比于截面線V定位方案，最大位移量減小 0.001mm ，最大應(yīng)力降低 0～18MPa 。這一結(jié)果表明，定位線二的選取對葉片加工質(zhì)量影響非常小。

綜上，三個變量中，定位線一對葉片加工變形量和Mises應(yīng)力影響很大，距離 H 和定位線二影響較小。綜合考慮葉片變形量、Mises應(yīng)力分布和夾具設(shè)計尺寸，選擇如下定位方案：取截面線Ⅱ為定位點1、2、5所在的定位線一；取截面線V為定位點3、4所在的定位線二；取定位點1和定位點2之間距離 H 為 6mm 。

3.2 仿形元件材料優(yōu)化

首先，將“葉片-夾具\"模型導(dǎo)人ABAQUS軟件，根據(jù)TC11鈦合金性能參數(shù)和表1分別設(shè)置葉片和仿形元件的材料屬性。其次，依據(jù)定位方案，通過輸入坐標(biāo)值創(chuàng)建相應(yīng)的定位參考點，并將其分別投影到對應(yīng)的葉盆型面、葉背型面以及緣板處，得到最終定位點。然后，在“相互作用”界面，將投影得到的定位點與對應(yīng)平面施加“綁定”約束，將仿形元件的仿形面和對應(yīng)的葉片型面施加“綁定\"約束，并在“載荷”界面按照六點定位原理的約束限制，對投影后的約束點施加相應(yīng)的“位移/轉(zhuǎn)角約束”，在榫頭處施加 100N 集中力，在仿形元件上下表面施加壓緊力。最后，通過調(diào)整壓緊力和仿形元件材料屬性，探究不同仿形元件材料在不同壓緊力下葉片的最大變形量和最大Mises應(yīng)力。根據(jù)3.1節(jié)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，葉片和仿形元件的網(wǎng)格單元尺寸為 0.66mm 、單元類型分別為四面體和六面體為主，葉片網(wǎng)格數(shù)量為75009，葉盆仿形元件網(wǎng)格數(shù)量為4557，葉背仿形元件網(wǎng)格數(shù)量為4632。

為探究不同仿形元件材料下葉片榫頭的加工質(zhì)量，以相同受力條件下葉片最大變形量和最大Mises應(yīng)力為衡量標(biāo)準(zhǔn)，對柔性仿形元件材料進行優(yōu)化。定位底板和夾緊底板壓緊過程中，柔性仿形元件發(fā)生變形，從而緊密貼合葉片表面。為探究不同仿形元件材料對葉片加工質(zhì)量的影響規(guī)律，對葉片施加 100N 的切削力，對仿形元件表面分別施加 100N，500N，1000N，1500N，2000N 的壓緊力，得到不同材料在不同壓緊力下葉片最大變形量和最大Mises應(yīng)力，如圖11所示。

由圖11可知，在100N切削力下，增加仿形元件后，葉片最大變形量、葉身最大變形量和葉身最大Mises應(yīng)力均呈下降趨勢，變化曲線近似呈U形。因為切削力直接作用于葉片榫頭，所以葉片最大Mises應(yīng)力一直在切削力施加的榫頭區(qū)域，變化幅度相對較小，對整體分析影響不大，故可忽略不計。當(dāng)切削力為 100N ，仿形元件材料為PUR、ABS、PE時，葉片最大變形量滿足葉片榫頭 ±0.025mm 的加工精度要求。其中，在相同壓緊力工況下，材料為PUR時，葉身最大Mise應(yīng)力最小，因此，本文選擇PUR為柔性仿形元件材料。

3.3 裝夾方式優(yōu)化

為分析仿形元件的優(yōu)化效果，采用靜力學(xué)仿真，在“六點定位\"方案下，選取切削力為 100N 。由表3可知，葉片最大變形量和最大Mises應(yīng)力分別為 0.035mm.766MPa ，在ABAQUS軟件可視化界面中，隱藏榫頭部位后，得葉片葉身部位的最大變形量和最大Mises應(yīng)力分別為 0.022mm 、350MPa 。然后，在“六點定位 + 仿形壓緊\"方案下，選取仿形元件材料為PUR，切削力為 100N 更改壓緊力大小為 0～2000N ，仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，對于PUR仿形元件，壓緊力為 1200N 之后，葉片最大變形量、葉身最大變形量和葉身最大Mises應(yīng)力逐漸保持穩(wěn)定。在壓緊力為 1200N 時，葉片最大變形量由 0.035mm 降低為 0.016mm ，降幅約 54.3% ；葉身最大變形量由 0.022mm 降低為 0.01mm ，降幅約 54.5% ；葉身最大Mises應(yīng)力由 350MPa 降低為 207MPa 降幅約 40.9% 。最后，為進一步探究不同切削力下，PUR仿形元件是否能有效降低葉身的最大變形量和最大Mises應(yīng)力，在 1200N 壓緊力下，改變切削力大小為 20～200N ，得到兩種方案下葉身仿真結(jié)果，如表4所示。

從仿真結(jié)果來看，當(dāng)壓緊力為1200N、切削力分別為 20～200N 時，施加PUR仿形元件之后，葉身的最大變形量和最大Mises應(yīng)力均有所

減小，其降低百分比分別在 27.29%～53.89% 和21.77%～40.93% 。其中，切削力為 80～160N 時，優(yōu)化效果較為顯著。

在設(shè)計夾具輔助支撐部分結(jié)構(gòu)時，如果完全按照理論位置設(shè)計，可能導(dǎo)致仿形支撐力不足，難以有效發(fā)揮抑制振動和減小應(yīng)力的作用，因此，仿形元件需要有一定程度的凸起，以對葉片提供有效的仿形支撐?；谏鲜龇抡娼Y(jié)果，以切削力100N 、壓緊力 1200N 工況為例，通過ABAQUS“可視化\"界面中的“ODB場變量輸出”提取仿形元件上下平面8個角點的節(jié)點位移量，分別為0.0035mm，0.007mm，0.03mm，0.0035mm， 0.0045mm.0.0035mm.0.005mm 和 0.0045mm 。

綜上所述，在ABAQUS“載荷\"界面中，更改仿形元件上下表面的壓緊力為“位移/轉(zhuǎn)角約束”，將其下壓位移量分別設(shè)置為 0.003～0.008mm 切削力設(shè)置為 100N ，其余設(shè)置保持不變，仿真分析葉身最大變形量和最大Mises應(yīng)力，如圖13所示。由圖13可知，切削力為 100N 時，采用PUR

仿形元件且下壓位移量為 0.007mm 時，葉身最大變形量由 0.022mm 降低至 0.009mm ，降幅約59.1% ；葉身最大Mises應(yīng)力由 350MPa 降低為197MPa ，降幅約 43.7% 。兩種方案下葉片變形云圖和葉身Mises云圖見圖14。

由圖14可知，葉片在加工過程中的變形集中在榫頭部位，葉身加工應(yīng)力主要集中在榫頭與葉身交接區(qū)域。引入仿形元件進行輔助支撐后，葉片榫頭整體變形顯著減小，且變形分布更加集中，主要分布在榫頭切削點附近；葉身應(yīng)力分布更加均勻，且榫頭與葉身交接處的變形量和Mises應(yīng)力均顯著減小。

綜上所述，采用PUR仿形元件后，能夠有效減小葉片在加工過程中產(chǎn)生的變形和應(yīng)力，對提高葉片加工質(zhì)量具有積極作用。但是，因為精鍛葉片葉身具有一定的加工誤差，所以還需要進一步探究精鍛葉片的加工誤差對仿形元件使用效果的影響規(guī)律。首先，在精鍛葉片葉身處施加一個高 0.1mm 、寬 0.4mm 的弧形突起，以此來模擬加工誤差。其次，將生成的精鍛葉片誤差模型導(dǎo)入ABAQUS，并重復(fù)上述仿真流程。最后，對比葉片理論模型和誤差模型的最大變形量、最大Mises應(yīng)力以及其分布規(guī)律，以此來驗證仿形支撐的可行性。仿真結(jié)果如圖15所示。由圖15可知，在對精鍛葉片施加人為誤差控制之后，葉片最大變形量由 0.0148mm 增大至 0.0149mm ，可以忽略不計，且變形分布狀況基本保持不變；葉身最大Mises應(yīng)力由 197MPa 增大至 208MPa ，增幅僅 6% ，且應(yīng)力分布狀況基本保持不變。綜合來看，增加誤差之后，葉片變形量和葉身Mises應(yīng)力幾乎不受影響，仍然能滿足葉片榫頭的加工需求。

4工裝夾具測試

根據(jù)工裝夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真結(jié)果，設(shè)計并制造一種適用于精鍛葉片榫頭加工的硬裝夾工裝夾具，如圖16所示。為了評估該夾具性能，分別進行“葉片-夾具\"系統(tǒng)的模態(tài)測試、精鍛葉片榫頭銑削振動測試和加工精度測試。

4.1 模態(tài)測試

為了研究裝夾方案對葉片模態(tài)的影響，對“六點定位”、“六點定位 + 仿形壓緊\"兩種方案下的葉片模態(tài)設(shè)計了模態(tài)試驗。由于葉片尺寸較小、噪聲小，故激勵方法采用錘擊法。試驗采用固定傳感器，通過力錘施加激勵進行模態(tài)分析。模態(tài)測試試驗裝置如圖17所示。

力錘激勵所測得的響應(yīng)信號在頻域上的波形和峰值對應(yīng)的頻率如圖18所示，可以看出，增加PUR仿形壓緊后，頻率響應(yīng)幅值降低了約 63.87% 頻率 0～1200Hz 范圍內(nèi)，低頻段幅值降低了約50% ，頻率 1200～2400Hz 范圍內(nèi)，高頻段幅值降低了約 75% ，加裝PUR后，系統(tǒng)的整體振動幅度大大降低，系統(tǒng)的低階固有頻率有所提高。

使用頻譜圖半功率帶寬法計算阻尼比，其計算公式為

式中： f 為頻譜圖上的共振頻率； f₁?f₂ 分別為 f 左右兩側(cè)相鄰采樣點的頻率值。

根據(jù)頻譜圖半功率帶寬法公式，“六點定位”測得一階共振頻率為 210Hz ，峰值下阻尼比為17.4% ；“六點定位 + 仿形壓緊”測得的一階共振頻率為 402Hz ，峰值下阻尼比為 25.9% 。使用PUR仿形壓緊后，系統(tǒng)剛度和阻尼比顯著增大。阻尼比變大的原因主要有兩點：一是采用PUR后增大了夾具的整體質(zhì)量，從而改變了系統(tǒng)的阻尼；二是PUR這種彈性材料具有很顯著的阻尼效果。

4.2 振動測試

為進一步驗證葉片榫頭加工過程中的振動程度，進行銑削振動測試。由于葉片本身尺寸較小，傳感器很難穩(wěn)定安裝在葉片榫頭處，而且在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)上粘貼傳感器也會帶來附加質(zhì)量效應(yīng)，所以綜合考慮選用CT-220激光位移計和 CT6850 動態(tài)測試分析系統(tǒng)對振動位移信號進行采集。首先，如圖19a所示，利用網(wǎng)線連接數(shù)據(jù)采集器和計算機上安裝的動態(tài)測試分析軟件，利用信號輸入線連接數(shù)據(jù)采集器和激光位移計；然后，如圖19b所示，利用機用虎鉗固定葉身夾具，并將激光位移計固定在機床工作臺上；最后，啟動機床，待機床運行至穩(wěn)定狀態(tài)后，啟動軟件并實時記錄振動數(shù)據(jù)。其中，分別采集、記錄“六點定位\"和“六點定位 + 仿形壓緊\"兩種裝夾方案下的葉片榫頭振動數(shù)據(jù)。

考慮葉片尺寸和鈦合金性質(zhì)，選擇主軸轉(zhuǎn)速2500r/min ，進給速度 200mm/min ，切深0.15mm ，刀具選擇硬質(zhì)合金四齒銑刀，切削部分長度為 22mm ，刀具直徑為 10mm ，并選用振動位移有效值來衡量振動幅度的大小。圖20所示為試驗測得的振動位移信號。通過計算分析得出結(jié)論：增加PUR仿形元件后，振動位移信號有效值減小了 35% 。

4.3 加工精度測試

在采集葉片切削過程中的振動位移信號時，通過加工精度測試檢驗葉片榫頭加工精度，如圖

21所示。首先，去除掉柔性仿形元件后，利用虎鉗將葉身夾具固定在三坐標(biāo)工作臺上，利用海克斯康三坐標(biāo)測量儀在待加工榫頭上采點，并記錄其坐標(biāo)值；然后，待葉片在機床上加工完成，利用三坐標(biāo)測量儀進行自動采點，并記錄其坐標(biāo)值；最后，將柔性仿形元件安裝在所設(shè)計的硬裝夾工裝夾具上，重復(fù)上述步驟，并分別計算兩種裝夾方案下的加工精度。

對比加工精度測試試驗測得的加工前后的葉片榫頭坐標(biāo)點，兩者相符合的程度越高，則加工精度越高。此外，將“六點定位\"與“六點定位 + 仿形壓緊\"兩種方案下的葉片榫頭加工精度進行對比分析，可以判斷柔性仿形元件是否對提高葉片榫頭加工精度具有促進作用。本次試驗測得的葉片榫頭加工精度如圖22所示。通過計算兩種方案下的葉片榫頭加工精度誤差得出結(jié)論：“六點定位”方案下，葉片榫頭加工誤差最大值為 +0.018mm 最小值為- -0.011mm ，滿足葉片榫頭 ±0.025mm 的加工精度要求；“六點定位 + 仿形壓緊\"方案下，葉片榫頭加工誤差最大值為 +0.008mm ，最小值為 -0.004mm ，在滿足葉片榫頭加工精度要求的基礎(chǔ)上，加工誤差范圍減小約 59% ，精鍛葉片榫頭的加工精度得到進一步提高。

5結(jié)論

1）本文根據(jù)葉片的復(fù)雜曲面薄壁特點和葉片榫頭加工工藝要求，研究適用于精鍛葉片榫頭銑削的多點硬裝夾技術(shù)，設(shè)計一種硬裝夾工裝夾具，并通過柔性仿形元件提高葉片的系統(tǒng)剛度，通過正反牙雙向螺桿調(diào)節(jié)仿形元件施加的壓緊力大小，以適應(yīng)不同的加工工況。

2）以變形量和Mises應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo)，通過有限元仿真對定位夾持位置進行優(yōu)化，得到最優(yōu)定位夾持方案：截面線Ⅱ為定位點1、2、5所在定位線一；截面線V為定位點3、4所在定位線二；定位點1和定位點2之間距離為 6mm 。

3）基于有限元仿真分析，采用PUR仿形元件且仿形元件下壓位移量為 0.007mm 時，葉身最大變形量為 0.009mm ，減小約 59.1% ；葉身最大Mises應(yīng)力為 197MPa ，減小約 43.7% 。

4）通過分析模態(tài)試驗中力錘激勵的響應(yīng)信號，發(fā)現(xiàn)采用PUR仿形元件后，頻響幅值降低了63.87% ;頻率 0～1200Hz 范圍內(nèi)，低頻段幅值降低 50% ;頻率 1200～2400Hz 范圍內(nèi)，高頻段幅值降低 75% ；共振頻率由 210Hz 提高至 402Hz ;峰值下阻尼比由 17.4% 提高至 25.9% 。

5）通過振動分析試驗，發(fā)現(xiàn)采用PUR仿形元件后，銑削過程中葉片振動信號有效值減小了35% ，葉片榫頭的加工誤差范圍減小約 59% 。綜上所述，通過對PUR仿形元件施加壓緊力，有效提高了葉片的系統(tǒng)剛度和加工精度，對提高加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量具有較好的促進作用。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：張申，男，2000年生，碩士研究生。研究方向為航空發(fā)動機葉片工裝夾具設(shè)計。E-mail：zhangl80628 @ 163.com。趙兵*（通信作者），男，1982年生，副教授。研究方向為裝配工藝基礎(chǔ)理論、數(shù)字化與智能化制造。E-mail：zzipwe@126.com。

本文引用格式：

張申，梁嘉煒，吳動波，等.航空發(fā)動機精鍛葉片榫頭加工夾具設(shè)計[J].中國機械工程，2025，36（4）：703-714.

ZHANG Shen，LIANG Jiawei，WU Dongbo，etal.Design of Jigand Fixture for Machining Precision Forged Blade Tenons ofAeroengine[J].China Mechanical Engineering，2O25，36（4）：703-714.