转子叶片外径组合加工方法研究

陈大丽 李明

摘 要:航空发动机是一种特殊的高科技产品,航空动力技术已经成为一个国家科技水平的重要标识之一。发动机的四大转子叶片外径要求在组合状态下进行加工,且要求在工作状态下进行,即转子高速旋转叶片完全甩开的情况下得到叶片外径尺寸。传统的加工方法采用外圆磨床或普通车床改制的磨床,利用模拟盘螺栓顶紧叶片底面或在叶片底面塞塞片的方法将叶片固定到工作位置的方法来模拟叶片甩开的状态。本文主要从叶片的不同结构出发,总结其叶片外径的加工方法,重点针对叶片与轮盘底面间隙较大的叶片外径加工方法进行创新,设计一种涨紧装置将转子叶片涨紧以模拟叶片的工作状态。此种涨具应用于各类转子叶片的外径加工,可作为一种通用的工装工具加以推广。

关键词:转子叶片组合加工工作状态

中图分类号:TK411 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0064-01

1叶片的加工方法

发动机转子装配过程中,叶片外径尺寸都要进行组合加工,且要求模拟工作状态即叶片外撑状态下加工。

传统的叶片外径加工方法有以下两种:

(1)将叶片装配到模拟盘上,模拟盘榫槽底面穿螺栓顶叶片榫头底面的方法,这种加工方法适用于叶片榫槽底面和轮盘榫槽底面间隙较大的情况,且叶片不带冠的叶片。模拟盘榫槽形状、数量和盘的外径尺寸与真盘相同,在模拟盘榫槽的底部加工螺纹孔,将一台叶片装配到模拟盘上后,调整螺栓长度使螺栓头顶紧叶片底面,将叶片顶到工作状态后进行加工。设计和加工模拟盘周期长,难度大,成本高,且螺栓接触面小,在将叶片上顶过程容易将叶片顶倾斜,且倾斜的方向因装配位置的差异而不定,到解除限制或重新装配顶紧状态下,叶片外径尺寸有不同程度变化,随着测量位置的不同叶片外径也有变化。现阶段研制型号特别多,技术状态变化大,每个型号有几级盘,每级配个模拟盘,工艺准备周期长,生产成本高,且一旦轮盘、叶片尺寸结构发生改变,模拟盘就会报废,造成很大的浪费。

(2)将叶片装配到真盘上,在盘榫槽底面和叶片榫头间塞塞片的方法。这种方法适用于盘榫槽与叶片榫头间间隙较小的情况。这种方法需要设计专用夹具,将装上叶片的盘通过夹具装配到机床上才能加工。将叶片装配到轮盘上后,可以从轮盘两面塞入塞片,但如叶片没有轴向限位结构,从轮盘两面都可以插入,从一个方向塞入寒片就容易将叶片顶到另一面,所以一般是将叶片装到轮盘上后,将盘片组件装到夹具上,将叶片一面轴向限位后,从另一面塞入塞片将叶片顶到工作位置,但这样也存在将叶片顶倾斜的问题,造成叶片外径在限制状态下自由状态下或重新限位后会有一定偏差。专用夹具的设计和制造与模拟盘相比要容易很多,制造成本也较低,所以这种方法在转子叶片的外径加工过程中广泛应用。

转子叶片外径加工过程中还涉及叶片的切向和周向活动量的限制及叶片表面的保护,因有些叶片是空心的叶身上有气膜孔,为避免加工过程中的磨屑和砂粒进入气膜孔或打伤叶片表面,对叶片表面要进行保护,对于没有气膜孔的叶片保护比较简单,只要将叶身用牛皮纸包裹好,叶尖露出2-3mm即可。对于有气膜孔的叶片保护就比较麻烦,将整个叶身用牛皮纸包裹好,用白胶布粘牢,叶尖有盖板,盖板上面也有孔,所以也要保护,用胶布整个绕过整台叶片叶尖,这样将叶片整个包裹起来,在进行磨削时,将叶尖磨削部位的胶布磨断,断裂的胶布刚好落到盖板上,起到保护盖板气孔的作用。压气机叶片一般都是实心无气膜孔且不带叶冠的,材料多为钛合金,所以叶身保护就采用牛皮纸包裹,以保护叶片防止叶片烧伤。叶片外径加工通过模拟盘螺栓顶紧或塞塞片将叶片顶起,径向和周向活动量采用缠绕橡胶绳的方式固定。高压涡轮叶片多为空心且叶身带气膜孔的,材料为高温合金,叶身和叶尖多要用牛皮纸和胶布进行保护,因涡轮盘榫槽多枞树型,加工难度非常大,多采用专用夹具在真盘上磨叶片外径,叶片底面塞塞片将叶片顶到工作状态,叶片的切向和周向活动量通过在两片叶片间塞橡胶材料的符合叶片型面的楔块来限制。低压涡轮叶片多为无气膜孔但带叶冠的,因叶片逐片咬合,整台叶片装配好后,叶片几乎没有活动量,所以不必缠绕橡胶绳或塞楔块。

2叶片顶紧工装的研究

为解决使叶片处于工作状态进行加工的问题,特设计了采用真盘进行加工的叶片工作状态涨具,采用机械涨紧的方式,将涨具装到轮盘榫槽底部,转动偏心轴顶紧每个叶片,涨具与叶片榫头接触面在80%以上,保证不将叶片顶斜,涨紧的范围可依据叶片与轮盘的间隙调整,保证叶片处于工作状态。这对于轮盘榫槽与叶片榫齿其在各型号转子叶片外径组合加工中得到广泛应用,既节约成本,又保证了叶片外径加工的准确性。

经研究轮盘和叶片装配图纸,发现叶片榫头底面和轮盘榫齿底部有5mm左右的间隙,叶片装到轮盘榫槽中后,上下有活动量,要模拟工作状态就要将此活动量消除,将叶片固定到向上位置以模拟叶片工作时在高速旋转下甩开的状态,同时保证叶片不倾斜,如采用从一个方向插塞片的方式,容易将叶片顶斜,从两个方向插塞片因有挡板无法实现,所以必须设计一种新结构的夹具来保证此项技术要求,于是设计了一种放在叶片和轮盘间隙处的涨具。此种涨具采用偏心轴结构设计,只需将其放到轮盘和叶片底面的缝隙中,用扳手转动涨具端头螺柱的方型扳头,由于侧面的限位螺钉,导致侧向旋扭力转至上下轴向作用力,从而移动偏心轴,依托滑块将叶片顶起涨紧至工作位置,操作十分简便。通过滑块的上下位移,可实现一定范围间隙的不同转子叶片涨紧。如果间隙较大,已超出涨具的行程,则可在涨具下垫上合适厚度的铜垫临时使用,保证工艺技术要求。这种涨具应用非常广泛,前景广阔。

下面结合图纸作简要说明和概括:

此涨具由涨具主体和扳手两个部件组成,涨具由1、支框(45#钢);2、偏心轴(45#钢);3、滑块(45#钢);4、螺钉组成。其中关键在于4号件螺钉,别看它在整个工装结构中并不起眼,但是作用却是十分显著。它顶在旋转轴上,限制住轴在水平方向上的滚动,迫使轴在旋转力的作用下只能进行垂直上下运动,从而有效地顶紧转子叶片榫头,实现叶片涨紧,模拟工作状态进行加工。

详尽阐述:No.1支框为方便安装在轮盘树状冠齿槽内设计成两侧带度面的结构,在支框中心位置设置滑块限位槽,槽两侧纵向贯穿偏心轴孔。它是基本的限位装置,也是主要的承力和传导部件。

No.2偏心轴是主要传动部件,其两端轴分别插入支框,中心轴是偏心部位,通过它的转动,在限位螺钉的作用下,迫使其只能上下轴向运动,从而带动滑块轴向运动。完成叶片的涨紧和恢复自由状态。

No.3滑块的结构较为简单,只是中心部位开一椭圆形槽,使偏心轴能够在其中左右活动,当轴顶靠至侧方限位螺钉时,轴的左右活动即停止,转为上下运动。

3结语

此工装通用性强,适用范围较广,有效保证叶片处于工作位置加工,避免叶片因径向串动,产生加工误差,造成叶片因加工尺寸超差,为其他研制型号类似结构转子装配奠定了基础,拓展了思路。