航空发动机环形零件高精度孔位测具

□ 郭永强

中国航发动力股份有限公司 西安 710021

1 设计背景

航空发动机的结构复杂,装配要求严苛,组成航空发动机的零件大多是高精度、高形位公差产品。航空发动机上的圆环周向多孔零件结构常出现于高温部件和低温部件,分别用于通气冷却、引气、卸压。鉴于结构特点和功能要求,圆环周向多孔零件周向孔位要求极高,达到0.01 mm,孔的周向分布、角度、数量直接关系到零件的加工难度。目前,孔径测量技术比较成熟,而孔位检验则不然。如何准确检测出零件的位置度是否合格,是核心问题。由此,设计了航空发动机环形零件高精度孔位测具。

2 技术方案

设计一种航空发动机环形零件高精度孔位测具,使用一组位置度测量销进行孔位测量,用工装分度代替其余周向测量孔,以便准确、快速反映零件周向孔位的合格情况,避免检测高精度孔位给测具样件带来的制造困难和加工周期长问题。传统在产品检验时,通常使用三坐标测量仪,测量出各孔位的坐标尺寸。这种检测方法成本高,效率低,无法满足大批量产品检验的要求。由此,需要采用专用检具对孔位进行检测,检具的设计有较高要求。

所设计的航空发动机环形零件高精度孔位测具包括底板和设置在底板上的可旋转定位板。定位板用于固定待检测环形零件,当环形零件固定在定位板上时,定位板的旋转轴心线与环形零件的轴线重合。定位板一侧的底板上还设置有定位支座,定位支座上设置有用于检测环形零件孔位的测量销。

测具如图1所示,采用工装分度的方式代替其余周向测量孔,使用位置度测量销对零件进行孔位测量,由机械系统和电气系统组成。机械系统包括定位板、快换卡盘、定位支座、联轴器、转轴、转盘、底板、减速机、伺服电机、第一测量销、第二测量销、光栅尺。将环形零件安装在定位板上,实现定位和压紧。定位板通过定位片和拉钉安装在快换卡盘上,快换卡盘安装在转轴上,保证快换卡盘的中心和转轴的同轴度。转轴通过滚动轴承、止推轴承和底板连接,尽可能保证转轴的灵活转动。当伺服电机驱动减速机转动时,减速机的输出轴和转轴通过联轴器连接。光栅尺安装在转轴的锥面上,通过螺钉固定连接。光栅尺的光栅读数头安装在底板上。转轴开始旋转,光栅尺的光栅读数头读取光栅刻线数量。当刻线等同于周向孔的分布角度时,伺服电机停止运行,保持刹车状态。操作测量销进行测量,完成操作后转轴继续旋转。整个测具通过可编程序控制器进行控制,采用了高精度电气分度方式。在伺服电机运行过程中,为确保检测精度,采用光栅尺与伺服电机形成闭环控制,对计算得到的角度与光栅尺实际测量角度进行比较,根据结果调整伺服电机的脉冲输出,从而实现高精度定位。

图1 航空发动机环形零件高精度孔位测具

分度原理为可编程序控制器根据给定角度,向伺服电机发送脉冲输出命令,实现伺服电机特定角度的转动。使用安装在转盘末端的光栅尺进行分度,光栅尺可以选用圆光栅尺,利用分度原理有效避免伺服电机至转盘的所有机械误差,从而实现全闭环控制。

3 关键技术

采用高精度电气分度技术,实现高精度的测量定位。使用工装分度代替其余周向测量孔,并使用安装在定位支座上的测量销来测量,避免伺服电机至转盘的机械误差,实现全闭环控制。采用全闭环控制方式,可以使分度控制精度达到0.5″,有效提高控制精度,避免误差产生,这是传统控制方式无法达到的。

4 优点

与现有技术相比,航空发动机环形零件高精度孔位测具具有多方面优点。

(1) 通过定位板和测量块解决测具样件周向孔加工困难的问题。

(2) 通过快换卡盘和定位销的设置,实现准确、快速检测环形零件周向孔位合格情况,避免检测高精度孔位给测具样件带来的制造困难和加工周期长问题。

(3) 使用安装在转盘末端的圆光栅尺进行分度,实现全闭环控制,避免部件自身和部件间传动、安装、间隙等多种因素造成的系统性误差,分度误差可控制在2 μm,实现360°转角误差为0的分度精度要求,极大提高系统精度。

(4) 通用性强,适用范围广,可以用于任意角度的分度。

(5) 测具加工周期缩短,从现有测具的加工周期平均120 d缩短至30 d,有效提高生产效率。

(6) 避免系列规格测具的制造周期长问题,降低制造费用,节约成本。

5 结束语

针对航空发动机环形零件高精度孔位检测现状,设计了一种孔位测具,实现全闭环的高精度分度控制,使检测效率提高75%。在设计中,大大简化机构,质量更小,大幅度降低技术人员的操作难度。通过采用分度,极大提高适用性,具有适用环境多样性的特点,可推广应用于相似环形零件的高精度孔位检测。