涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法和夹具技术

本发明专利技术公开了一种涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法和夹具，在定位点的选择中，采用基于微分几何的夹具精度理论、定位点的形封闭准则，借助叶片型面三维模型在叶片上选取最优的五个定位点，使得在利用包括基准点在内的六个点定位时，叶片定位精度最高；在夹紧点的选择中，避开薄弱环节，将辅助夹紧点选择在刚度较好、面积较大的榫头顶端和叶片安装板上，尽量减小空心叶片叶身的受力和变形。在此基础上，设计了包括夹具主体、定位销、榫头顶端辅助夹具、叶片安装板辅助夹具构成的叶片榫头加工专用夹具。该夹具能够保证涡轮空心叶片榫头加工中的准确定位和有效夹紧，在复杂曲面空心叶片加工过程中可提高效率、降低成本和消除对人的健康危害。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于涡轮叶片加工定位方法和专用夹具设计，具体涉及一种燃气 轮机涡轮空心动叶片榫头加工的定位、夹紧方法及夹具。
技术介绍
燃气轮机是一种将气体或液体燃料(如天然气、燃油)燃烧产生的热能 转化为机械功的旋转式叶轮动力机械装置，广泛应用于能源、航空、交通、 国防等领域，是适应我国能源结构调整和航空工业发展的关键重大装备。高温涡轮叶片处于燃气轮机中温度最高(140(TC以上)、应力最复杂、环境最 恶劣的部位，其价值占产品整机的近50%，是燃气轮机中的关键部件。采用 冷却叶片结构是提高燃气轮机效率的最有效措施，目前涡轮高温级动叶片多 采用叶身内部有异型孔冷却通道、叶身表面上尤其是在进气边开有密布小孔 的冷却结构形式。由于叶身曲面比较复杂而且整体中空，如何保证叶片机械 加工中的准确定位和合理夹紧也就成为确保叶片在高温、高速旋转等恶劣环 境下使用寿命的关键。目前，在叶片榫头的加工中，发动机生产厂家大都沿袭一种加工生产方 式即采用低温合金包容箱型夹具对复杂曲面的叶片进行加工。该工艺根据 经验选定叶片上的定位点，采用箱型夹具定位叶片后，将低熔点合金灌入箱 体与叶片之间的空隙，形成一个整体，利用箱体规则的外形进行夹紧和加工， 这样就在避免了叶身受力同时达到精确加工的目的。利用低温合金包容箱型 法进行叶片榫头加工有很多优点，例如定位准确、加工过程对加工力无特殊 要求、夹持稳定。但是，其缺点也是显而易见，由于使用的低熔点合金对人 体具有毒性，长期下来对操作工人的健康损害很大。同时，低温合金包容箱 型夹具加工效率比较低、生产周期比较长、成本非常高，制约了叶片大规模加工生产。
技术实现思路
为了克服现有低温合金包容箱型法所存在的不足，本专利技术提出了一种新 的涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法和夹具。这种方法基于微分几何的夹 具精度理论、定位的形封闭理论，选取榫头加工时叶片定位精度最高五个定 位点，将辅助夹紧点选择在榫头顶端和叶片安装板侧面，使得榫头加工时叶 片定位精度和受力变形同时得到控制，并在此基础上设计了涡轮空心叶片榫 头加工专用夹具。为达到以上目的，本专利技术是采取如下技术方案予以实现的 一种涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法，包括叶片型面定位点的选择 和根据所选定位点进行叶片型面定位夹紧及叶片榫头顶端和叶片安装板的辅 助夹紧；其中，叶片型面定位点的选择，首先在叶片安装板叶片上面一侧选择一个第五定位点作为基准点，然后利用给定的叶片型面设计数据，建立叶片定位点的精度约束数学模型；得到选取定位点的点集空间，然后确定基于 位置精度最好的定位点选择优化准则；再根据定位点的形封闭要求确定优化 约束条件；最后优化选取并确定叶片型面的五个定位点上面的第一至第四 定位点和下面的第六定位点；根据所确定的第一到第六定位点来相应安排夹 具主体上的第一到第六定位销，使得六个定位销圆头分别位于叶片第一到第 六定位点的法线方向，确保叶片放入并与定位销相接触后，定位销垂直于叶 片定位点切平面；夹具主体上设置定位销位于远离叶片榫头的叶片顶端，并 在叶片榫头端面采用与夹具主体分离的榫头端面辅助夹具将叶片左右夹紧； 在叶片安装板上下两侧采用与夹具主体连为一体的安装板辅助夹具实现叶片 上下方向夹紧。上述方法中，所述叶片型面定位点的选择采用如下具体步骤 第一步，根据工件位置误差与定位点误差关系，即定位点与工件接触点 的法向量为",，接触点坐标为《，则由工件任意点的位置扰动^ = {尿朋}带来的定位点的位置误差为多'=^*，其中;^-k(《x"^为定位点位置向量；因此，具有/个定位点的夹具的精度约束，即定位点的位置误差可以表 述为* = 其中^ = {^，^2，...，^}， 0 = 为定位点位置矩阵，每一个定位点位置矩阵G对应一个给定的夹具定位点分布；第二步，叶片模型中提供了叶片表面特征点的位置坐标，利用双三次B 样条对特征点的位置坐标进行拟合，得到B样条表述的叶片型面控制节点；根 据得到的B样条曲面控制节点，计算叶片表面特征点的法向量，从而得到选取 定位点的点集空间gH^巧](B/《AO;第三步假设每个定位点的误差服从正态分布^"W(G，、)，其中 V,diag队《…W，定位点的位置方差矩阵为V:Var (A)-(GVy"GT)-1，令贝lj使工件的位置精度最好的条件为max(de");由于各定位元件的材 料特性相同，因此不同定位点的永服从相同的分布&aA^0,K)，则有v = (gv;'gV = (gW)-1 ，」=r-' = = ，因此工件位置精度最好的优化准则为max(det"-max(det(GGO);第四步对于给定的夹具定位点位置矩阵G-，当工件上作用 任意外力时，夹具定位点位置不改变，而且在每一个定位点上作用有法向正力，则这种状态下的定位点位置矩阵G-[V^…,W就满足形封闭。则在定位点位置矩阵G中任意选一个位置向量^，沿其法向施加任意外力，对于所有 hj，"'--l^A-ih。应满足a'》0;第五步在叶片型面特征点的点集空间gK《W (BKiV)中，以 max(detJ)为优化准则，在约束条件"'> G下优化选取具有最高精度的五个定 位点，具体步骤如下a. 初始化，计算已经确定的叶片安装板上定位点的位置向量h。，并计算 点集经=(1"、W)中所有N个点的方向向量，对定位点位置矩阵G。 初始化；得到G。-0。/^ ...~}，其中h。为已经确定的定位点，计算对应的A。和 A。、则在定位点位置矩阵G。中任意选一个位置向量^，沿其法向施加任意 外力，对于给定的h, (BKiV)，计算",-hiTA。"h。，并令* = ^;b. 如果存在不满足形封闭的定位点，则在这些点中删除使得 p厂h/Am"hj (w-iV-;O最小的点j;如果所有的定位点都满足形封闭条件，则直接删除使P,hjTA:'hj(W = AT-*)最小的定位点j，并令""l;C.将点集重新排序，新点集变为&=(B^A)，更新Gra y/2。/j,…;u、 Am、 Am"和"i =-hjT Ajhe (w-w-;n，再重复步骤b，如此反复，直到* = 5。一种实现前述方法的夹具，包括夹具主体，其特征在于，夹具主体上连接有实现叶片上下方向夹紧的安装板辅助夹具；夹具主体上设置有相应叶片第一到第六定位点的第一到第六定位销，使得六个定位销圆头分别位于叶片 第一到第六定位点的法线方向，确保叶片放入并与定位销相接触后，定位销垂直于叶片定位点切平面；夹具主体上还设置有夹紧销，该夹紧销和一个与 夹具主体分离的榫头端面辅助夹一起将叶片左右夹紧。上述夹具方案中，所述叶片的榫头端面辅助夹具和安装板辅助夹具均设 有可调节及自适应接触设计的辅助夹件，该辅助夹件包括头部和杆部，头部 的上平面与工件接触，内部平面与杆部顶端的球面相接触。所述杆部设有螺 纹，可与叶片的榫头端面及安装板附助夹具配合实现位置调整。本专利技术的优点是提出基于微分几何的夹具精度理论、定位点的形封闭 约束条件，借助叶片型面三维模型在叶片上选取最优的五个定位点，使得利 用包括基准点在内的六个定位点定位时，叶片的定位精度最高；在夹紧点的 选择中，尽量避开薄弱环节，将辅助夹紧点选择在榫头顶端和叶片型面与榫 头过渡部的叶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮空心叶片榫头加工定位夹紧方法，其特征在于，包括叶片型面定位点的选择和根据所选定位点进行叶片型面定位夹紧及叶片榫头顶端和叶片安装板的辅助夹紧；其中，叶片型面定位点的选择，首先在叶片安装板叶片上面一侧选择一个第五定位点作为基准点，然后利用给定的叶片型面设计数据，建立叶片定位点的精度约束数学模型；得到选取定位点的点集空间，然后确定基于位置精度最好的定位点选择优化准则；再根据定位点的形封闭要求确定优化约束条件；最后优化选取并确定叶片型面的五个定位点：上面的第一至第四定位点和下面的第六定位点；根据所确定的第一到第六定位点来相应安排夹具主体上的第一到第六定位销，使得六个定位销圆头分别位于叶片第一到第六定位点的法线方向，确保叶片放入并与定位销相接触后，定位销垂直于叶片定位点切平面；夹具主体上设置夹紧销位于远离叶片榫头的叶片顶端，并在叶片榫头端面采用与夹具主体分离的榫头端面辅助夹具将叶片左右夹紧；在叶片安装板上下两侧采用与夹具主体连为一体的安装板辅助夹具实现叶片上下方向夹紧。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梅雪松，姜歌东，陶涛，王恪典，王文君，杨帆，刘志会，王煜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]