CN86107876A - 叶片型面的力学自动定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，涉及对叶片机的叶片型面定位及保持定位状态的方法。

它用刚性定位点消除一部分自由度，在叶身上选择足够多的调整点，在调整点的法线方向15°的范围内各施加一个与调整点的位置值线性变化的力。被调整叶片在空间力系作用下，在初定位剩下的自由度范围内变化位置，直至空间力系的最后平衡。这个平衡位置，就是定位要求的位置。然后用锁紧装置把定位位置保持住。

Description

本发明属于机械加工领域，涉及对叶片型面定位及保持定位状态的方法和装置。

叶片机的叶片型面通常被设计成复杂的空间曲面，在目前生产中大都采用精锻、精轧或精铸等工艺方法获得这些复杂型面的毛坯，再以型面为定位基准加工叶片榫头或安装板。由于叶片榫头或安装板与型面之间的相对位置精度要求很严，所以型面定位是否准确，就成为保证精度的重要环节。传统的定位方法是用六个刚性定位点或相当于六个定位点的型面定位块来消除叶片的六个自由度，再用机械压紧的方法使定位状态保持下来。这种六点定位法的缺点是，第一，定位精度低，叶片型面的厚度误差和型面的相对扭转误差不可能在各定位点均摊，为减少报废，势必要求提高毛坯精度，这就使毛坯的成本增加。第二，这种方法由人工装夹，定位精度受到人为因素的影响。同时，人工夹紧，夹紧力不易控制，往往把叶片压变形或压伤。在加工时由于支承叶片的点少，抗不了切削力而变形。为了克服这三个困难通常采用叶片先用刚性的六点定位，再用低熔点合金或其他介质包容叶片，把叶片的基准转移到包容块上，最后以块来定位夹紧加工榫头或安装板。这种方法对涡轮导向器叶片或涡轮工作叶片，特别是空芯叶片用低熔点合金包容，容易受到低熔点合金的污染影响高温强度和使用寿命。第三，定位时操作者不能准确地判断定位状态是否合理，叶片是否合格。

本发明的目的是提供一种新的叶片型面定位方法和使用这种方法的专用装置，这种方法能克服传统六点定位法的缺点，使定位精度不受叶片型面厚度误差的影响，并且使叶片型面的相对扭转误差在各调整点上均摊，从而可以降低对叶片毛坯或上道工序的精度要求。本发明能克服传统的定位后机械压紧的缺点，将定位与夹紧统一起来，既是定位件又是夹紧件，避免压紧时破坏定位状态。根据加工的需要，可以在叶片的不同部位设置足够多的辅助支承点以防止加工时变形或破坏定位。本发明的专用装置迅速地自动将叶片型面调整到最佳位置并保持住，还能直接显示出定位状态，判别叶片是否合格。大大提高定位速度和定位精度。

本发明的技术解决方案是：

（1）用刚性定位点或定位型面对叶片进行初定位，消除叶片的一部分自由度，根据实际定位中调整叶片的需要，一般在初定位时消除叶片的三个自由度，按照图一规定的座标系，应消除叶片沿x轴移动的自由度σ_x、沿Z轴移动的自由度σ_z和绕Y轴移动的自由度ω_y。

（2）在叶身上选定足够多的成组的调整点，每组调整点都包括叶盆上的一点和与其对应的叶背上的一点，这两点都位于一个垂直于Z轴的调整截面内，调整点的组数不能少于六减去被刚性定位点已经消除的自由度的个数。

（3）通过与叶片上的调整点直接接触的或经杠杆转换方向后与调整点接触的传递轴向各个调整点施加一个与该调整点的位移量成线性变化的，刚度相同的、经过标准件调整的力，所有作用在叶片上的力构成一个空间力系，该力系对于标准件处在平衡状态，当被定位的叶片装入定位装置，在定位过程中，在上述空间力系的作用下，被调整的叶片在初定位后剩下的自由度范围内变化位置，直至达到空间力系的最后平衡。

（4）叶片被定位后通过锁紧装置把与被调整叶片调整点直接接触或借助杠杆接触的所有的传递轴径向锁紧，将被调整后的叶片的位置保持下来。

本发明的定位方法定位精度高，它不受叶片型面厚度误差的影响，而且能使型面相对扭转误差在各组调整点上均摊，这时叶片处在最有利于保证加工精度的位置上。使用本发明的方法可以降低对叶片毛坯或对上道工序的精度要求。一些用传统的六点定位法认为报废的叶片采用本发明的定位方法仍可以加工出合格的叶片。从而，降低了叶片的制造成本。按本发明的定位方法设计的专用装置操作简便，能迅速准确地将具有复杂型面的叶片定位，并直接显示定位状态是否合格，缩短定位时间，提高了劳动生产率。

下面以初定位后消除σ_x、σ_z、ω_y三个自由度为例结合附图对本发明的方法和装置作详细说明。

图1是规定叶片座标系示意图。

图2是选定4组调整点时定位方法示意图。

图3是选定3组调整点时定位方法示意图。

图4是依据本发明方法的一种定位装置图。

图5是图4的K向局部视图。

图6是依据本发明方法的另一种定位装置图。

图7是图6A-A剖面图。

图8是图6B-B剖面局部视图。

图9是装置P结构示意图。

按照图1规定的座标系，叶片1有六个自由度，即沿座标轴移动的三个自由度σ_x、σ_y、σ_z和绕座标轴转动的三个自由度ω_x、ω_y、ω_z。用刚性定位点对叶片初定位后，σ_x、σ_z和ω_y三个自由度被消除，只剩下σ_y、ω_x和ω_z三个自由度。依据精密定位工作积累的经验证明，调整剩下的三个自由度完全能满足定位的要求。图2给出了选定四组调整点的定位方法。带有工艺台2的叶片1由V形块3和Z轴方向定位点4作初定位。对没有工艺台2或工艺台不能作定位基准的叶片，由进气边的定位点5和Z轴方向定位点6作初定位。

初定位后要在叶身上选择足够多的调整点。必须选择垂直于Z轴的叶型截面为调整截面，一般选择两个截面，如图2中的截面7、8。两个截面的距离尽可能大一些，一般可以在叶片图给出的检验点附近选择。

在每个调整截面上选定两组调整点，它们位于Yz平面的两边，分别靠近叶片的进气、排气边缘。每组两个点，一个在叶背上，一个在叶盆上。调整截面7上有四个调整点9、10、11、12;调整截面8上有四个调整点13、14、15、16。

图3给出了选定三组调整点时的定位方法示意图。这种方法适用于要求优先保证叶片某一部分比如涡轮导向器叶片排气边精度的场合。即三组定位点选择在需要优先保证精度的地方。对于这种叶片最好选择三个调整截面，第三个截面17位于截面7和8的中央。在每个截面上只选定一组调整点，每组两个点，叶盆上一点，叶背上一点，三个截面共六个调整点。截面7和8上的调整点靠近需要保证精度的那个边缘，中间截面17上的调整点靠近另一侧边缘。

选定了调整点以后，由位移-力转换装置P向调整点施加弹性力，施力的方向与叶片上调整点法线的夹角不大于15°。

装置P由传递轴，调节螺钉、弹性元件、和位移传感器组成。弹性元件可以是圆柱弹簧、碟形弹簧或悬臂梁等。弹性元件的刚度都相同。当传递轴接触叶片型面后产生位移，压缩弹性元件，这时就有弹性力作用在叶片的调整点上。传递轴的位移量与弹性力成正比，由于传递轴的位移量直接反映了叶片的误差，因而使误差与弹性力建立了严格的比例关系。调整各个弹性力的方法是使用一个标准件，它上面含有各个调整点的规定值，调整各个装置P中的调节螺钉，使各个弹性元件给标准件的作用力相等，即处在平衡状态。当被定位的叶片装入定位装置，在定位过程中，在上述空间力系的作用下，被调整的叶片在沿Y轴移动自由度σ_y，绕x轴转动自由度ω_x和绕Z轴转动自由度ω_z上变化位置，直至达到空间力系的最后平衡。这时叶片的位置就是最佳定位位置。

锁紧装置将套在弹性套中的传递轴固定，使它变成一个刚性定位位-夹紧点，叶片的定位状态就被保持下来。

装置P上的位移传感器能感受传递轴的位移量，通过显示器加以显示，由于叶片误差，传递轴位移量，弹性力三者之间存在比例关系，所以显示的位移值既可以代表调整点的实际误差，也可以代表弹性力的大小。在定位时，根据显示值可以判别叶片定位后的最终状态是否合格。

根据本发明的方法设计的叶片型面自动定位装置，有一个开合装置，它上面安装着初定位装置，一般采用刚性定位点或定位型面构成，以消除叶片的一部分自由度，通常要消除沿x轴移动、沿Z轴移动和绕Y轴转动三个自由度。在开合装置上有力与位移成线性变化的、刚度彼此相同的经过标准件调整的位移-力转换装置P，它是向叶片施加弹性力的机构，因此它的数目必须与叶片上调整点的数目相同，它的安装位置与调整点一一对应，以使弹性力刚好施加在调整点上，它的施力方向与相应的调整点选定的方向一致，该方向与调整点的法线的夹角不大于15°。为了保持定位状态，有一个锁紧装置，能锁定装置P使之成为刚性的定位-夹紧点，使定位状态保持不变。为了抵抗机械加工时的切削力，防止其破坏定位状态，有足够数量的辅助支承器，此外还有一个监测定位状态的测量显示装置和防止污染的密封装置。

图4给出了这种定位装置一种实施例的原理图。开合装置是两个半模29、30，其中一个是固定，另一个在驱动装置带动下可以沿导轨33运动，完成合模或开模动作。驱动装置可以是气缸、油缸或电机。半模的运动方向是Y轴的方向。两半模合模后中部形成一个低熔点合金浇铸腔32（参见图5），叶片1位于该空腔中。半模29上有初定位装置消除σ_x、σ_z和ω_y三个自由度。该装置包括两个可以沿y轴移动的V型块3和一个刚性定位点4，V型块3沿Z轴方向布置其V型槽的中分面就是叶片座标的yz平面，将叶片1的工艺台2放进V型槽内，就消除了σ_x和ω_y两个自由度。定位点4固定在一个V型块3上，它可以与V型块3一起沿y轴移动。V型块3装在半模29的滑槽31内。

当叶片1没有工艺台2时，初定位装置是定在半模上的三个刚性定位棒，它们可以沿y轴移动，其中的两个棒沿Z轴方向排列，位于被定位叶片叶身型面的一个边缘，这样就消除了σ_x和ω_Y两个自由度，第三个定位棒位于叶片沿长度方向的一端，消除σ_Z这个自由度。

位移-力转换装置P由传递轴18、调节螺钉21弹性元件19和位移传感器20组成。传递轴18是一根短园轴，一端带有球形头部，调整螺钉21旋进其尾部端面的螺纹孔中，传递轴安装在贯穿半模的孔中，其球形头部接触叶片，尾部的调整螺钉21接触固定在半模上的弹性元件19和位移传感器20。安装在半模29上的装置P可以随半模运动。当合模时，装置P的传递轴18受叶片挤压分别向后移动，使弹性元件19变形产生弹性力。弹性元件有严格的位移-力转换线性，所有的弹性元件19应具有相同的刚度。旋动调整螺钉21可以改变装置P对叶片施力的大小。位移传感器20感受触头18的位移量，将该位移量转换成相应的电信号送到显示器28，显示器可以是各种形式的长度显示仪表，八个调整点的定位状态和受力情况都可以准确地显示出来。

保持定位状态的锁紧装置由套在传递轴18外面的弹性套22、管路24、油缸25、汽缸27组成，弹性套22是一个薄壁套筒，其中段的截面比两端小，它安装在半模上的贯通孔中，两端与贯通孔紧配合，形成密封，其中段外圆面与贯通孔内壁之间形成环形空腔23传递轴18插在弹性套22的内孔中。各个环形空腔23都通过管路24与油缸25相连形成封闭系统，系统内充满油。当汽缸27推动杆26进入油缸25时，使环形空腔23内油压增高，将弹性套22中段压紧在触头18外圆面上，使触头18被锁紧。气缸27带动杆26退出油缸25时，油缸容积增大，空腔23内油压减小，弹性套22将触头18松开。

该定位装置操作很简单。首先用标准件校准各个装置P，将含有各个调整点规定值的标准件放进半模由专用定位点定位，合模后根据显示器28的指示值调整螺钉21，使各调整点的指示值相同。开模取出标准件，放进叶片毛坯，合模后，叶片就自动稳定在最佳位置，根据显示器指示判定定位合乎要求后，将各装置P锁定完成定位。向空腔32中浇铸低熔点合金，固化后就可取出转入下道工序。该装置适于定位外形尺寸较小的实心叶片，比如压气机叶片等。

对于某些带安装板的叶片，比如涡轮导向器叶片或涡轮工作叶片特别是空芯叶片，用低熔点合金包容易受到污染以致影响高温强度和使用寿命，这时需要将叶片定位后直接加工安装板，为下道工序制造基准。图6是依据本发明的方法设计的，适于上述叶片定位的装置。图7是图6沿A-A截面剖视图，图8是图6沿B-B截面剖视图。

开合装置由基座34和上盖35组成，叶片1位于基座34和上盖35中间，基座34上有定位点36、37、38将叶片初定位，消除σ_x、σ_z和ω_y三个自由度，剩下ω_x、ω_z和σ_y三个自由度供调整用。上盖35一端通过轴39与基座34铰链，可以绕轴39转动，上盖35的另一端有定位平面40，手轮41将该平面压紧在定位销42上。位移-力转换装置P成对地安装在基座34上，每对中有一个直接与叶片上的调整点对应，另一个通过上盖35上的杠杆43传递与叶片上的调整点对应。位移-力转换装置P的结构如图9所示，由传递轴18，调节螺钉21、弹性元件19和位移传感器20组成。弹性元件19是ㄇ型的金属弹簧片，其中一个臂上有触头44与调节螺钉21接触，另一个臂上有带中心孔的管状螺杆45，位移传感器20固定在该螺杆的中心孔内与ㄇ型弹簧带触头的臂接触，保护套46将弹性元件和位移传感器罩住以防污损，管状螺杆45和固定螺母47将弹性元件固定在与基座相连的支板48上。传递轴18是一根短圆轴，一端带有球面的头部，调节螺钉21装在其尾部端面的螺孔上。传递轴18安装在基座的弹性套22内。其带球面的头部接触叶片或通过杠杆45传递接触叶片。传递轴18受叶片挤压分别向后移动，使弹性元件19变形产生弹性力。所有的弹性元件应具有相同的刚度。旋动调节螺钉21可以改变装置P对叶片施力的大小。位移传感器20感受传递轴的位移量并转换成电信号送到显示器28。

保持定位状态的锁紧装置由套在传递轴18上的弹性套22，管路24和提供高压油装置组成。弹性套22其中段外径比两端小、它安装在基座34的通孔中，两端与基座形成密封，其中段外圆面与基座孔内壁形成环形空腔23。各环形空腔都由管路24连接到高压油供给装置。当管路24接通150～200公斤/厘米²高压油时，使弹性套22变形抱紧传递轴，使它成为刚性点，把叶片定位状态保持下来。管路24卸压后弹性套22复原将传递轴18松开。

为了防止定位后直接加工安装板时强大的切削力破坏定位或使叶片变形，在叶片的适当部位要配置足够多的辅助支承点来抵抗切削力。在基座的两端的本体上应各安装不少于四个辅助支承器，本实施例中两端各配置八个辅助支承器。支承器由弹性套49，承力轴50，回程弹簧51，防尘罩52、辅助支承轴53、气室54、管路55和提供气压油压的装置组成。弹性套49其中段外径比两端小，它安装在基座34的通孔中，两端与基座34形成密封，其中段外圆面与壳体孔内壁形成环形油腔。各环形油腔都与管路56相连接，形成封闭系统，系统内充满油。当管路56接通150～200公斤/厘米²、高压油时，使弹性套49变形抱紧承力轴50，管路56卸压弹性套49复原将承力轴50松开。承力轴50是一端是球面或端面倾斜的台阶轴，它套在弹性套49中。回程弹簧51套在承力轴50的前端，保证支承点退出。防尘罩52一端套在支承轴53上，另一端套在支承器壳体57以防止配合面的污染。支承轴53是两端呈球面的小轴，承力轴50、弹性套49和气路板58之间形成气室54。各气室通过气路板相互连通并与管路55连接。当管路55接通2～4公斤/厘米²气压时，承力轴50在气压的推动下克服回程弹簧51的压力向前接触叶片1或通过支承轴53接触叶片。当管路55卸压后，承力轴在回程弹簧51作用下退回。

为了防止在切削加工过程中金属屑、切削液污染定位装置，有一个保护罩59将定位装置盖住，仅露出需要加工的安装板的加工面60，保护罩59和上盖35的上表面低于安装板的加工面。上盖35、保护罩59与被定位叶片1之间的间隙处用胶条或其它介质封严。

该自动定位装置的操作过程是：先用标准件校正各个装置P，将含有各个调整点规定值的标准件放入定位装置定位夹紧，标准件在定位装置中的正确位置由安装在装置中的专用定位点决定，用上盖压紧后，将标准件的六个自由度全部消除。调节装置P的调节螺钉21，使各装置P给标准件以相同的作用力，也就是位移测量系统的显示器指示在零位。取出标准件，换上待定位的叶片，上盖35用手轮41定位压紧后，叶片就自动定位在最佳位置，根据测量装置的显示器指示值判别叶片调整后是否合格。若合格，管路24接通高压源将传递轴18锁紧，而后管路55接通气源，各支承点到位、再将油路56接通高压油源将承力轴50锁住、油路、气路的顺序通断可以自动完成。用胶条或其他介质对间隙进行封严，即可加工叶片1的加工面60。

本发明的叶片型面自动定位装置，可调的灵敏度不低于0.02毫米，调整后叶片的实际位置与最佳位置之差不大于0.03毫米，重复定位误差不大于0.01毫米。

Claims (10)

1、一种叶片型面的定位及保持定位状态的方法，其特征在于：

(1)用刚性定位点或定位型面对叶片进行初定位，消除叶片的一部分自由度；

(2)在叶身上选定足够多的成组的调整点，每组调整点包括叶盆上的一点和与其对应的叶背上的一点，这两点都位于一个垂直于Z轴的调整截面上，调整点的组数，不能少于六减去被刚性定位点已经消除的自由度的个数；

(3)通过与叶片的调整点直接接触的、或经杠杆转换方向后与调整点接触的传递轴，向各个调整点施加一个与该调整点的位移量成线性变化的、刚度相同的、经过标准件调整的力，施力的方向与该调整点法线的夹角不大于15°，被调整的叶片在所有作用在该叶片上的力构成的空间力系的作用下，在初定位剩下的自由度范围内变化位置，直至达到空间力系的最后平衡；

(4)叶片被定位后，通过锁紧装置把各个传递轴径向锁紧，将叶片的位置保持住。

2、一种叶片型面定位及保持定位状态的装置，包括一个开合装置、初定位装置，其特征在于，

（1）开合装置上有由刚性定位点或定位型面构成的、消除叶片沿x轴移动，沿Z轴移动和绕y轴转动三个自由度的初定位装置;

（2）开合装置上有力与位移成线性变化的、刚度彼此相同的、经过标准件调整的位移-力转换装置P，其数量与被定位叶片上调整点的数量相同，其施力方向与相应的调整点选定的方向一致;

（3）有一个保持定位状态的锁紧装置;

（4）有一个监测定位状态的测量显示装置;

（5）有足够数量的辅助支承器;

（6）有防止污染的密封装置。

3、根据权利要求1的定位方法，其特征在于，用含有各个调整点的规定值的标准件来调整，使各装置P对标准件有相同的作用力。

4、根据权利要求2的定位装置，其特征在于，

（1）所说的开合装置是两个半模，其中一个是固定的，另一个带有驱动机构;

（2）在固定的半模上有由两块可以分别沿y轴移动、其中心在yz平面上的V型块3和固定在V型块上的定位块4组成的初定位装置;

（3）装置P分别安装在两个半模上。

5、根据权利要求2的定位装置，其特征在于，

（1）所说的开合装置包括上盖和基座，上盖35一端通过轴39与基座34铰链，另一端有定位平面40，手轮41将该平面压紧在定位销42上，上盖35和保护罩59上表面低于叶片安装板的加工面60;

（2）装置P成对地安装在基座34上，每对中有一个直接与叶片上的调整点对应，另一个通过上盖35上的杠杆43传递与叶片上的调整点对应;

（3）在基座两侧的本体上各安装着不少于四个辅助支承器。

6、根据权利要求2、4、5其中之一的定位装置，其特征在于，所说的装置P由传递轴18、调节螺钉21、弹性元件19和位移传感器20组成。

7、根据权利要求6的定位装置，其特征在于，所说的弹性元件19是一个ㄇ型金属弹簧，其中一个臂上有触头44与调节螺钉21接触，另一个臂有带中心孔的管状螺杆45，位移传感器20固定在该螺杆的孔内，与ㄇ型弹簧带触头的臂接触。

8、根据权利要求2、4、5、7其中之一的定位装置，其特征在于，锁紧装置是中段截面比两端小的弹性套筒，它安装在基座的通孔中，两端与基座密封，其中段外圆与基座孔内壁形成环形油腔，各环形油腔由管路24连接到高压油供给装置。

9、根据权利要求2、4、5、7其中之一的定位装置，其特征在于，辅助支承器由弹性套49、承力轴50、回程弹簧51、防尘罩52、辅助支承轴53、气室54、管路55、管路56和提供气压、油压的装置组成，弹性套49安装在基座34的通孔中，两端与基座34密封，其中段外圆与基座孔内壁形成环形油腔，与各环形油腔相连通的管路56和高压油源相接，各气室54与管路55相接。

10、根据权利要求9的定位装置，其特征在于，上盖35和保护罩59与叶片安装板之间的间隙，用胶条或其他介质封严。

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