涡轮工作叶片的加工方法

摘要

本发明公开了一种涡轮工作叶片的加工方法，包括以下步骤：a、统一涡轮工作叶片毛坯与涡轮工作叶片毛坯机加工的定位基准；b、对涡轮工作叶片毛坯进行固定定位，并依据定位基准进行加工；c、磨削加工形成涡轮工作叶片的榫齿，以加工好榫齿进行定位，加工涡轮工作叶片的上缘板、下缘板以及叶冠的锯齿；d、加工后的涡轮工作叶片进行热处理和喷丸，形成成型的涡轮工作叶片。将机加与毛坯基准统一，实现的毛坯模具的定位点和机加榫齿定位点一致，消除了基准不统一的误差，减少了基准转化的次数，提高了转换精度，达到设计的叶型位置度要求；提高加工后建立基准而评价的坐标位置度的精度。适用于航空发动机涡轮工作叶片的工艺装备及制造。

权利要求

1.一种涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：a、统一涡轮工作叶片毛坯(14)与涡轮工作叶片毛坯(14)机加工的定位基准；

所述步骤a中定位基准的确定具体步骤如下：

在涡轮工作叶片的叶片进气边以及叶片排气边两个方向的板缘向内2mm-5mm处分别确定A1点和A2点，且A1点和A2点分别向端部位置选取以增加两点之间的距离，以A1点和A2点确定坐标的X轴方向；

以X轴为基础，并依据涡轮工作叶片毛坯(14)的加工实体得出Y轴方向和Z轴方向，从而建立立体坐标系；

b、对涡轮工作叶片毛坯(14)进行固定定位，并依据定位基准进行加工；

c、磨削加工形成涡轮工作叶片的榫齿，以加工好榫齿进行定位，加工涡轮工作叶片的上缘板、下缘板以及叶冠的锯齿；

d、加工后的涡轮工作叶片进行热处理和喷丸，形成成型的涡轮工作叶片。

2.根据权利要求1所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，所述步骤c的具体加工步骤为：

加工涡轮工作叶片的叶盆下缘板的两斜面、加工叶背下缘板的两斜面以及加工叶冠的两锯齿。

3.根据权利要求1所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，在X轴上截取涡轮工作叶片毛坯(14)的叶尖截面，取叶尖截面的背弧面切线最高点作为A3点；

A3点处于背弧公差带的中间位置，以使背弧的理论曲线落在背弧公差带内，从而保证加工精度。

4.根据权利要求3所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，在涡轮工作叶片进气边方向的上缘板中间位置以及下缘板中间位置分别选取B1点和B2点；

B1点和B2分别在所处位置高度方向的缘板厚度中心。

5.根据权利要求4所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，在涡轮工作叶片下缘板排气边方向上周边空间最大的区域选取一点作为C1点；

以C1点作为径向基准，用于后续机加工夹具定位销支靠。

6.根据权利要求5所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，根据涡轮工作叶片毛坯(14)尺寸选择五点一线；

以A1点、A2点和A3点限制涡轮工作叶片毛坯(14)Y轴的移动以及XY平面和YZ平面的转动；

以B1点和B2点限制X轴的移动以及XZ平面的转动；

以C1点限制Z轴的移动。

7.根据权利要求6所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，以A1点、A2点、B1点、B2点、C1点的五点以及叶尖截面背弧线的一线作为涡轮工作叶片毛坯(14)与涡轮工作叶片毛坯(14)机加工的定位基准。

8.根据权利要求7所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，磨削榫齿时，保证磨出来的榫齿相对叶型中心的位置度关系在XY坐标平面±0.28mm；

磨削叶冠的锯齿时，保证锯齿的尺寸相对榫齿建立的坐标系基准位置度±0.02mm；

磨削榫齿以及磨削叶冠的锯齿均为缓进给磨削。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮工作叶片的加工方法，其特征在于，加工榫齿时的装夹夹具包括夹具本体(1)、用于固定涡轮工作叶片毛坯(14)各个定位基准点的压头(2)、用于夹紧涡轮工作叶片毛坯(14)的压紧螺钉(3)以及用于微调各个定位基准点的调节机构(4)；

加工叶身时的装夹夹具包括固定底座(5)，固定底座(5)上设有用于夹持榫齿的夹头(6)、用以从涡轮工作叶片毛坯(14)底部支撑涡轮工作叶片毛坯(14)的支撑件(7)、用于从涡轮工作叶片毛坯(14)侧向固定涡轮工作叶片毛坯(14)的钢带(8)以及与夹头(6)相对布置并顶抵于涡轮工作叶片毛坯(14)的叶冠锯齿端的挡销(9)；

榫齿加工完毕后的装夹夹具包括固定平台(10)、设于固定平台(10)上并用于支撑涡轮工作叶片毛坯(14)的支架(11)、通过滚棒(12)夹持于榫齿的齿槽内的齿槽夹(13)。

说明书

涡轮工作叶片的加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空发动机工艺装备及制造技术领域，特别地，涉及一种涡轮工作叶片的加工方法。

背景技术

[0002] 新型的发动机叶片在提高发动机性能的同时也为加工技术带来了新的难题。机械加工中叶型位置度、安装角、叶冠锯齿等尺寸互相关联，精度高，很难得以完全合格。其中重要因素为精密定位难，从毛坯到机加多次转换后累积误差已经超过了叶片本身的精度要求，这些成为现阶段制约产品质量与合格率的关键因素。

[0003] 新型的发动机叶片设计结构复杂，叶身为空间曲面，榫齿为枞树型结构，叶冠带有复杂的锯齿形。另外，较以往加工的同类动力涡轮工作叶片榫齿的跨棒尺寸减少了一半，长度确增加了一倍，叶型的厚度也大幅减薄。这种小榫齿，长薄壁的特点为后续机械加工、检测带来了新的挑战。毛坯本身为叶身无余量精密铸造件，其中机加部位主要有榫齿、榫头两端面、缘板四侧面、叶盆、背两侧锯齿。

[0004] 现有涡轮工作叶片加工方法：先加工叶片的上、下两处缘板，一是将毛坯叶型基准转化到机加缘板上，二是加工出方便定位的上、下方形缘板，以方便夹持进一步加工最终的零件基准(装配基准)榫头榫齿。再以加工好的榫齿来定位再次加工下缘板斜面尺寸和叶冠锯齿，完成最终的零件叶型位置度尺寸和叶冠尺寸。加工缘板方法为以选用的毛坯叶身四个理论点做测量点，磨削上、下缘板面用专用测具和标准件比对测得至四个测量点量值。

[0005] 现有技术的缺点是：该方法工序繁琐、效率低；毛坯与机加基准不统一，需要逐个叶片测量、计算和调整，精度低；基准需要两次转换造成累积误差大，机加后尺寸易超差。该加工方法容易受到实际叶型轮廓的影响，为了保证当量，需要将安装角进行角度调整。叶片毛坯基准转换至缘板上，然后再从缘板上转换至榫齿，基准转换累积误差远超过机加本身要求精度。所以实际加工中往往是毛坯基准检查零件合格，当量加工中测得零件合格，榫齿磨削后以最终精基准检测叶型位置度与安装角却超差。在三坐标计量检测时以榫齿两侧滚棒定位建立中心Z轴，由于榫齿本身存在不大于0.01错移，此误差严重影响长薄壁叶片Z轴建立的准确性。假设两边榫齿错移为极限状态0.01，这样Z轴在叶尖位置与真实的Z轴位置偏差达0.22，见4.1.2详细说明。所以传统单独用榫齿建立坐标基准的方法就不在适用。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种涡轮工作叶片的加工方法，以解决现有涡轮工作叶片加工方法，存在位置度与安装角超差的问题，榫齿错移对叶型基准存在错误判定的技术问题。

[0007] 本发明提供一种涡轮工作叶片的加工方法，包括以下步骤：a、统一涡轮工作叶片毛坯与涡轮工作叶片毛坯机加工的定位基准；b、对涡轮工作叶片毛坯进行固定定位，并依据定位基准进行加工；c、磨削加工形成涡轮工作叶片的榫齿，以加工好榫齿进行定位，加工涡轮工作叶片的上缘板、下缘板以及叶冠的锯齿；d、加工后的涡轮工作叶片进行热处理和喷丸，形成成型的涡轮工作叶片。

[0008] 进一步地，步骤c的具体加工步骤为：加工涡轮工作叶片的叶盆下缘板的两斜面、加工叶背下缘板的两斜面以及加工叶冠的两锯齿。

[0009] 进一步地，步骤a中定位基准的确定具体步骤如下：在涡轮工作叶片的叶片进气边以及叶片排气边两个方向的板缘向内2mm-5mm处分别确定A1点和A2点，且A1点和A2点分别向端部位置选取以增加两点之间的距离，以A1点和A2点确定坐标的X轴方向；以X轴为基础，并依据涡轮工作叶片毛坯的加工实体得出Y轴方向和Z轴方向，从而建立立体坐标系。

[0010] 进一步地，在X轴上截取涡轮工作叶片毛坯的叶尖截面，取叶尖截面的背弧面切线最高点作为A3点；A3点处于背弧公差带的中间位置，以使背弧的理论曲线落在背弧公差带内，从而保证加工精度。

[0011] 进一步地，在涡轮工作叶片进气边方向的上缘板中间位置以及下缘板中间位置分别选取B1点和B2点；B1点和B2分别在所处位置高度方向的缘板厚度中心。

[0012] 进一步地，在涡轮工作叶片下缘板排气边方向上周边空间最大的区域选取一点作为C1点；以C1点作为径向基准，用于后续机加工夹具定位销支靠。

[0013] 进一步地，根据涡轮工作叶片毛坯尺寸选择五点一线；以A1点、A2点和A3点限制涡轮工作叶片毛坯Y轴的移动以及XY平面和YZ平面的转动；以B1点和B2点限制X轴的移动以及XZ平面的转动；以C1点限制Z轴的移动。

[0014] 进一步地，以A1点、A2点、B1点、B2点、C1点的五点以及叶尖截面背弧线的一线作为涡轮工作叶片毛坯与涡轮工作叶片毛坯机加工的定位基准。

[0015] 进一步地，磨削榫齿时，保证磨出来的榫齿相对叶型中心的位置度关系在XY坐标平面±0.28mm；磨削叶冠的锯齿时，保证锯齿的尺寸相对榫齿建立的坐标系基准位置度±0.02mm；磨削榫齿以及磨削叶冠的锯齿均为缓进给磨削。

[0016] 进一步地，加工榫齿时的装夹夹具包括夹具本体、用于固定涡轮工作叶片毛坯各个定位基准点的压头、用于夹紧涡轮工作叶片毛坯的压紧螺钉以及用于微调各个定位基准点的调节机构；加工叶身时的装夹夹具包括固定底座，固定底座上设有用于夹持榫齿的夹头、用以从涡轮工作叶片毛坯底部支撑涡轮工作叶片毛坯的支撑件、用于从涡轮工作叶片毛坯侧向固定涡轮工作叶片毛坯的钢带以及与夹头相对布置并顶抵于涡轮工作叶片毛坯的叶冠锯齿端的挡销；榫齿加工完毕后的装夹夹具包括固定平台、设于固定平台上并用于支撑涡轮工作叶片毛坯的支架、通过滚棒夹持于榫齿的齿槽内的齿槽夹。

[0017] 本发明具有以下有益效果：

[0018] 本发明涡轮工作叶片的加工方法，将机加与毛坯基准统一，实现的毛坯模具的定位点和机加榫齿定位点一致，消除了基准不统一的误差，这样就将以往的毛坯检查—零件加工—零件检查过程中的三套基准坐标系简化为毛坯检查、加工两套基准坐标系，减少了基准转化的次数，提高了转换精度，达到设计的叶型位置度要求；以毛坯测量基准定位装夹叶片，直接加工榫齿；以榫齿定位夹紧，加工进、排气边榫头端面与榫齿顶部；以榫齿定位加夹紧，加工下缘板各面；以榫齿定位加夹紧，加工叶冠锯齿，实现了榫齿与叶冠、榫齿与叶身的位置关系的准确确定，提高加工后建立基准而评价的坐标位置度的精度，控制在理论位置的0.28mm以内。适用于航空发动机涡轮工作叶片的工艺装备及制造。

[0019] 除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

[0020] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0021] 图1是本发明优选实施例的涡轮工作叶片的加工方法的结构框图；

[0022] 图2是本发明优选实施例的涡轮工作叶片毛坯的结构示意图；

[0023] 图3是本发明优选实施例的五点一线建立的结构示意图之一；

[0024] 图4是本发明优选实施例的五点一线建立的结构示意图之二；

[0025] 图5是本发明优选实施例的加工榫齿时的装夹夹具的结构示意图；

[0026] 图6是图5的左视图；

[0027] 图7是图5的后视图；

[0028] 图8是本发明优选实施例的加工叶身时的装夹夹具的结构示意图；

[0029] 图9是本发明优选实施例的加工榫齿时的装夹夹具的结构示意图；

[0030] 图10是图9的后视图。

[0031] 图例说明：

[0032] 1、夹具本体；2、压头；3、压紧螺钉；4、调节机构；5、固定底座；6、夹头；7、支撑件；8、钢带；9、挡销；10、固定平台；11、支架；12、滚棒；13、齿槽夹；14、涡轮工作叶片毛坯。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0034] 图1是本发明优选实施例的涡轮工作叶片的加工方法的结构框图；图2是本发明优选实施例的涡轮工作叶片毛坯的结构示意图；图3是本发明优选实施例的五点一线建立的结构示意图之一；图4是本发明优选实施例的五点一线建立的结构示意图之二；图5是本发明优选实施例的加工榫齿时的装夹夹具的结构示意图；图6是图5的左视图；图7是图5的后视图；图8是本发明优选实施例的加工叶身时的装夹夹具的结构示意图；图9是本发明优选实施例的加工榫齿时的装夹夹具的结构示意图；图10是图9的后视图。

[0035] 如图1所示，本实施例的涡轮工作叶片的加工方法，包括以下步骤：a、统一涡轮工作叶片毛坯14与涡轮工作叶片毛坯14机加工的定位基准；b、对涡轮工作叶片毛坯14进行固定定位，并依据定位基准进行加工；c、磨削加工形成涡轮工作叶片的榫齿，以加工好榫齿进行定位，加工涡轮工作叶片的上缘板、下缘板以及叶冠的锯齿；d、加工后的涡轮工作叶片进行热处理和喷丸，形成成型的涡轮工作叶片。本发明涡轮工作叶片的加工方法，将机加与毛坯基准统一，实现的毛坯模具的定位点和机加榫齿定位点一致，消除了基准不统一的误差，这样就将以往的毛坯检查—零件加工—零件检查过程中的三套基准坐标系简化为毛坯检查、加工两套基准坐标系，减少了基准转化的次数，提高了转换精度，达到设计的叶型位置度要求；以毛坯测量基准定位装夹叶片，直接加工榫齿；以榫齿定位夹紧，加工进、排气边榫头端面与榫齿顶部；以榫齿定位加夹紧，加工下缘板各面；以榫齿定位加夹紧，加工叶冠锯齿，实现了榫齿与叶冠、榫齿与叶身的位置关系的准确确定，提高加工后建立基准而评价的坐标位置度的精度，控制在理论位置的0.28mm以内。适用于航空发动机涡轮工作叶片的工艺装备及制造。

[0036] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本实施例中，步骤c的具体加工步骤为：加工涡轮工作叶片的叶盆下缘板的两斜面、加工叶背下缘板的两斜面以及加工叶冠的两锯齿。

[0037] 如图1、图2和图3所示，本实施例中，步骤a中定位基准的确定具体步骤如下：在涡轮工作叶片的叶片进气边以及叶片排气边两个方向的板缘向内2mm-5mm处分别确定A1点和A2点。A1点和A2点分别向端部位置选取以增加两点之间的距离，以A1点和A2点确定坐标的X轴方向。以X轴为基础，并依据涡轮工作叶片毛坯14的加工实体得出Y轴方向和Z轴方向，从而建立立体坐标系。

[0038] 如图1、图2和图4所示，本实施例中，在X轴上截取涡轮工作叶片毛坯14的叶尖截面，取叶尖截面的背弧面切线最高点作为A3点。A3点处于背弧公差带的中间位置，以使背弧的理论曲线落在背弧公差带内，从而保证加工精度。

[0039] 如图1、图2和图3所示，本实施例中，在涡轮工作叶片进气边方向的上缘板中间位置以及下缘板中间位置分别选取B1点和B2点。B1点和B2分别在所处位置高度方向的缘板厚度中心。

[0040] 如图1、图2和图3所示，本实施例中，在涡轮工作叶片下缘板排气边方向上周边空间最大的区域选取一点作为C1点。以C1点作为径向基准，用于后续机加工夹具定位销支靠。

[0041] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本实施例中，根据涡轮工作叶片毛坯14尺寸选择五点一线。以A1点、A2点和A3点限制涡轮工作叶片毛坯14Y轴的移动以及XY平面和YZ平面的转动。以B1点和B2点限制X轴的移动以及XZ平面的转动。以C1点限制Z轴的移动。

[0042] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本实施例中，以A1点、A2点、B1点、B2点、C1点的五点以及叶尖截面背弧线的一线作为涡轮工作叶片毛坯14与涡轮工作叶片毛坯14机加工的定位基准。

[0043] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本实施例中，磨削榫齿时，保证磨出来的榫齿相对叶型中心的位置度关系在XY坐标平面±0.28mm。磨削叶冠的锯齿时，保证锯齿的尺寸相对榫齿建立的坐标系基准位置度±0.02mm。磨削榫齿以及磨削叶冠的锯齿均为缓进给磨削。

[0044] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10所示，本实施例中，加工榫齿时的装夹夹具包括夹具本体1、用于固定涡轮工作叶片毛坯14各个定位基准点的压头2、用于夹紧涡轮工作叶片毛坯14的压紧螺钉3以及用于微调各个定位基准点的调节机构4。加工叶身时的装夹夹具包括固定底座5，固定底座5上设有用于夹持榫齿的夹头6、用以从涡轮工作叶片毛坯14底部支撑涡轮工作叶片毛坯14的支撑件7、用于从涡轮工作叶片毛坯14侧向固定涡轮工作叶片毛坯14的钢带8以及与夹头6相对布置并顶抵于涡轮工作叶片毛坯14的叶冠锯齿端的挡销9。榫齿加工完毕后的装夹夹具包括固定平台10、设于固定平台10上并用于支撑涡轮工作叶片毛坯14的支架11、通过滚棒12夹持于榫齿的齿槽内的齿槽夹13。

[0045] 实施时，提供一种涡轮工作叶片的加工方法。具体的步骤：A1点、A2点坐标X方向选取为叶片进、排气边两个方向缘板向内3mm处，原则是尽量靠近两端位置，增加两点之间距离；Y方向和Z方向则根据X坐标的确定在毛坯实体上得出。A3点坐标选取为A1点、A2点同向，处于叶尖截面上且与A1点、A2点连线的平行线，切线最高点定义为A3点，并且为背弧公差带的中间位置上，这样背弧的理论曲线落在公差带内保证加工精度。B1点、B2点选取为进气边方向上、下缘板中间位置，高度方向的缘板厚度中心。C1点坐标为下缘板排气边方向空间较大的区域选取一点做为径向基准，方便后续机加夹具定位销支靠。根据毛坯零件尺寸选择A1点、A2点和叶身切线交汇的A3点限制零件Y移动和X、Y平面Y、Z平面转动。B1点、B2点限制X方向移动和X、Z平面转动，C1点限制Z移动。

[0046] 加工的要点一：磨榫头时保证磨出来的榫齿相对叶型中心的位置度关系在X、Y兩個平面±0.28mm；加工的要点二：磨叶冠的锯齿型时，保证锯齿的尺寸相对榫齿建立的坐标系基准，位置度±0.02mm；加工方法都为缓进给磨削。

[0047] 由于毛坯为叶型精铸件，外形尺寸有机加和铸造共同形成，不可避免的有基准转换带来的转换误差。为尽量减少误差并真实反映零件状态，首先统一毛坯和机加的基准，采用进气边方向上、下缘板B1点和B2点、径向通道点加叶背下缘板A1点、A2点及叶身上切线定的A3点，五点加一线控制毛坯X、Y、Z方向的移动和绕X、Y、Z方向的转动。以五点加一线定位磨削加工榫齿，接着以榫齿定位加工叶盆、叶背下缘板两斜面、叶冠两锯齿，每个部位一次成型，夹具采用榫齿精密定位和叶身A3点辅助定位方式。加工路线如下：

[0048] 机加与毛坯基准统一后，实现的毛坯模具的定位点和机加榫齿定位点一致，消除了基准不统一的误差，这样就将以往的毛坯检查—零件加工—零件检查过程中的三套基准坐标系简化为毛坯检查(零件加工)—零件检查两套基准坐标系，减少了基准转化的次数，提高了转换精度，达到设计的叶型位置度要求。以毛坯测量基准定位装夹叶片，直接加工榫齿；以榫齿定位夹紧，加工进、排气边榫头端面与榫齿顶部；以榫齿定位加夹紧，加工下缘板各面；以榫齿定位加夹紧，加工叶冠锯齿。

[0049] 加工后零件的检测

[0050] 由数据显示对于小榫齿、长薄壁的涡轮工作叶片单纯用榫齿滚棒定义零件的Z轴会受到榫齿错移量的影响。计量出来零件叶型尺寸出现越往叶尖越超差的假象，原因在于三坐标定义两跨棒的中心对称面即为零件的积叠轴Z轴，这样每一个零件都会因为各自榫齿本身误差导致建立的Z轴与实际的位置存在一定角度的偏差，这种偏差会随着叶身高度的增加而放大。因此，在使用三坐标建立叶片叶型的积叠轴时，用榫齿两侧的滚棒及叶身A3点共同确定零件的Z平面会更为准确和真实。滚棒只定义零件的周向，通过叶身A3点来定义他的角向，A3点通过扫描叶尖截面后准确计算切线方向点得出。实际生产中证明，这种两跨棒加一线的定位方式为最合理的建立坐标系方法。方案实施后实现了榫齿与叶冠、榫齿与叶身的位置关系，提高加工后以榫齿和A3建立基准而评价的X、Y位置度的精度，控制在理论位置的0.28以内。

[0051] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。