圆弧形榫头叶片车加工夹具的设计

[摘 要]针对航空发动机圆弧形榫头工作叶片的榫头车削加工，研究了一种利用低熔点合金将整台发动机的同级叶片按装配关系浇注在一起的夹具设计方案。该夹具的创新点是模拟叶片在发动机中的装配关系，利用低熔点合金将叶片和夹具体浇注为一个整体环，再进行车削加工，这样，既满足了设计与工艺要求，保证了叶片加工的一致性及精度要求，又大大提高了生产效率。

[关键词]叶片 圆弧形 低熔点合金 夹具

中图分类号：P5254 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0025-01

引言

叶片是航空发动机的核心部件之一，它的曲面形状和制造精度直接决定了飞机发动机的推进效率的大小。而叶片榫头是叶片的主要装配部位，叶片在发动机上的位置是否正确不仅取决于叶身的加工制造精度，而且还取决于榫头安装定位的准确性。同时工作叶片在高速转动的工作状态下还要承受拉力，弯曲力，离心力以及震动载荷形成的交变应力，因此，榫头部位型面复杂，尺寸精度和位置精度要求高，表面完整性要求好，榫头的加工工艺始终是叶片加工工艺的重中之重。

1 被加工零件的简介及分析

航空发动机某级工作叶片的叶身扭角大，叶片榫头的各型面均为圆弧形，其尺寸精度要求较高，最小公差只有0.04mm，形位公差要求较严，有对称度和位置度的要求，以上这些因素决定了叶片榫头的最好加工方法就是车削加工。

2 叶片车削加工夹具的设计分析

由于叶片叶身型面复杂，传统的加工方法是先对单个叶片浇注低熔点合金方箱，再利用方箱在夹具上定位后车削加工榫头型面，每次只能加工4至8件叶片。夹具结构复杂，加工效率低。某级工作叶片单台共有101片。如果按传统的工艺路线进行加工，单台叶片仅榫头的加工就需要至少半个月的时间。

经过反复研究与研讨，提出设计一种模拟叶片在发动机中的装配关系，将一台份发动机的某级工作叶片通过夹具定位夹紧，在夹具中装配成一个圆环，然后采用浇注低熔点合金的办法，将夹具与叶片一起浇注为一个整体环，再利用数控车床编程进行车削加工。这样既能满足叶片加工圆弧型面的精度要求，而且一次加工一台份的某级叶片，保证了叶片加工的一致性，大大提高了生产效率。

夹具设计既要考虑浇注同时又要考虑加工，由于叶片的加工精度要求较高，虽然利用数控车削，但多数型面尺寸都要由测量保证，因此夹具设计时就要考虑到定位基准与测量基准的合理协调和选定。夹具设计应满足浇注前保证叶片装配合格，定位准确，浇注后保证车加工对整体夹具的要求，夹具结构应满足装卸，测量要求，最后达到加工出合格产品，提高生产效率的目的。

2.1 夹具定位，压紧基准的选择

如图1，榫头的B，D两面是平面，其中B面到中心线尺寸已通过拉削加工到位，因此夹具设计时选B面为基准面，选D面为压紧面，由于单个叶片定位面小，为使其不倾斜，在G处增加辅助支撑，叶片的径向定位基准为A面，它也是径向尺寸的测量基准，再利用叶尖E径向顶紧。C面是两个斜面，把它作为叶片挤紧时的靠紧面。这样叶片在夹具中各方向的自由度就都被限制住了。

2.2 夹具整体结构的设计与分析

考虑到此夹具基体很大，加工叶片的数量很多，精度要求极高，加工时需进行翻转，为保证夹具的设计使用质量及运输等一系列需要，我们采用了浇注整体环的夹具结构，其具体结构形式见图2。

夹具以底座NO1为基体，将夹具的定位圆环NO2，内定位环NO3，压盖NO4等件有机地组装在一起，使用时将NO2定位圆环，NO3内定位环先组装到夹具体上，然后按工艺要求将叶片依次摆放到夹具中，最后将工艺叶片按需修磨好后对准夹具刻线将叶片挤紧，拧紧NO6螺钉将叶片顶平，经检验合格后将NO4压盖装入夹具内，用螺钉固紧，便可按其浇注窗口进行浇注使用。在加工过程中，必须先将NO3和NO4件卸下，利用数控立车编程将叶片内圆和一侧面加工合格后，再将压盖NO4装入基体内，起定位作用，然后将夹具翻转并卸下NO2件，加工另一侧面，这样叶片全部加工结束。

为了保证榫头的尺寸精度和形位公差精度加工要求，夹具在加工和装配过程中必须保证总装图的各项尺寸要求和形位公差要求。夹具的A面和B面既是加工基准又是测量基准，因此必须保证A面的平面度要求以及B面对A面的平行度不大于0.005 mm，No1底座的外圆是夹具加工前的找正基准，要保证它对A面的垂直度不大于0.01mm，内定位环对A面的垂直度不大于0.01mm，对外圆的同轴度不大于0.01mm。

由于NO2和NO4在加工过程中要进行反复地拆卸，因此它们与NO1的螺纹连接处加装螺纹衬套NO5、NO9，以保护基体NO1。

为了方便叶片装配，除保证叶片的G面有足够大的空间外，在底座的G面靠近4个工艺件的位置开有四处U形槽，这样叶片可由这些槽中装入。

为了简化夹具结构和简化操作，叶片的辅助定位G直接利用底座靠近叶尖处的台阶面，但其与NO2定位面间的高度差应略大于叶片榫头B面与叶尖的高度差，以保证NO2的定位准确。

3 结论

工作叶片浇注整体环车床夹具填补了整台份叶片浇注整体环及车加工夹具设计一体化的空白。夹具投入使用后，加工效果很好，满足了叶片的精度加工要求，提高了生产效率近百倍，其应用前景极好，其它机种叶片榫头加工也可借鉴，其潜在效益是不可预估的。

参考文献

[1] 徐鸿本主编.机床夹具设计手册.辽宁科学技术出版社，2004.3.

[2] 肖继德，陈宁平主编.机床夹具设计.机械工业出版社，2002.2.

[3] 刘守勇主编.机械制造工艺与机床夹具.机械工业出版社，1994.