CN102837160B - 电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法。本发明的方法步骤是首先加工单体叶片，在叶片毛坯的叶尖部位设计一个凸出的工艺圆台，采用五座标铣加中心同时铣加工叶片的焊接表面和叶身型面，将单体叶片分成7组装夹在特定的焊接夹具上，使最终装配误差控制在0.05mm以内，装配完毕，进行后续电子束焊接。本发明方法通过进行合理的叶片锻造毛坯结构设计、叶片基准与焊接面的一体化精密加工、叶片焊接变形焊前预测与焊前预补偿、装配焊接夹具的合理设计、叶片在夹具上焊前精密装配等方式的应用，大大提高了叶片焊前装配精度，突破了电子束焊前保证焊缝间隙小于0.1mm的关键技术难点，控制电子束焊接结构整体叶盘焊后精度，填补了行业空白，同时降低了研制成本及研制周期。

Description

电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法

技术领域

本发明属于机械加工领域，具体涉及一种电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法。

背景技术

    整体叶盘的加工方法是先进发动机研制所必须的核心关键技术之一，从整体叶盘的发展来看，焊接结构的整体叶盘占有显著优势。而与实体毛坯加工法相比，电子束焊的叶片和盘均可采用小余量的精锻毛坯加工而成，节省原材料，锻造质量有保证，生产效率高，成本低，比用实体毛坯加工法更经济。焊接结构的整体叶盘是一种新型结构叶盘，结构复杂，精度要求较高，综合技术较强，加工难度大，其加工工艺是整体叶盘制造的新工艺，没有经验可以借鉴。而在焊接前的准备工作中，如何控制焊前单体叶片的加工制造精度、焊接夹具的制造精度以及叶片与夹具的装配质量，是减小焊接变形，保证叶片焊后加工精度的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法，目的是通过进行合理的设计叶片锻造毛坯结构，保证叶片基准与焊接面的一体化，在叶片焊前预测焊接变形同时焊前预补偿，合理设计装配焊接夹具，实现叶片在夹具上的精密装配，有效地控制电子束焊接结构整体叶盘焊前装配精度，从而减小焊接变形，提高焊接质量，保证焊接结构整体叶盘的成功研制。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行： 

（1）加工焊接结构单体叶片：选用精锻毛坯加工叶片毛坯，将精锻毛坯的三维空间数据输入计算机中，在计算机中建立叶片毛坯的三维数据模型，在叶片毛坯的叶尖部位设计一个凸出的工艺圆台，且工艺圆台中心与叶片积叠轴重合，在圆台与叶尖之间加设一个加固连接方台，方台上部设计为圆台形状，下部保持毛坯状态；

按照上述设计结构模型锻造叶片毛坯，采用五座标铣加中心，以叶片毛坯上的榫头所在平面作为加工基准面，工艺圆台的圆形面作为辅助基准面，榫头的一端采用铣夹具定位夹紧，工艺圆台采用液压刀柄加紧，启动五坐标加工中心，同时铣加工叶片的焊接表面和叶身型面，其中铣加工叶身型面时的叶片截面位置向叶尖方向偏移0.69mm；

按照此加工方式加工得到三组尺寸分别为L+0.02、L和L-0.02的单体叶片，L为叶片厚度；

（2）将单体叶片装夹在焊接夹具上：以单体叶片榫头的径向方向为径向定位面，轴向为轴向定位面，榫头与叶片上定位凸起块的夹角为角向定位面，叶尖角方向为辅助定位面，将单体叶片分成七组，每组编号1-6，按照顺时针或逆时针方向装配在焊接夹具上，其中所述的焊接夹具包括一个圆形底盘，圆形底盘上开有减重槽，在底盘边缘设有找准装置，底盘外围圆周上加工成呈一定角度倾斜排列的外定位支架，圆形底盘中心从上至下装配有与底盘同心的收弧环、引弧环和内定位环，所述的外定位支架斜角度与焊缝角度一致，与水平面成45°角，并且在支架上方开有与叶片工艺圆台相契合的凹槽，凹槽上方设有压板，所述的收弧环的上部沿径向平均设有十二个压紧块，压紧块上装配有固定螺栓固定在底盘上；

装配叶片时，利用找准装置确定夹具为水平放置，将圆形底盘所在圆周七等分，将七组叶片中序号为1的叶片分别装配在圆周等分点对应的位置，其中叶片的榫头装配在收弧环和引弧环之间，工艺圆台固定装配在外定位支架的凹槽上，继续装配每组序号为2的7片叶片，依此类推，再继续装配序号为3、4、5的叶片，观察叶片装配情况，在每两片明显间隙较大的叶片之间插入剩余的序号为6的叶片，使最终装配误差控制在0.05mm以内，装配完毕，进行后续电子束焊接。 

其中所述的焊接夹具圆形底盘为铸铝材质，其余零件为不锈钢材料。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

     叶片结构对于叶片焊前装配精度及焊接夹具的设计至关重要，为了便于叶片加工、叶片焊前装配定位及焊后检测，本发明在毛料叶尖部位增加了一个凸出的工艺圆形，且使圆台中心与叶片积叠轴重合，由于叶片轴心偏离叶尖截面较远，正常按轴心增加圆台，连接处很小，强度很差，不能起到定位作用，因此在圆台与叶尖之间增加了加固连接方台，方台上部加工成圆台，用于叶环装配、焊接的角向定位基准，方台下部保持毛坯状态，用于工艺凸台与叶身的连接，增加凸台强度；

    为了保证叶片顺利装配和装配后的间隙要求，本发明在加工叶片时缩严了叶片厚度L公差，并将叶片按L+0.02、L和L-0.02三组尺寸加工，保证装配后叶片位置精度和焊缝间隙可调，焊接表面是叶片组合成叶环的相互配合面，焊接表面的加工质量不仅影响叶环装配后相邻叶片见间隙是否曼和电子束焊接要求，而且还关系到单个叶片在叶环中的径向位置，从而影响到叶片装配后的实际余量，为了提高焊接表面与装配基准相对位置精度，本发明采用先进的五坐标加工中心一次装夹完成焊接表面、基准表面及叶身型面加工；

    由于电子束焊接是一种熔焊方式，在焊接过程中会有一定的焊接收缩量，焊缝的收缩表现在零件圆周上就是零件直径的收缩，同时叶片叶身型面会沿着径向产生偏移，假定每条焊缝的焊接收缩量为△L，叶环焊接时焊缝收缩产生的周向和径向的收缩量可以采用如下公式计算：

     L(周向总收缩量)= △L（每条焊缝收缩量）×cos45°（焊缝角度）×N（焊缝条数）；

     △R(径向半径收缩量)=L÷(2π)；

也就是说，为了保证焊后零件收缩后尺寸仍满足工艺要求，叶片叶身型面加工时叶片截面位置需向叶尖方向偏移△R距离，根据行业经验，按照每条焊缝的焊接收缩量0.15mm计算，周向和径向的收缩量分别为L≈4.35，△R≈0.69，为了保证焊后叶片尺寸符合设计要求，叶片叶身型面时的叶片截面位置向叶尖方向偏移0.69mm，才能保证焊后叶身截面位置与设计要求一致；

本发明在装配焊接夹具结构设计中采取了以下措施：在考虑可制造性基础上，尽可能给定夹具定位基面较高的尺寸精度和位置精度，保证榫头部位定位准确，配置有叶尖辅助定位装置，即外定位支架，保证了叶尖定位准确，外定位支架的倾斜角度与焊缝角度一致，保证了外定位支架不能阻挡焊缝位置，为了避免夹具及零件的磁性容易造成电子束的偏移，从而造成焊缝质量的不稳定，夹具选材整体不应有磁性，圆形底盘为铸铝材质，其余部分为不锈钢材质；

电子束焊接要求焊前叶片之间焊缝间隙不能大于0.1mm，本发明采用将叶片分成七组装配，零件位置度总误差由夹具制造误差、零件制造误差及装配误差、测量误差（数值较小可略）等多项误差积累而成，即：

    ∑总＝∑1 +∑2 +∑3 （∑总——零件装配后总位置度误差；∑1——夹具制造误差；∑2——零件制造误差；∑3——装配误差）

因此，∑3＝∑总－∑1－∑2，即：装配误差＝0.3mm－0.15mm－0.05mm＝0.1mm，实际装配产生位置精度误差最大0.1mm，本发明的装配方法将装配误差减小到0.05mm以内。

本发明方法通过进行合理的叶片锻造毛坯结构设计、叶片基准与焊接面的一体化精密加工、叶片焊接变形焊前预测与焊前预补偿、装配焊接夹具的合理设计、叶片在夹具上焊前精密装配等方式的应用，大大提高了叶片焊前装配精度，突破了电子束焊前保证焊缝间隙小于0.1mm的关键技术难点，有效地控制电子束焊接结构整体叶盘焊后精度，填补了该技术行业空白，同时降低了研制成本及研制周期。

    鉴于焊接结构整体叶盘在毛坯利用率、铣加工效率、内部组织以及可维修性等方面众多优势，世界先进航空发动机整体叶盘结构正向焊接趋势发展，因此对焊接结构整体叶盘制造技术的预先研究，为先进航空发动机研制奠定了重要的技术基础，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的单体叶片结构示意图；

图2是本发明的焊接夹具结构示意图；

其中，1：叶身型面；2：工艺圆台；3：连接方台；4：榫头；5：定位凸起块；6：圆形底盘；7：找准装置；8：外定位支架；9：收弧环；10：引弧环；11：内定位环；12：压紧块。

图3是本发明分七组装夹叶片的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对实现本发明目的的技术方案做进一步说明： 

（1）加工焊接结构单体叶片：选用精锻毛坯加工叶片毛坯，将精锻毛坯的三维空间数据输入计算机中，在计算机中建立叶片毛坯的三维数据模型，在叶片毛坯的叶尖部位设计一个如附图1所示的凸出的工艺圆台2，且工艺圆台2中心与叶片积叠轴重合，在工艺圆2台与叶尖之间加设一个加固连接方台3，连接方台3上部设计为圆台形状，下部保持毛坯状态；

按照上述设计结构模型锻造叶片毛坯，采用五座标铣加中心，以叶片毛坯上的榫头4所在平面作为加工基准面，工艺圆台2的圆形面作为辅助基准面，榫头4的一端采用铣夹具定位夹紧，工艺圆台3采用液压刀柄加紧，启动五坐标加工中心，同时铣加工叶片的焊接表面和叶身型面1，其中铣加工叶身型面1时的叶片截面位置向叶尖方向偏移0.69mm；

按照此加工方式加工得到三组尺寸分别为L+0.02、L和L-0.02的单体叶片，L为叶片厚度；

（2）将单体叶片装夹在焊接夹具上：以单体叶片榫头4的径向方向为径向定位面，轴向为轴向定位面，榫头4与叶片上定位凸起块5的夹角为角向定位面，叶尖角方向为辅助定位面，将单体叶片分成七组，每组编号1-6，按照顺时针或逆时针方向装配在焊接夹具上，其中所述的焊接夹具包括一个圆形底盘6，圆形底盘6上开有减重槽，在底盘边缘设有找准装置7，底盘外围圆周上加工成呈一定角度倾斜排列的外定位支架8，圆形底盘6中心从上至下装配有与底盘同心的收弧环9、引弧环10和内定位环11，所述的外定位支架8倾斜角度与焊缝角度一致，并且在支架上方开有与叶片工艺圆台相契合的凹槽，凹槽上方设有压板，所述的收弧环9的上部沿径向平均设有十二个压紧块12，压紧块12上装配有固定螺栓固定在圆形底盘6上；

装配叶片时，利用找准装置7确定夹具为水平放置，将圆形底盘6所在圆周七等分，将七组叶片中序号为1的叶片分别装配在圆周等分点对应的位置，其中叶片的榫头4装配在收弧环9和引弧环10之间，工艺圆台固定装配在外定位支架的凹槽上，继续装配每组序号为2的7片叶片，依此类推，再继续装配序号为3、4、5的叶片，观察叶片装配情况，在每两片明显间隙较大的叶片之间插入剩余的序号为6的叶片，使最终装配误差控制在0.05mm以内，装配完毕，进行后续电子束焊接。 

Claims (2)

1.一种电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法，其特征在于按照以下步骤进行： 

(1)加工焊接结构单体叶片：选用精锻毛坯加工叶片毛坯，将精锻毛坯的三维空间数据输入计算机中，在计算机中建立叶片毛坯的三维数据模型，在叶片毛坯的叶尖部位设计一个凸出的工艺圆台，且工艺圆台中心与叶片积叠轴重合，在圆台与叶尖之间加设一个加固连接方台，方台上部设计为圆台形状，下部保持毛坯状态； 

按照上述设计结构模型锻造叶片毛坯，采用五座标加工中心，以叶片毛坯上的榫头所在平面作为加工基准面，工艺圆台的圆形面作为辅助基准面，榫头的一端采用铣夹具定位夹紧，工艺圆台采用液压刀柄夹紧，启动五坐标加工中心，同时铣加工叶片的焊接表面和叶身型面，其中铣加工叶身型面时的叶片截面位置向叶尖方向偏移0.69mm； 

按照此加工方式加工得到三组厚度尺寸分别为L+0.02、L和L-0.02的单体叶片，L为叶片厚度； 

(2)将单体叶片装配在焊接夹具上：以单体叶片榫头的径向方向为径向定位面，轴向为轴向定位面，榫头与叶片上定位凸起块的夹角为角向定位面，叶尖角方向为辅助定位面，将单体叶片分成七组，每组编号1-6，按照顺时针或逆时针方向装配在焊接夹具上，其中所述的焊接夹具包括一个圆形底盘，圆形底盘上开有减重槽，在圆形底盘边缘设有找准装置，圆形底盘外围圆周上加工成呈一定角度倾斜排列的外定位支架，圆形底盘中心从上至下装配有与圆形底盘同心的收弧环、引弧环和内定位环，所述的外定位支架斜角度与焊缝角度一致，与水平面成45°角，并且在支架上方开有与叶片工艺圆台相契合的凹槽，凹槽上方设有压板，所述的收弧环的上部沿径向平均设有十二个压紧块，压紧块上装配有固定螺栓固定在底盘上； 

装配叶片时，利用找准装置确定夹具为水平放置，将圆形底盘所在圆周七等分，将七组叶片中序号为1的叶片分别装配在圆周等分点对应的位置，其中叶片的榫头装配在收弧环和引弧环之间，工艺圆台固定装配在外定位支架的凹槽上，继续装配每组序号为2的7片叶片，依 此类推，再继续装配序号为3、4、5的叶片，观察叶片装配情况，在每两片明显间隙较大的叶片之间插入剩余的序号为6的叶片，使最终装配误差控制在0.05mm以内，装配完毕，进行后续电子束焊接。 

2.根据权利要求1所述的一种电子束焊接结构整体叶盘中单体叶片的装配精度控制方法，其特征在于所述的焊接夹具圆形底盘为铸铝材质，其余零件为不锈钢材料。