一种自适应定位叶片工装及叶片定位加工方法与流程

本发明属于燃气轮机叶片加工工装，具体涉及一种自适应定位叶片工装及叶片定位加工方法。

背景技术：

1、燃气轮机叶片为空间扭曲薄壁曲面构件，叶身型面沿叶高方向连续变化，壁厚较薄且刚性分布不均。加工时通常以榫头端夹持定位、叶尖端顶紧，采用回转方式对叶身型面进行铣削。对于长度较大的叶片，叶身中段远离两端夹持点，加工刚性显著不足，在切削力作用下易产生弯曲变形与切削颤振，致使型面精度超差、表面质量劣化，因而需在叶身中段增设辅助支撑。

2、现有叶片辅助支撑主要有刚性支撑与柔性支撑两类。刚性支撑采用支撑块或刚性触头，与型面为硬接触，接触面积小且无法适配空间扭曲型面，局部应力过大易在薄壁叶身上留下压痕，且每更换叶片型号均需重新修磨支撑型面，换型效率低。柔性支撑采用弹性介质或液压浮动结构，虽能在一定程度上贴合型面，但其支撑刚性有限，难以抵抗粗加工阶段的大切削力，加工中仍易产生振颤。

3、由此可见，现有叶片辅助支撑存在 "随形贴合能力" 与 "支撑刚性" 难以兼顾的固有矛盾：刚性支撑刚性足但贴合差、易压伤型面，柔性支撑贴合好但刚性不足、易振颤。此外，现有辅助支撑多为固定位置布置，无法随加工区段变化灵活调整支撑位置，亦难以适应不同长度叶片的装夹需求。因此，亟需一种能够同时实现随形贴合与高刚性支撑、且支撑位置可调的自适应定位叶片工装，以解决燃气轮机长叶片回转加工中的辅助支撑难题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供了一种自适应定位叶片工装及叶片定位加工方法，兼顾随形贴合能力与支撑刚性，支撑位置轴向可调，有效解决燃气轮机长叶片回转加工中段刚性不足、切削振颤、型面超差及压伤薄壁型面的技术难题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种自适应定位叶片工装，包括床身、主夹机构、尾顶机构以及导轨，床身顶部固设有导轨，主夹机构固设于导轨一端，尾顶机构滑设于导轨，还包括位于主夹机构与尾顶机构之间且滑设于导轨的至少一组环撑机构；

4、环撑机构包括环滑座及从动回转环，环滑座与导轨滑动配合以调节轴向支撑位置，从动回转环转动配合于环滑座内并能够随叶片同步回转，从动回转环由上环体与下环体对合而成，二者内壁相对布设有若干顶撑器，各顶撑器能够独立随形顶紧叶片型面；

5、顶撑器包括浮动顶杆及设于浮动顶杆内端的随形压头，随形压头能够柔性贴合叶片型面后刚化以刚性顶紧叶片。

6、在主夹机构与尾顶机构之间增设至少一组滑设于导轨的环撑机构，环撑机构通过环滑座与导轨滑动配合实现轴向支撑位置的自由调节，使支撑点能够精准定位于叶身刚性最弱的中段区域，而非局限于固定位置。从动回转环转动配合于环滑座内并能够随叶片同步回转，使支撑作用与叶片回转运动完全解耦，在整个回转铣削过程中环撑机构持续提供支撑而不干涉切削运动，这是固定支撑无法实现的。从动回转环采用上环体与下环体对合结构，便于叶片装入与卸下，开合操作便捷。上下环体内壁相对布设若干顶撑器，各顶撑器能够独立随形顶紧叶片型面，形成环绕叶身周向的多点支撑体系，将切削力分散至多个支撑点，避免单点集中受力导致的薄壁局部变形。顶撑器端部的随形压头能够先柔性贴合叶片型面后刚化为刚性顶紧，在贴合阶段完全适配空间扭曲型面轮廓，消除硬接触压痕风险，在刚化阶段提供高刚性支撑抵抗切削力。该方案从支撑位置可调、回转随动、环绕多点支撑、随形刚化一体化四个维度系统解决了长叶片中段加工刚性不足的难题。

7、进一步地，随形压头包括连接座、随形囊、滤网以及若干颗粒，连接座固设于浮动顶杆内端，连接座内开设有气腔，随形囊固设于连接座朝向叶片的一侧且内部形成容纳腔，颗粒填充于容纳腔内，滤网设于连接座与随形囊之间以阻隔颗粒进入气腔，气腔与容纳腔气路连通且外接抽气接口；

8、随形囊由弹性材料制成，能够在抵接叶片型面时随形变形以适配叶片型面轮廓与装夹角度偏差，并在抽真空后因颗粒堵塞而固化为刚性支撑状态。

9、连接座固设于浮动顶杆内端并开设气腔，随形囊固设于连接座朝向叶片的一侧且内部形成容纳腔，颗粒填充于容纳腔内，滤网设于连接座与随形囊之间以阻隔颗粒进入气腔，气腔与容纳腔气路连通且外接抽气接口。该结构设计使随形压头形成一个完整的颗粒堵塞执行单元。随形囊由弹性材料制成，在抵接叶片型面时能够随形变形，不仅适配叶身型面的空间扭曲轮廓，还能补偿装夹角度偏差与叶片个体差异，确保接触面完全贴合而非局部线接触或点接触，从根本上消除刚性支撑局部应力过大压伤薄壁型面的问题。抽真空时，气腔经滤网与容纳腔连通，气流将随形囊内空气抽出，颗粒在负压作用下被挤压致密，颗粒间摩擦力急剧增大并发生堵塞效应，随形囊由柔性状态固化为刚性支撑状态。滤网的设置既保证气路通畅，又防止颗粒被吸入气腔造成管路堵塞或真空泵损坏，保障系统长期稳定运行。抽气接口外接真空源，为固化过程提供动力。

10、进一步地，滤网朝向随形囊的一侧安装有簧片振子，抽真空时气流经过簧片振子激发簧片振子产生高频微振动，簧片振子的微振动传递至随形囊内的颗粒使颗粒在抽真空过程中持续振实排列，抽真空完成后簧片振子停止振动，颗粒均匀堵塞固化。

11、在滤网朝向随形囊的一侧安装簧片振子，抽真空时气流经过簧片振子激发其产生高频微振动，微振动传递至随形囊内的颗粒使颗粒在抽真空过程中持续振实排列。这一设计针对性地解决了颗粒堵塞过程中的关键技术问题。在抽真空初期，颗粒处于松散状态，若直接加压致密，颗粒间容易形成架空结构，导致局部空隙残留，固化后支撑刚度不均匀且存在薄弱区域。簧片振子利用抽真空过程中自身气流作为激励源，无需额外驱动装置即可产生高频微振动，使颗粒在振动作用下持续重排、振实，颗粒填充更加致密均匀，接触力链网络更加连续完整，固化后支撑刚度整体提升且分布均匀。抽真空完成后簧片振子随气流停止而停止振动，颗粒均匀堵塞固化，支撑状态稳定。该方案以极简的结构实现了颗粒振实功能，利用系统自身气流作为动力源，不增加额外能耗与控制复杂度，同时显著提升了固化支撑的质量与可靠性，避免了颗粒架空导致的支撑刚度不均问题。

12、进一步地，颗粒为金属珠，金属珠表面镀设有耐磨镀层，金属珠直径一致且均匀填充于容纳腔内；

13、随形囊为双层结构，包括用于气密密封的内膜以及覆设于内膜外侧的耐磨层。

14、对颗粒材质与随形囊结构进行了进一步限定。颗粒采用金属珠，金属珠表面镀设耐磨镀层，金属珠直径一致且均匀填充于容纳腔内。金属珠具有较高的硬度与抗压强度，在堵塞固化后能够形成高强度刚性支撑，承受粗加工阶段的大切削力而不发生破碎或塑性变形。表面耐磨镀层有效降低金属珠间及金属珠与随形囊内壁间的磨损，延长随形压头的使用寿命，同时保持颗粒表面摩擦特性稳定，确保每次固化支撑的刚度一致性。直径一致的金属珠均匀填充，使颗粒堆积特性可预测、可重复，固化后支撑刚度稳定可控，避免粒径混杂导致的堵塞行为不一致。随形囊采用双层结构，包括用于气密密封的内膜以及覆设于内膜外侧的耐磨层。内膜保证随形囊的气密性，确保抽真空时负压能够有效建立并维持，是颗粒堵塞固化的前提。耐磨层直接接触叶片型面，承受与型面间的摩擦与挤压，保护内膜不被磨损刺破，同时耐磨层自身的耐磨特性延长了随形囊的更换周期。双层结构将气密功能与耐磨功能分离，各自选用最优材料，兼顾密封可靠性与接触耐久性。

15、进一步地，气腔经真空比例阀与真空源连通，真空比例阀对气腔的真空度实施连续调节，使随形囊内颗粒的堵塞程度随真空度同步渐变，以实现随形囊支撑刚度的无级调控；高真空度对应高刚性支撑以承载粗加工大切削力，低真空度对应柔性缓冲以适配精加工低应力要求。

16、气腔经真空比例阀与真空源连通，真空比例阀对气腔真空度实施连续调节，使随形囊内颗粒的堵塞程度随真空度同步渐变，实现随形囊支撑刚度的无级调控。这一设计使同一随形压头能够在不同加工阶段提供差异化的支撑刚度，突破了传统支撑刚性固定不可调的局限。高真空度下颗粒被高度挤压致密，颗粒间接触力大、摩擦力高，堵塞效应充分，随形囊呈现高刚性支撑状态，能够承载粗加工阶段的大切削力，有效抑制切削颤振与弯曲变形。低真空度下颗粒挤压程度较轻，随形囊保留一定弹性变形能力，呈现柔性缓冲状态，适配精加工阶段低应力要求，避免刚性支撑在精加工时因微小位移导致的型面划伤或应力集中。真空比例阀的连续调节特性使刚度变化平滑无级，不存在档位切换的突变，可根据切削参数、刀具状态、叶片材料等因素精确匹配最优支撑刚度。该方案使一套工装同时满足粗加工高刚性与精加工低应力的矛盾需求，无需在粗精工序间更换支撑构件，显著提升加工效率与工艺适应性。

17、进一步地，顶撑器还包括缸体与弹性复位件，缸体固设于上环体或下环体，浮动顶杆穿设于缸体并能够轴向往复移动，缸体与浮动顶杆的尾部之间形成驱动气腔，向驱动气腔充气能够推动浮动顶杆伸出，弹性复位件连接于缸体和浮动顶杆之间，为浮动顶杆提供缩回预紧力。

18、该气动驱动结构使各顶撑器能够独立伸缩，伸出时推动随形压头抵接叶片型面，缩回时脱离型面便于叶片装卸。气动驱动具有响应速度快、出力平稳、结构紧凑的特点，适合环绕布置于从动回转环内壁的有限空间内。各顶撑器独立驱动意味着每个支撑点的顶紧动作可单独控制，能够根据叶身不同周向位置的型面曲率与刚性差异分别调整伸出量，确保所有随形压头均能可靠贴合型面，避免部分顶撑器虚顶或过顶。弹性复位件在驱动气腔放气后自动将浮动顶杆拉回缩回位置，无需额外缩回驱动，简化了结构与控制逻辑，同时缩回预紧力保证顶撑器在非工作状态下稳定收纳，不干涉叶片装入与环体开合。该方案为随形顶紧动作提供了可靠的结构实现，且独立驱动特性为上下环体分别调压奠定了基础。

19、进一步地，上环体上各顶撑器的驱动气腔与下环体上各顶撑器的驱动气腔分别独立连通至不同调压回路，以分别调节上环体与下环体上顶撑器的顶紧力。

20、这一设计充分考虑了叶片叶身型面上下两侧的受力差异与刚性差异。燃气轮机叶片为空间扭曲薄壁构件，叶身横截面沿叶高方向不断变化，型背与型盆两侧的曲率、壁厚、刚性分布均不对称，切削力在周向不同位置的分量也存在差异。若上下环体所有顶撑器采用统一顶紧力，刚性较弱一侧可能因顶紧力过大产生变形，刚性较强一侧可能因顶紧力不足导致支撑不牢。将上下环体顶撑器分设独立调压回路，可根据叶片型面上下两侧的实际刚性与受力情况分别设定最优顶紧压力，使两侧支撑力与对应区域的刚性和切削载荷相匹配，实现支撑力的均衡合理分配。上环体各顶撑器驱动气腔相互连通、下环体各顶撑器驱动气腔相互连通的设计，使同一环体上的顶撑器自动保持压力均衡，在型面高低不平时通过浮动顶杆的伸缩差异自适应补偿，无需逐个调压，简化了控制同时保证了贴合可靠性，显著提升了环绕支撑的受力合理性，避免了单侧过顶或欠顶导致的加工变形。

21、进一步地，叶片工装还包括第一调位丝杠与第二调位丝杠，第一调位丝杠与尾顶机构的滑动座传动连接，第二调位丝杠与环滑座传动连接，两根调位丝杠独立驱动并各自具备锁止功能，以使尾顶机构与环撑机构沿导轨独立移位并定位于目标轴向位置，从而适配不同叶长及支撑区段的变化。

22、增设第一调位丝杠与第二调位丝杠，第一调位丝杠与尾顶机构的滑动座传动连接，第二调位丝杠与环滑座传动连接，两根调位丝杠独立驱动并各自具备锁止功能。该设计使尾顶机构与环撑机构沿导轨的移位与定位完全独立可控。第一调位丝杠驱动尾顶机构轴向移动，适配不同长度叶片的装夹需求，叶片长度变化时仅需调整尾顶机构位置即可，无需更换工装或加装垫块。第二调位丝杠驱动环撑机构轴向移动，使支撑点可精确定位于待加工区段对应的轴向位置，针对叶身中段刚性最弱区域实施精准支撑，也可根据加工工序的推进逐步调整支撑位置以跟随切削区段。两根丝杠独立驱动意味着尾顶机构与环撑机构的位置调整互不干涉，可分别精确设定，且调整完成后各自锁止，确保加工过程中位置稳定不窜动。丝杠传动具有定位精度高、承载能力强、自锁性好的特点，能够承受切削过程中的轴向分力而不发生位移。该方案从机械结构层面实现了支撑位置与尾顶位置的独立精确调节，使工装具备广泛的叶长适应性与区段适应性，克服了固定支撑位置无法调整的固有缺陷。

23、一种自适应叶片定位加工方法，包括以下步骤：

24、s1、装夹定位，将叶片榫头端夹持于主夹机构，叶尖端由尾顶机构顶紧夹持，完成叶片轴向与周向初定位；

25、s2、环撑就位，移动环撑机构至叶片待加工区段对应的轴向位置并锁止，对合从动回转环的上环体与下环体，使各顶撑器环绕叶片型面布设；

26、s3、随形顶紧，向各顶撑器的驱动气腔充气以推动浮动顶杆伸出，随形压头的随形囊抵接叶片型面并随形变形以贴合型面轮廓；

27、s4、固化支撑，对随形囊抽真空使随形囊内颗粒发生堵塞效应，随形囊由柔性状态固化为刚性支撑状态以刚性顶紧叶片；

28、s5、回转加工，主夹机构驱动叶片回转，从动回转环随叶片同步回转，刀具对叶片型面实施切削加工；

29、s6、脱模卸料，加工完成后，将各顶撑器的驱动气腔放气，浮动顶杆缩回，向随形囊充气使颗粒恢复流动性，随形囊恢复柔性，分开上环体与下环体卸下叶片。

30、本方案提供了一种采用上述工装的自适应叶片定位加工方法，依次包括装夹定位、环撑就位、随形顶紧、固化支撑、回转加工及脱模卸料六个步骤。该方法将随形贴合与刚性固化分为两个独立阶段执行，先通过随形顶紧使随形囊完全贴合叶片型面，再通过抽真空固化将柔性贴合状态转变为刚性支撑状态，两步法确保了贴合质量与支撑刚性的同时实现。装夹定位步骤完成叶片轴向与周向初定位，为后续环撑与顶紧提供基准。环撑就位步骤将环撑机构移动至目标轴向位置并对合从动回转环，使顶撑器环绕叶片型面布设。随形顶紧步骤充气推动浮动顶杆伸出，随形囊抵接型面并随形变形，此阶段随形囊处于柔性状态，能够完全适配扭曲型面而不产生局部高压。固化支撑步骤抽真空使颗粒发生堵塞效应，随形囊固化为刚性支撑，此阶段支撑刚度大幅提升以抵抗切削力。回转加工步骤中从动回转环随叶片同步回转，支撑持续有效。脱模卸料步骤反向操作，放气缩回顶杆、充气恢复颗粒流动性、分开环体卸下叶片，流程完整闭合。该方法操作逻辑清晰，各步骤功能明确，可直接指导现场加工操作，且全过程无需修磨支撑型面，换型效率高。

31、进一步地，在步骤s4固化支撑步骤中，经真空比例阀对随形囊的真空度实施连续调节以无级调控支撑刚度；

32、粗加工阶段调至高真空度使随形囊刚性增强以承载大切削力，精加工阶段调至低真空度使随形囊具备弹性缓冲以降低加工应力。

33、在固化支撑步骤中进一步限定经真空比例阀对随形囊的真空度实施连续调节以无级调控支撑刚度，并根据粗精加工阶段差异化设定真空度。粗加工阶段调至高真空度使随形囊刚性增强以承载大切削力，精加工阶段调至低真空度使随形囊具备弹性缓冲以降低加工应力。这一方法使支撑刚度能够随加工工序动态调整，在同一装夹下完成粗精加工而无需更换支撑或重新设置。粗加工阶段切削深度大、进给量大、切削力大，高真空度下颗粒高度致密堵塞，随形囊呈现接近刚体的高刚性支撑，有效抑制叶身在大切削力下的弯曲变形与颤振，保证粗加工的材料去除效率与型面基本精度。精加工阶段切削力小但对表面质量与尺寸精度要求极高，低真空度下随形囊保留适度弹性，能够吸收切削过程中的微小振动，起到弹性缓冲作用，避免刚性支撑与薄壁叶身间的硬接触应力导致的表面质量劣化，同时降低加工残余应力。真空比例阀的连续调节使刚度切换平滑过渡，不会因刚度突变引起叶片瞬时位移。该方法将支撑刚度调控与加工工序参数关联，实现了工艺与工装的协同优化，是粗精一体化加工的关键支撑。

34、本发明的有益效果：

35、其一，破解了随形贴合与支撑刚性的固有矛盾。现有刚性支撑硬接触易压伤型面且无法适配扭曲曲面，柔性支撑贴合好但刚性不足难以抵抗粗加工大切削力。本发明采用颗粒堵塞原理，随形压头在抵接阶段以柔性随形囊完全贴合空间扭曲薄壁型面，消除局部应力集中，避免压痕；在固化阶段通过抽真空使颗粒发生堵塞效应转变为刚性实体，提供足以抵抗粗加工切削力的高刚性支撑。同一构件在不同阶段分别发挥柔性贴合与刚性支撑两种功能，从根本上兼顾了两类相互制约的性能需求。

36、其二，实现了支撑位置的轴向可调与多区段适配。环撑机构沿导轨滑移并独立锁止，可根据叶片长度与待加工区段灵活定位支撑点，使支撑始终作用于切削力最大、刚性最弱的叶身中段区域，克服了固定位置支撑无法随加工区段变化调整的缺陷。对于超长叶片，可布设多组环撑机构形成多点支撑，进一步提升整体加工刚性。

37、其三，从动回转环随叶片同步回转，支撑与回转运动解耦。环撑机构不干涉叶片的回转加工运动，顶撑器随从动回转环一同旋转，在整个回转切削过程中持续提供稳定支撑，消除了传统固定支撑与回转工件间的摩擦与干涉问题。

38、其四，支撑刚度可无级调控。通过真空比例阀连续调节随形囊内真空度，使颗粒堵塞程度同步渐变，从而在粗加工阶段提供高刚性支撑承载大切削力，在精加工阶段降低刚度实现弹性缓冲以降低加工应力，一套工装覆盖粗精全工序，无需更换支撑构件。

39、其五，换型效率高。随形压头自动适配不同型号叶片的型面轮廓与装夹角度偏差，无需像刚性支撑那样逐型号修磨支撑型面，显著缩短换型准备时间，降低工装制造成本。