带冠叶片加工定位装夹夹具的制作方法

1.本发明涉及带冠叶片加工技术领域，特别地，涉及一种带冠叶片加工定位装夹夹具。


背景技术：

2.国内带冠涡轮叶片的加工多采用分工序在三轴磨削机床上加工，具体加工方法一种是先加工叶片缘板面流道当量后，以缘板定位加工榫齿，再以榫齿定位加工叶片其余机加部位。另一种是直接通过叶片缘板及流道面上六点定位加工榫齿，再以榫齿定位加工其余部位。传统的六点定位夹具的六点通常分布如下：两个点在叶片下缘板平面上，两个点在叶片上下缘板端面上，一个点位于叶片流道面，一个点位于叶冠锯齿平面上，如图1所示。由于大部分定位点位于零件的待加工面，此种六点定位方法通常只能用于设计磨榫齿用的夹具，无法实现叶片多个位置加工；且由于榫齿磨削余量大，定位点在零件加工完后均会出现不同程度的压伤；且上述两种方法大多工艺路线长，且经过多次装夹及基准转换，加工效率及加工一致性均较差。
3.为实现一次装夹加工多个部位，某公司采用低熔点合金浇注叶身，通过规则的低熔点合金定位加工叶片机加部位，实现了带冠涡轮叶片的工序集成加工。其缺点一是增加了浇注工序及去低熔点合金工序；二是低熔点合金冷却过程中存在变形导致定位精度下降；三是浇注夹具制造难度较大；四是低熔点合金污染较严重。
4.通过整体型面硬装夹的方法同样可实现一次装夹加工多个机加面的要求。其缺点一是夹具制造难度较大，整体型面定位难以与理论型面完全一致；二是对精密铸造成形的毛坯精度要求高，国内精密铸造毛坯精度相对较差，由于毛坯型面与夹具型面不一致易造成装夹变形，导致加工精度差。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种带冠叶片加工定位装夹夹具，以解决现有装夹定位方式存在的加工工艺路线长、加工效率低、加工一致性差及零件容易装夹变形的技术问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种带冠叶片加工定位装夹夹具，包括：用于对待加工的叶片进行支撑和定位的定位支撑结构、用于将叶片定位压紧于定位支撑结构上的上部压紧结构、用于防止叶片压紧过程中转动的压紧防转结构；定位支撑结构设有用于与叶片叶根部位的叶背型面贴合的叶根定位弧面、用于与叶片叶尖部位的叶背型面贴合的叶尖定位弧面、用于与叶片叶身中部的叶背型面点接触顶抵的第一定位柱、用于与叶片内流道面点接触顶抵的第二定位柱，叶根定位弧面和叶尖定位弧面用于对叶片进行支撑，并对叶片沿其榫头宽度方向的x轴及沿垂直榫齿面的y 轴的移动和转动进行限位，第一定位柱和第二定位柱用于对叶片沿其叶身长度方向的z轴的移动和转动进行限位；上部压紧结构连接于定位支撑结构的上方，以在叶根定位弧面、叶尖定位弧面及第一定位柱处分别对叶片进行顶抵下压；压紧防转结构连
接于定位支撑结构上且位于叶片的一侧，以对叶片叶身中部的进气边进行抵压限位。
8.进一步地，定位支撑结构还包括相对设置且相连的叶根定位块和叶尖定位块、支设于叶根定位块上的叶根定位支块和中部定位支块、支设于叶尖定位块上的叶尖定位支块；叶根定位支块的顶部内凹形成叶根定位弧面，叶尖定位支块的顶部内凹形成叶尖定位弧面；第一定位柱连接于中部定位支块上，第二定位柱连接于叶根定位支块上。
9.进一步地，叶尖定位弧面与叶片叶尖部位的叶背型面部分贴合。
10.进一步地，叶根定位块与叶尖定位块的连接处具有内凹的安装槽；中部定位支块安装于安装槽内，且顶部向上延伸出安装槽；压紧防转结构相对第一定位柱设置于安装槽内，且压紧防转结构的限位端向上伸出安装槽后抵接叶片叶身中部的进气边。
11.进一步地，压紧防转结构包括沿安装槽的长度方向布设的活动限位块、用于转动安装活动限位块的圆柱销、用于固定活动限位块的压紧螺钉、用于推动活动限位块动作的弹性件；圆柱销穿设活动限位块后，其两端分别嵌入叶根定位块和叶尖定位块内；压紧螺钉穿设于叶尖定位块上，其端部用于顶抵活动限位块的固定端；弹性件竖直装设于叶根定位块内，且顶端伸出叶根定位块后顶抵活动限位块的底部，以使活动限位块的限位端伸出安装槽后，与叶片叶身中部的进气边顶抵。
12.进一步地，上部压紧结构包括中空且呈罩状的压紧生根件，压紧生根件位于定位支撑结构的上方，且分别与叶根定位块和叶尖定位块相连；压紧生根件内设有与叶根定位支块的两个侧面及外壁面、中部定位支块的两个侧面分别贴合定位的定位面，以实现压紧生根件的快装。
13.进一步地，上部压紧结构还包括对应叶根定位弧面设置的叶根压紧构件、对应叶尖定位弧面设置的叶尖压紧构件、对应第一定位柱设置的中部压紧构件，叶根压紧构件、叶尖压紧构件及中部压紧构件分别连接于压紧生根件内；叶根压紧构件对应叶根定位弧面压紧叶片叶根部位的叶盆型面；叶尖压紧构件对应叶尖定位弧面压紧叶片叶尖部位的叶盆型面；中部压紧构件对应第一定位柱压紧叶片叶身中部的排气边。
14.进一步地，叶根压紧构件包括用于下压叶片的型面压块，及用于推动型面压块动作的推动螺钉；型面压块上下滑动设置于压紧生根件内；推动螺钉螺纹穿设于压紧生根件的安装顶板中，其下端用于向下顶抵型面压块，其相对的上端向上穿出压紧生根件；中部压紧构件包括螺纹穿设于安装顶板中的限位螺钉，限位螺钉的下端用于顶抵叶片叶身中部的排气边。
15.进一步地，叶尖压紧构件包括用于下压叶片的自适应压块，及用于推动自适应压块动作的螺杆；螺杆螺纹穿设于压紧生根件的安装顶板中；自适应压块活动装设于螺杆的下端上，以用于自动调整与叶片叶尖部位的叶盆型面抵触的部位。
16.进一步地，自适应压块的顶部设有内凹的安装螺孔，及与安装螺孔连通的活动光孔，且自适应压块上与叶片叶尖部位的叶盆型面抵接的面为球面；螺杆上端的外圆上设有与安装顶板螺纹连接的左旋螺纹，螺杆下端的外圆上设有与安装螺孔的螺纹匹配的外螺纹，且螺杆中部的外径内缩形成不与安装螺孔干涉的细轴颈，并螺纹下端的端面为弧面。
17.本发明具有以下有益效果：
18.本发明设计出一种适用于五轴磨削机床的带冠叶片加工定位装夹夹具，使叶片通过一次装夹在五轴机床上加工多个待加工面(榫齿、缘板、榫头端面、叶冠面等部位)，简化
工艺路线，提高加工效率，加工一致性好；本发明的定位装夹夹具，由于无需采用低熔点合金浇注叶身，从而可有效避免浇注低熔点合金的缺点，及整体型面硬装夹时由毛坯误差带来的装夹变形问题，实现叶片一次装夹加工多处机加面，减少零件装夹次数，提高加工效率，加工精度及加工稳定性高；本发明的带冠叶片加工定位装夹夹具中，通过型面与点结合定位(叶根定位弧面、叶尖定位弧面、a3点及c6点)，从而有效避免单纯采用点定位时造成的零件压伤，且叶片装夹定位稳定、装夹可靠，配合五轴磨削加工效率高，一套夹具替代了原有多套夹具，满足叶片高精度加工需求。
19.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
20.构成本技术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：
21.图1是传统六点定位分布示意图；
22.图2是本发明待加工的叶片的空间结构示意图；
23.图3是图2中叶片的主视结构示意图；
24.图4是图3中d-d向叶根截面定位示意图；
25.图5是图3中e-e向叶尖截面定位示意图；
26.图6是图3中f-f向叶型点定位示意图；
27.图7是本发明定位装夹夹具中定位支撑结构定位支撑叶片的俯视结构示意图；
28.图8是本发明定位装夹夹具中压紧防转结构与定位支撑结构装配示意图；
29.图9是本发明定位装夹夹具中压紧生根件与定位支撑结构装配示意图一；
30.图10是本发明定位装夹夹具中压紧生根件与定位支撑结构装配示意图二；
31.图11是本发明优选实施例的带冠叶片加工定位装夹夹具的主视结构示意图；
32.图12是图11的俯视结构示意图；
33.图13是图11中j-j向叶根处压紧状态图；
34.图14是图11中k-k向叶身中部压紧状态图；
35.图15是图11中l-l向叶尖处压紧状态图；
36.图16是图15中叶尖压紧构件示意图。
37.图例说明
38.10、定位支撑结构；101、叶根定位弧面；102、叶尖定位弧面；103、安装槽；11、第一定位柱；12、第二定位柱；13、叶根定位块；14、叶尖定位块；15、叶根定位支块；16、中部定位支块；17、叶尖定位支块；20、上部压紧结构；21、压紧生根件；22、型面压块；23、推动螺钉；24、自适应压块；241、安装螺孔；242、活动光孔；243、球面；25、螺杆；251、左旋螺纹；252、细轴颈；253、弧面；26、限位螺钉；30、压紧防转结构；31、活动限位块； 32、圆柱销；33、压紧螺钉；34、弹性件；40、叶片。
具体实施方式
39.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。
40.参照图2-图6，本发明的优选实施例提供了一种带冠叶片加工定位装夹夹具，包括：用于对待加工的叶片40进行支撑和定位的定位支撑结构10、用于将叶片定位压紧于定位支撑结构 10上的上部压紧结构20、用于防止叶片压紧过程中转动的压紧防转结构30。定位支撑结构 10设有用于与叶片叶根部位的叶背型面贴合的叶根定位弧面101、用于与叶片叶尖部位的叶背型面贴合的叶尖定位弧面102、用于与叶片叶身中部的叶背型面点接触顶抵的第一定位柱 11、用于与叶片内流道面点接触顶抵的第二定位柱12，叶根定位弧面101和叶尖定位弧面102 用于对叶片进行支撑，并对叶片沿其榫头宽度方向的x轴及沿垂直榫齿面的y轴的移动和转动进行限位，第一定位柱11和第二定位柱12用于对叶片沿其叶身长度方向的z轴的移动和转动进行限位。上部压紧结构20连接于定位支撑结构10的上方，以在叶根定位弧面101、叶尖定位弧面102及第一定位柱11处分别对叶片进行顶抵下压。压紧防转结构30连接于定位支撑结构10上且位于叶片的一侧，以对叶片叶身中部的进气边进行抵压限位。
41.本发明带冠叶片加工定位装夹夹具中定位支撑结构10的设计思路为：为实现一次装夹加工叶片的多个待加工面，新的定位方案不能采用传统的六点定位分布，若仍采用六点定位，则只能在叶片的叶身及流道等无需机加的位置取点。如图2所示，当在叶身上选取定位点时，叶盆面为内凹面，且叶身宽度通常较小，不利于定位点结构的设计，也不利于叶片稳定定位；叶背面则类似于圆柱面，难以限制叶片绕z轴旋转；而叶片前缘与尾缘则由于铸造公差较大 (通常在0.3mm左右)，难以精确定位；另一方面，采用叶身点定位时，若出现压伤叶身则叶片将报废，因此完全采用点定位的方法不合适。故而实际设计时，叶根部位由于靠近榫头浇冒口，其叶身型面精度较高，且叶根部位靠近榫头，磨削时受力大，故而可选取一个叶根部位截面定位，如图4所示；此时，还需在叶尖部位选取一个截面用来限制叶片绕x轴或y轴转动，如图5所示，且为减少压紧过程中叶片移动，叶根截面与叶尖截面均选叶盆方向作为定位面，叶背方向压紧；此时，叶片还需限制沿z轴移动及绕z轴转动两个自由度，因此在叶片内流道面选取一点c6定位，限制沿z轴移动，并在叶身中间截面选取靠近叶片排气边的 a3点(此处型面精度较高)限制叶片绕z轴转动，如图6所示；此时叶片完全定位，如图7 所示，制造时以外形面为基准加工出定位支撑结构，将叶形定位基准转换至夹具表面。
42.装夹时，将叶片叶根部位的叶背型面支靠定位于定位支撑结构10的叶根定位弧面101上，同时将叶片叶尖部位的叶背型面支靠定位于叶尖定位弧面102上，从而通过叶根定位弧面101 和叶尖定位弧面102的配合，对叶片进行支撑，并对叶片沿其榫头宽度方向的x轴及沿垂直榫齿面的y轴的移动和转动进行限位；再使第一定位柱11顶抵叶片叶身中部的叶背型面上的 a3点，同时使第二定位柱12顶抵叶片内流道面上的c6点，通过第一定位柱11和第二定位柱12的配合作用，对叶片沿其叶身长度方向的z轴的移动和转动进行限位，从而实现叶片的支撑和定位；接着再使压紧防转结构30抵压叶片叶身中部的进气边进行限位，最后连接上部压紧结构20，使其在叶根定位弧面101、叶尖定位弧面102及第一定位柱11处分别对叶片进行顶抵下压，实现叶片的定位和装夹。
43.本发明设计出一种适用于五轴磨削机床的带冠叶片加工定位装夹夹具，使叶片通过一次装夹在五轴机床上加工多个待加工面(榫齿、缘板、榫头端面、叶冠面等部位)，简化
工艺路线，提高加工效率，加工一致性好；本发明的定位装夹夹具，由于无需采用低熔点合金浇注叶身，从而可有效避免浇注低熔点合金的缺点，及整体型面硬装夹时由毛坯误差带来的装夹变形问题，实现叶片一次装夹加工多处机加面，减少零件装夹次数，提高加工效率，加工精度及加工稳定性高；本发明的带冠叶片加工定位装夹夹具中，通过型面与点结合定位(叶根定位弧面101、叶尖定位弧面102、a3点及c6点)，从而有效避免单纯采用点定位时造成的零件压伤，且叶片装夹定位稳定、装夹可靠，配合五轴磨削加工效率高，一套夹具替代了原有多套夹具，满足叶片高精度加工需求。
44.可选地，如图7所示，定位支撑结构10还包括相对设置且相连的叶根定位块13和叶尖定位块14、支设于叶根定位块13上的叶根定位支块15和中部定位支块16、支设于叶尖定位块14上的叶尖定位支块17。叶根定位支块15的顶部内凹形成叶根定位弧面101，叶尖定位支块17的顶部内凹形成叶尖定位弧面102。第一定位柱11连接于中部定位支块16上，第二定位柱12连接于叶根定位支块15上。本发明的定位支撑结构10结构简单、容易加工制备，且为便于夹具制造，定位部分两个型面由叶尖定位块14、叶根定位块13、中部定位支块16 等部件组成，并叶尖定位块14与叶根定位块13通过销钉及螺钉连接固定。
45.优选地，如图5所示，叶尖定位弧面102与叶片叶尖部位的叶背型面部分贴合。实际设计时，由于叶型与叶尖截面之间存在互扭，为降低截面互扭对定位造成的影响，叶尖截面不适宜采用整个型面，因此选取叶尖截面的1/5型面定位，即叶尖定位弧面102，从而减小因叶型互扭造成的定位误差及压紧变形。
46.可选地，如图7和图8所示，叶根定位块13与叶尖定位块14的连接处具有内凹的安装槽103。中部定位支块16安装于安装槽103内，且顶部向上延伸出安装槽103。压紧防转结构30相对第一定位柱11设置于安装槽103内，且压紧防转结构30的限位端向上伸出安装槽 103后抵接叶片叶身中部的进气边。
47.本可选方案中，如图8所示，压紧防转结构30包括沿安装槽103的长度方向布设的活动限位块31、用于转动安装活动限位块31的圆柱销32、用于固定活动限位块31的压紧螺钉33、用于推动活动限位块31动作的弹性件34。圆柱销32穿设活动限位块31后，其两端分别嵌入叶根定位块13和叶尖定位块14内。压紧螺钉33穿设于叶尖定位块14上，其端部用于顶抵活动限位块31的固定端。弹性件34竖直装设于叶根定位块13内，且顶端伸出叶根定位块13 后顶抵活动限位块31的底部，以使活动限位块31的限位端伸出安装槽103后，与叶片叶身中部的进气边顶抵。
48.压紧防转结构30的设计思路为：以叶背两个型面(叶根定位弧面101和叶尖定位弧面102) 及中间截面一个定位点(a3点)定位完成后，在叶片压紧过程中仍易绕z轴转动，为防止压紧过程中叶片转动，在叶片中间截面进气边处设计了如图8所示的活动限位块31。工作时，活动限位块31在弹性件34的作用下可绕中间的圆柱销32旋转，待活动限位块31的限位端抵压叶片叶身中部的进气边后，拧动压紧螺钉33使其端部顶抵固定活动限位块31。本发明的压紧防转结构30中，采用独特的活动限位块31设计，以叶型精度高但定位稳定性较差的a3 点定位，再通过毛坯公差大但限位稳定的活动限位块31限制叶片转动，从而实现叶片既准确又稳定的定位。
49.叶片定位操作如下：首先松开压紧螺钉33，然后用右手压住活动限位块31的弹簧端，使活动限位块31让开位置，接着左手装入叶片，以型面及点定位好叶片后，用左手轻压
住叶片防止其移动，再松开右手使活动限位块31在弹性件34(一般采用弹簧)的弹簧力作用下与叶片中部的进气边接触，然后再拧紧压紧螺钉33，使活动限位块31挡住叶片的进气边，此时叶片进气边被活动限位块31挡住，使得叶片压紧过程中不再转动。叶片定位操作简单，一个人即可完成该操作，且无需操作者具有相关的操作经验，并叶片定位稳定、可靠。
50.可选地，如图9和图10所示，上部压紧结构20包括中空且呈罩状的压紧生根件21，压紧生根件21位于定位支撑结构10的上方，且分别与叶根定位块13和叶尖定位块14相连。压紧生根件21内设有与叶根定位支块15的两个侧面及外壁面、中部定位支块16的两个侧面分别贴合定位的定位面，以实现压紧生根件21的快装。
51.上部压紧结构20中压紧生根件21的设计思路为：为便于快换，压紧结构的压紧生根件 21设计成方块式结构，与定位支撑结构10组合成一个长方体。定位支撑结构10与压紧生根件21两者通过中部定位支块16及叶根定位支块15相互配合定位，叶根定位支块15及中部定位支块16上端分别设计1.5x15
°
的倒角作为引导，便于压紧生根件21与下部的定位支撑结构10快速安装；如图12所示，上部压紧结构20与定位支撑结构10通过四个螺钉连接，安装叶片时先将四个螺钉松开，取下上部压紧结构20后，将叶片装入定位支撑结构10后再安装上部压紧结构20。本发明的压紧生根件21，长方体的外形设计，且压紧生根件21与定位支撑结构10之间通过面与面配合，实现精确定位，将叶片型面基准转换至夹具方块上，从而保证每个零件装入夹具后可方便的采用夹具外形快速装夹，实现快速换装功能。
52.可选地，如图11和图12所示，上部压紧结构20还包括对应叶根定位弧面101设置的叶根压紧构件、对应叶尖定位弧面102设置的叶尖压紧构件、对应第一定位柱11设置的中部压紧构件，叶根压紧构件、叶尖压紧构件及中部压紧构件分别连接于压紧生根件21内。叶根压紧构件对应叶根定位弧面101压紧叶片叶根部位的叶盆型面。叶尖压紧构件对应叶尖定位弧面102压紧叶片叶尖部位的叶盆型面。中部压紧构件对应第一定位柱11压紧叶片叶身中部的排气边。设计时，在定位支撑结构10中，用到了叶根部位截面、叶尖部位截面及中间部位截面，故而上部压紧结构20的设计与定位支撑结构10对应，分别在叶根部位截面处设置叶根压紧构件、在叶尖部位截面处设置叶尖压紧构件、及在中间部位截面处设置中部压紧构件。
53.本可选方案中，如图13所示，叶根压紧构件包括用于下压叶片的型面压块22，及用于推动型面压块22动作的推动螺钉23。型面压块22上下滑动设置于压紧生根件21内。推动螺钉 23螺纹穿设于压紧生根件21的安装顶板中，其下端用于向下顶抵型面压块22，其相对的上端向上穿出压紧生根件21。设计时，叶根部位由于榫头的加工而受磨削力大，采用型面压块 22下底面的整体型面定位并用该整体型面压紧时，可增强压紧强度、保证压紧力，防止加工过程中叶片松动；型面压块22两侧分别与压紧生根件21配合，保证压紧位置准确；由于方块式结构紧凑，故而使型面压块22中间挖空，并采用推动螺钉23推动，整体结构简单，定位操作简单，且装夹简单。
54.本可选方案中，如图14所示，中部压紧构件包括螺纹穿设于安装顶板中的限位螺钉26，限位螺钉26的下端用于顶抵叶片叶身中部的排气边。中间截面设置限位螺钉26，与第一定位柱11及活动限位块31相互配合，将叶片进气边与排气边两端都挡住，进一步防止压紧过程中叶片转动。
55.本可选方案中，如图15所示，叶尖压紧构件包括用于下压叶片的自适应压块24，及
用于推动自适应压块24动作的螺杆25。螺杆25螺纹穿设于压紧生根件21的安装顶板中。自适应压块24活动装设于螺杆25的下端上，以用于自动调整与叶片叶尖部位的叶盆型面抵触的部位。
56.本可选方案的具体实施例中，如图16所示，自适应压块24的顶部设有内凹的安装螺孔 241，及与安装螺孔241连通的活动光孔242，且自适应压块24上与叶片叶尖部位的叶盆型面抵接的面为球面243。螺杆25上端的外圆上设有与安装顶板螺纹连接的左旋螺纹251，螺杆 25下端的外圆上设有与安装螺孔241的螺纹匹配的外螺纹，且螺杆25中部的外径内缩形成不与安装螺孔241干涉的细轴颈252，并螺纹下端的端面为弧面253。
57.叶尖压紧构件的设计思路为：叶尖截面处采用螺杆25推动一自适应压块24压紧型面，螺杆25前段设计成一小段螺纹与自适应压紧24的安装螺孔241的螺纹配合，中间部分削小形成细轴颈252，尖端设计成弧面253推动自适应压块24。自适应压块24中部挖空形成安装螺孔241和活动光孔242，活动光孔242用于容纳螺杆25的尖端，此时自适应压块24装入螺杆25后可自由活动。自适应压块24与叶片型面接触部位设计成球面243，压紧时根据叶形自动适应压紧方向。由于叶型排气边向上，自适应压块24压紧时均是靠排气边处与叶片接触，若采用普通螺纹，则压紧过程中自适应压块24旋转将带动叶片往榫头方向移动，此时位于内流道上的c6点定位位置将发生松动，因此将自适应压块24处螺纹设计为左旋螺纹251，使得压紧过程中叶片受到往叶尖方向的摩擦力，保证c6点定位稳定。
58.优选地，型面压块22、限位螺钉26、自适应压块24三者与叶片叶盆接触部位均进行焊铜处理，保护叶片不被压伤。
59.本发明定位装夹夹具的使用步骤为：松开叶根压紧构件、叶尖压紧构件及中部压紧构件；松开上部压紧结构20与定位支撑结构10之间的四处螺钉；取下上部压紧结构20；装入叶片并定位完成；装入上部压紧结构20；拧紧上部压紧结构20与定位支撑结构10之间的四处螺钉；调节中间截面限位螺钉26，使叶片无法绕z轴旋转；预压紧叶根处型面压块22；压紧叶尖处螺杆25；压紧叶根处型面压块22。
60.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。