球形定位技術(shù)在渦輪葉片生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

聶東冰，張 濤，段朋國(guó)

（1. 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；2. 中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安 710021）

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的增加，渦輪前溫度大幅提升，渦輪葉片冷卻問(wèn)題日漸突出。采用全氣膜覆蓋冷卻葉片是解決此問(wèn)題的重要手段之一，它通過(guò)在葉片表面設(shè)置大量的氣膜孔，把內(nèi)腔出流的冷氣均勻地覆蓋在葉片表面，形成低溫保護(hù)膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片基體材料的有效防護(hù)。

全氣膜覆蓋的渦輪冷卻葉片葉身布滿氣膜孔，雖然有利于冷卻，但對(duì)葉片加工卻提出了挑戰(zhàn)。渦輪葉片使用6個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)建立葉片基準(zhǔn)坐標(biāo)系，即六點(diǎn)定位[1-2]。6個(gè)定位點(diǎn)一般設(shè)置在葉身與緣板流道表面，氣膜孔制孔時(shí)定位點(diǎn)與孔干涉，不能直接使用。目前通常采用將全部定位點(diǎn)轉(zhuǎn)換到工裝夾具的方式解決制孔干涉問(wèn)題，但此時(shí)建立的基準(zhǔn)并不能在后續(xù)加工中使用，因此緣板前后端面、側(cè)端面、安裝孔等加工時(shí)需要再次進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。制孔時(shí)定位點(diǎn)的轉(zhuǎn)換存在兩個(gè)不利之處，一是需要設(shè)計(jì)多個(gè)工裝承載新的定位點(diǎn)，增加了工藝的復(fù)雜性，另一個(gè)是基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換帶來(lái)誤差累積，不利于氣膜孔位置度控制[3-10]。

針對(duì)全氣膜覆蓋渦輪冷卻葉片生產(chǎn)加工的復(fù)雜性，基于葉片定位原理，提出了球形定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了球面基準(zhǔn)在葉片定位中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。首先給出了球定位技術(shù)的基本原理，分析了此種定位方式的特點(diǎn)，結(jié)合某型葉片設(shè)計(jì)加工進(jìn)行了球定位技術(shù)的應(yīng)用研究，最后將該技術(shù)與傳統(tǒng)的六點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，球定位技術(shù)的應(yīng)用可以有效減少葉片加工中基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換次數(shù)，減少工裝設(shè)計(jì)，提高制孔精度，提升葉片加工質(zhì)量。

1 球定位技術(shù)

1.1 球定位技術(shù)原理

在直角坐標(biāo)系中，葉片定位一般指通過(guò)限制X、Y、Z軸向移動(dòng)的3個(gè)自由度和繞此三軸旋轉(zhuǎn)的3個(gè)自由度，使葉片在工裝夾具中占據(jù)正確的位置。在球坐標(biāo)（r,θ，φ）中，通過(guò)限制距離r、仰角θ和方位角φ同樣可以實(shí)現(xiàn)葉片的完全固定。葉片設(shè)計(jì)中球形定位包括兩個(gè)半球面和一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)，如圖1所示。兩個(gè)半球面SR1、SR2位于緣板的外側(cè)，用以限定球坐標(biāo)中的距離r和仰角θ。在球面約束下，葉片僅能沿兩球心確定的軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即只有方位角φ自由。在葉身葉背無(wú)氣膜孔處選取點(diǎn)A采用點(diǎn)接觸的方式對(duì)葉片進(jìn)行約束，限制葉片的旋轉(zhuǎn)，固定方位角φ，從而完成球坐標(biāo)系下葉片的全約束定位。由于此種定位系統(tǒng)通過(guò)限制球坐標(biāo)下的葉片自由度建立，因此稱為葉片球定位系統(tǒng)。

圖1 球定位原理Fig.1 Principle of spherical localization

分析球定位的結(jié)構(gòu)形式，球定位系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）葉片定位結(jié)構(gòu)相配的定位夾具主要由球面構(gòu)成，夾具零組件數(shù)目少且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位約束相對(duì)較少；

（2）球面定位方式接觸面積大，單位面積感受的壓應(yīng)力較小，定位穩(wěn)定；

（3）定位球面、定位點(diǎn)與葉身的氣膜孔互不干涉；

（4）定位球面位于緣板外側(cè)的鑄造區(qū)域，相對(duì)獨(dú)立。

1.2 球定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述原理，在某型導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了球形定位結(jié)構(gòu)。

（1）在葉身外型線積疊軸延長(zhǎng)線與上緣板外端面交點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)直徑φ3mm的凹半球球面結(jié)構(gòu)SR1；

（2）在葉身外型線積疊軸延長(zhǎng)線與下緣板外端面交點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)直徑φ2mm的凹半球球面結(jié)構(gòu)SR2；

（3）在葉身中截面葉背側(cè)無(wú)氣膜孔位置選取一點(diǎn)A，用來(lái)限制葉片的周向旋轉(zhuǎn)。

理論上，兩個(gè)半球面與不經(jīng)過(guò)球心連線的另外一點(diǎn)完全可以確定葉片的空間位置，實(shí)現(xiàn)葉片的全約束定位。但按照上述步驟完成設(shè)計(jì)的葉片容易出現(xiàn)裝夾磨損和定位工裝打滑現(xiàn)象，不能滿足實(shí)際需要。因此，球定位結(jié)構(gòu)增加了保持工裝夾持穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（4）在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，上緣板半球面SR1的下端面設(shè)計(jì)一個(gè)直徑小于φ3mm的小型凹球面SR3，直徑φ1mm，小凹球面的球心同樣在葉片外型線積疊軸延長(zhǎng)線上，球心位置相對(duì)于SR1低1mm；同時(shí)將球面SR1的開(kāi)口放大，設(shè)計(jì)成15°的錐形開(kāi)口形式，由此上緣板的定位球面形成了一種錐形嵌套大球面，大球面嵌套小球面的結(jié)構(gòu)形式（如圖2）。

此種上緣板大小球面嵌套的結(jié)構(gòu)形式，有利于提高定位精度，有效防止SR1、SR2球面約束葉片定位系統(tǒng)中的r和仰角θ時(shí)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，15°開(kāi)口的錐面則可以方便工裝的安裝，形成定位工裝的引導(dǎo)面。

圖2 葉片上的球定位結(jié)構(gòu)Fig.2 Spherical localization structure in vane

2 加工驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證球定位技術(shù)在葉片生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性，選取一批次的全氣膜覆蓋渦輪導(dǎo)向葉片進(jìn)行了加工驗(yàn)證。分別從工裝設(shè)計(jì)、定位的穩(wěn)定性以及制孔工藝性方面檢驗(yàn)了該定位系統(tǒng)。

2.1 球定位工裝設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的球定位系統(tǒng)，完成了球形定位工裝的設(shè)計(jì)，葉片在定位工裝的裝卡如圖3所示。球形頂針?lè)謩e與葉片上、下緣板的定位球面緊密貼合，形成對(duì)葉片的支撐固定；按照設(shè)計(jì)角度將工裝豎直調(diào)節(jié)桿上的定位點(diǎn)調(diào)節(jié)至理論位置，施加外力將葉片壓緊在調(diào)節(jié)桿理論點(diǎn)，葉片完成被約束。此種工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，生產(chǎn)加工均比較方便。

圖3 球定位工裝約束下的葉片F(xiàn)ig.3 Vane under the constraint of spherical localization

2.2 定位的穩(wěn)定性與可靠性

任意選取一件葉片，在球定位方式下，分別裝夾兩次檢測(cè)葉片同一型面的重合度，兩次裝夾獲得的葉片型面線重合度如圖4所示?？梢钥闯觯捎们蚨ㄏ到y(tǒng)固定的葉片兩次裝夾同一型面的最大偏差約為0.01mm，公差帶分布相對(duì)均勻。結(jié)果表明球定位工裝穩(wěn)定可靠，可重復(fù)裝夾性強(qiáng)。

2.3 制孔工藝性

采用球定位系統(tǒng)進(jìn)行了本批次葉片氣膜孔加工。在基準(zhǔn)不轉(zhuǎn)換的前提下，可以完成葉身全部氣膜孔和緣板大部分孔的加工。僅有緣板側(cè)少部分與定位工裝干涉的氣膜孔，需要轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)后加工。由于減少了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，葉片氣膜孔的加工精度提高，工藝簡(jiǎn)化。

圖4 球定位下兩次裝夾測(cè)量的葉片型面偏差Fig.4 Deviation of the vane profile in different clamping of spherical localization

3 球定位與六點(diǎn)定位對(duì)比分析

目前,渦輪葉片生產(chǎn)中主要應(yīng)用六點(diǎn)定位，球形定位尚未引入工程化生產(chǎn)，通過(guò)上文中的加工驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)球形定位相對(duì)于傳統(tǒng)的六點(diǎn)定位方式存在多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：（1）葉片定位結(jié)構(gòu)相配的定位夾具主要由3個(gè)帶球面的圓柱構(gòu)成，定位約束少于六點(diǎn)定位，工裝設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)便，穩(wěn)定性強(qiáng)；（2）葉片加工過(guò)程中球定位系統(tǒng)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換相對(duì)較少，累積誤差少，有利于關(guān)鍵尺寸的控制。

同時(shí)，球定位方式也存在一些不足：（1）球面定位技術(shù)適用于具有上下承載結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向葉片，對(duì)于轉(zhuǎn)子葉片的適用性尚待進(jìn)一步研究；（2）球定位孔通過(guò)無(wú)余量鑄造方式完成，鑄造過(guò)程中的偏差對(duì)葉片加工影響較大，因此定位球面需要較高的鑄造精度。另外，工廠六點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用比較成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富，球形定位技術(shù)上尚無(wú)大規(guī)模的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用中需要不斷摸索，必要時(shí)仍需要借助六點(diǎn)定位系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

（1）球形定位技術(shù)應(yīng)用于渦輪葉片定位設(shè)計(jì)，適用于具有上下緣板承載結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向葉片；

（2）球形定位工裝具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位穩(wěn)定，可靠性高，獨(dú)立性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；

（3）相對(duì)于六點(diǎn)定位，球形定位避免了制孔時(shí)的定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，減少了工裝設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了加工工藝性，提高了氣膜孔加工質(zhì)量和制孔效率；

（4）試加工經(jīng)驗(yàn)表明，球形定位技術(shù)完全適用于全氣膜覆蓋渦輪導(dǎo)向葉片的工程化生產(chǎn)。

通過(guò)試制加工，對(duì)球形定位技術(shù)存在的問(wèn)題及改進(jìn)建議如下：

在球定位技術(shù)應(yīng)用初期，建議采用六點(diǎn)定位系統(tǒng)對(duì)球定位系統(tǒng)進(jìn)行校核，避免定位球面鑄造精度不足帶來(lái)加工誤差。

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