葉片型面多自由度數(shù)控化成型裝置設(shè)計(jì)

李翊萌　郭浩男　蘭亮云

摘? 要：文章介紹了現(xiàn)有航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片型面成型裝置在實(shí)際使用中存在的問(wèn)題，論述了進(jìn)行葉片型面多自由度數(shù)字化成型裝置設(shè)計(jì)過(guò)程，包括葉片成型裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、葉片成型單元控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，最終設(shè)計(jì)完成了可實(shí)現(xiàn)葉片和模具之間的多自由度調(diào)整功能和數(shù)字化控制的成型裝置。

關(guān)鍵詞：成型裝置;多自由度調(diào)整;數(shù)字化控制

中圖分類號(hào)：V263? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0100-03

Abstract： This paper introduces the problems existing in the practical use of the existing aero-engine blade surface forming device， and discusses the design process of the blade surface multi-degree-of-freedom digital forming device， including the overall structure design of the blade forming device， the blade forming unit control structure design， the blade clamping motion unit structure design and so on. Finally， the forming device is designed and completed， which can realize the multi-degree-of-freedom adjustment function and digital control between the blade and the mold.

Keywords： forming device; multi-degree-of-freedom adjustment; digital control

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造技術(shù)是透平機(jī)械制造業(yè)中最復(fù)雜的技術(shù)之一，其中精密冷輥軋技術(shù)是目前現(xiàn)有加工工藝方法中效率最高、成本最低的葉片型面加工技術(shù)，更重要的是可使葉片的機(jī)械性能、產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能得到提高，有利于葉片材料潛在性能的發(fā)揮。因此，這項(xiàng)技術(shù)得到世界上航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的高度重視。

目前，制約葉片輥軋技術(shù)發(fā)展的最重要的因素就是葉片軋制成型精度較低、分散度大。隨著輥軋模具設(shè)計(jì)制造水平和軋制坯料精度的提高，葉片軋制精度得到相應(yīng)提升，但軋制所使用的設(shè)備狀態(tài)未獲得改進(jìn)和提升，成為影響葉片軋制成型精度提升的重要障礙。

1 原有成型裝置存在的問(wèn)題

在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)中，中國(guó)航發(fā)黎明、東安、南方動(dòng)力等公司都在采用精密冷輥軋成型工藝[1]進(jìn)行葉片生產(chǎn)，上述公司所使用的設(shè)備中最先進(jìn)的也僅僅是仿制前蘇聯(lián)上世紀(jì)七十年代BC-100M型輥軋機(jī)的JQ16、JQ71型輥軋機(jī)，見(jiàn)圖1所示。

JQ71型軋機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電器系統(tǒng)構(gòu)成。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，具有良好的剛性，故障率低。JQ71型軋機(jī)由液壓系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)工作，液壓系統(tǒng)的工作由電器控制，電器系統(tǒng)的指令來(lái)源于人工按鍵和機(jī)械系統(tǒng)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)。各系統(tǒng)控制精度低、狀態(tài)不穩(wěn)定、無(wú)閉環(huán)反饋。軋機(jī)在使用過(guò)程中存在的以下問(wèn)題：

（1）上下軋輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)同步性受軋制過(guò)盈量影響較大[2]，易造成葉片盆背型面相對(duì)錯(cuò)移。

（2）在軋制過(guò)程中，模具在葉片上的咬入位置不準(zhǔn)確，易造成葉型相對(duì)基準(zhǔn)位置產(chǎn)生偏差。

（3）在葉片軋制過(guò)程中，葉片和輥軋模具運(yùn)動(dòng)速度不可調(diào)整，葉片處于拉伸或壓縮狀態(tài)，影響成型精度。

（4）葉片與軋模之間三個(gè)自由度依靠手動(dòng)調(diào)整，精度低，剩余三個(gè)自由度要依靠更換工裝進(jìn)行調(diào)整。

（5）葉片軋制狀態(tài)受液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)的影響大。

2 葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)吸收、借鑒JQ71型軋機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重新進(jìn)行葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)解決JQ71型軋機(jī)在使用過(guò)程中暴露出的問(wèn)題，應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)技術(shù)，滿足葉片成型裝置功能需求。

將葉片成型裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，即葉片成型單元和葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元。兩個(gè)單元在結(jié)構(gòu)上相對(duì)獨(dú)立，有利于獲得較高的制造精度、合理的結(jié)構(gòu)布局，利于安裝、調(diào)試及日常維護(hù)維修。

兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元在功能上實(shí)現(xiàn)相互承接，葉片成型單元主要承擔(dān)軋輥軸的安裝固定、運(yùn)動(dòng)控制和位置調(diào)整等功能。葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元主要實(shí)現(xiàn)葉片夾持、葉片軋制運(yùn)動(dòng)和葉片六個(gè)自由度調(diào)整功能。

兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元在葉片成型過(guò)程中，依據(jù)成型裝置的控制系統(tǒng)所發(fā)出具體操作指令，緊密配合完成葉片型面成型過(guò)程。

采用兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)原有軋制的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)和完善。JQ71型軋機(jī)軋制初始階段，葉片和軋模同時(shí)運(yùn)動(dòng)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中完成葉片咬入，導(dǎo)致咬入過(guò)程不準(zhǔn)確。改進(jìn)后葉片由葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元送至固定位置，等待模具的穩(wěn)定咬入和軋制，進(jìn)而解決葉片軋制咬入不穩(wěn)定的問(wèn)題。成型裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

3 葉片成型單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片成型單元用于葉片的型面成型，輥軋模具安裝在上下軋輥軸上，上下軋輥軸同向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行葉片的成型。為了滿足葉片的成型要求，葉片成型單元需要具備以下的功能：

（1）克服葉片成型過(guò)程中所產(chǎn)生的變形力，保證成型裝置具有足夠的剛性。

（2）具備上、下軋輥相對(duì)位置的調(diào)整功能（沿軋輥軸中心軸向方向）。

（3）具備軋制過(guò)盈量的調(diào)整功能（上、下軋輥軸中心距的調(diào)整）。

（4）具備軋輥軸旋轉(zhuǎn)速度的調(diào)整功能。

針對(duì)上述所需實(shí)現(xiàn)的功能，所開(kāi)展設(shè)計(jì)的工作主要包括：上下軋輥軸尺寸與軸向調(diào)整方式的設(shè)計(jì)、上下支撐輥軸尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)、下軋輥軸與下支撐輥軸沿兩軸中心線方向的移動(dòng)方式設(shè)計(jì)以及葉片成型單元框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在上述設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始前，首先要確定葉片成型裝置所成型葉片的尺寸范圍和材料，確定葉片成型過(guò)程中所產(chǎn)生的變形力，同時(shí)沿用JQ71型軋機(jī)上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸，以此做為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。按照由內(nèi)向外的設(shè)計(jì)過(guò)程逐層依次進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，根據(jù)軋制變形力計(jì)算出上下支撐輥兩端軸承尺寸及支撐輥軸的直徑，支撐輥上安裝有一對(duì)齒輪，齒輪與上下軋輥軸的齒輪相嚙合，將扭矩傳遞給上下軋輥軸，上下軋輥軸將所承擔(dān)的葉片變形力傳遞給上下支撐輥，上下支撐輥并通過(guò)兩端軸承傳遞給葉片成型單元的框架，上下支撐輥的一端連接著使上下支撐輥轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓油缸機(jī)構(gòu)。

上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸沿用JQ71型軋機(jī)，上下軋輥軸的兩端安裝著與上下支撐輥軸相同模數(shù)的一對(duì)齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承和止推端蓋。上、下軋輥沿軋輥軸中心軸向方向的調(diào)整則通過(guò)止推端蓋兩端的楔鐵插入和拔出來(lái)實(shí)現(xiàn)。軋輥軸與支撐輥之間的關(guān)系見(jiàn)圖3所示。

葉片成型單元安裝完成后，上軋輥軸和上支撐輥通過(guò)框架和軸輥兩端的軸承保持沿兩軸中心連線的方向上的確定位置，對(duì)于軋制過(guò)盈量的調(diào)整功能是通過(guò)下楔鐵的移動(dòng)來(lái)調(diào)整下軋輥和下支撐輥的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 軋輥軸與支撐輥關(guān)系圖

4 葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元主要功能是實(shí)現(xiàn)葉片夾持、葉片軋制運(yùn)動(dòng)和葉片六個(gè)自由度調(diào)整功能。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的葉片，其裝夾定位的方式也存在差異，這就需要配備專門的夾持工具[3]，在葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留出安裝夾持工具接口。

葉片的軋制運(yùn)動(dòng)是葉片在軋制過(guò)程中，葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元在成型裝置的控制系統(tǒng)的控制下，沿著垂直于軋輥中心線的方向以規(guī)定的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，完成葉片的軋制過(guò)程。

葉片六個(gè)自由度調(diào)整功能是葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先是X、Y、Z三個(gè)自由度的位置調(diào)整，這個(gè)調(diào)整是通過(guò)三組直線導(dǎo)軌、螺桿機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。直線導(dǎo)軌用于實(shí)現(xiàn)葉片夾持運(yùn)動(dòng)單元的導(dǎo)向，螺桿機(jī)構(gòu)是將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化葉片夾持單元的直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的速度依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)控制，移動(dòng)量則依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)控制。平動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

對(duì)于繞X、Y、Z三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)整功能是通過(guò)三組渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，移動(dòng)量則依靠步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)來(lái)控制。此外，為了保證運(yùn)動(dòng)精度，在葉片夾持單元設(shè)有相應(yīng)的傳感器，用于修正運(yùn)動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

在葉片型面多自由度數(shù)控化輥軋成型裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，分析和借鑒JQ71型輥軋機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和存在的缺陷，嘗試采用單元模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用數(shù)字化控制，并進(jìn)行多自由度調(diào)整功能的設(shè)計(jì)，在運(yùn)動(dòng)部位設(shè)有相應(yīng)的傳感器，用于修正運(yùn)動(dòng)誤差，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，提升輥軋成型裝置的精度和功能，有利于提升葉片冷輥軋精度水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑋，耿文冉，孔祥偉.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片冷輥軋過(guò)程本構(gòu)模型[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（06）：5-8.

[2]王立萍，孫佩斯，趙紅陽(yáng)，等.過(guò)盈量對(duì)熱力耦合銅套鋼芯鑄軋輥應(yīng)力分布影響的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（08）：138-144.

[3]韓慶元.基于自動(dòng)化加工的葉片裝夾方案[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2016（11）：137-140.