叶片曲面定位夹具设计

曾瑜ZENGYu

（渤海装备兰州石油化工机械厂，兰州730060；甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心，兰州730060）

（BohaiPetroleumEquipmentLanzhouPetrochemicalMachineryPlant，Lanzhou730060，China；

GansuRefiningSpecialEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenter，Lanzhou730060，China）

摘要：针对叶身型面采用无余量精铸的静叶片，只加工静叶片圆弧菱形榫头板并保证静叶片叶身型面与圆弧菱形榫头板的相互位置精度及尺寸精度，设计制作专用定位夹具，解决了加工静叶片圆弧菱形榫头板时的定位及装夹问题。

Abstract:Forthestatorbladewithoutmargincastingusedinleafbodytypesurface,thispaperonlyprocessesthestationarybladearcdiamondtenonboardtoensuremutualpositionalaccuracyanddimensionalaccuracyofstationarybladeleafbodytypesurfaceandarcdiamondtenonboard,anddesignsspecialpositioningfixture,whichsolvesthelocatingproblemandclampingproblemofprocessingstationarybladearcdiamondtenonboard.

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关键词 ：叶片；夹具；设计

Keywords:blade；fixture；design

中图分类号：TG75文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）21-0096-03

0引言

烟气轮机是供炼油厂使用的高效、节能的动力机械装备，是一种集新技术、新材料、新工艺于一身的高科技产品。静叶片是烟气轮机重要的零部件，材料为高温合金，它与静叶环组装后成为静叶组件，起到引导烟气，改变烟气的速度、方向和压力的作用，静叶片的气道型面由空间三维曲面构成，是烟气轮机制造过程中最难加工的零件之一。为保证用户对装备的高性能、可靠性以及工作寿命的要求，设计时对静叶片的材料选择、结构、制造精度提出很高的要求，其加工质量更直接关系到机组的工作性能。为保证制造质量,静叶片的气道型面采用无余量精密铸造，而与它相连接的圆弧菱形榫头板在加工中存在着如何定位和装夹的问题，只有设计专用工艺装备，以无余量精密铸造的气道型面为定位基准，采用菱形定位箱装夹的方法，加工圆弧菱形榫头板。用比较抽象的三维曲面作为定位基准并用菱形定位箱装夹是设计的难点。

1制造方案

从示意图中可知，静叶片由圆弧菱形榫头板和叶身型面两部分组成。圆弧菱形榫头板不仅有平面的加工还有圆弧面的加工。叶身型面构成气流通道，为提高能量转换效率，叶身型面首先符合气体动力学要求，而且还要满足结构强度和加工工艺的要求。由于静叶片采用型面纵向曲率变化较大的端弯与大扭角方式，型面加工要求测量的特征截面数量较多，各截面轮廓精度与位置精度要求严格，且靠近叶片根部的型线扭曲程度很大，产生部分不易加工的区域。采用以往叶片型面靠手工打磨抛光成型的传统加工方式已经不能满足叶片型面几何精度的要求，且目前采用五轴机床加工的难度也极大，出现“加工死角”，还严重影响加工效率。为此，叶身型面采用无余量精铸的制造工艺，解决了叶身型面不易加工的难题。而圆弧菱形榫头板的加工，又成为静叶片加工的另一难点。静叶片属于典型的异型零件，加工圆弧菱形榫头板没有合适的定位基准，无法装夹。利用静叶片叶身是无余量精铸型面的特质，改变以往加工是以圆弧菱形榫头板为基准的定位方案，采用基准转换到叶身型面的定位方法，解决这一问题。考虑到圆弧菱形榫头板的圆加工，需在静叶片毛坯上设计出一圆弧定位工艺头，在精铸叶片时将工艺头与叶片一并铸造成型。静叶片毛坯示意图如图2所示。

由此可见在静叶片毛坯示意图中叶身型面为无余量精铸，设计专用样板检查叶身每个截面的型线精度，保证其透光度小于0.13mm，圆弧菱形榫头板及圆弧定位工艺头各加工面留有5mm加工余量，精加工圆弧菱形榫头板和工艺头各平面及圆弧面至成品尺寸。如何以无余量精铸叶身型面为基准加工圆弧菱形榫头板保证相对位置，以及如何在机床上定位装夹工件是加工中急需解决的难题。

2夹具的设计

首先，设计出能够定位且夹紧工件的——菱形定位箱，菱形定位箱为球墨铸铁件，加工后具有很高的表面硬度、韧性及强度，内部空腔截面的面积大于叶片圆弧菱形榫头的截面面积，周边的三处平面为加工叶片的定位基准，其加工精度很高，要求达到IT5~IT6精度。内腔中的工件定位于箱体内，从定位箱上部的浇注孔浇注低温热缩冷涨合金，待合金冷却后，叶片型面完全固定在箱体内，再以箱体的各定位面为基准加工圆弧菱形榫头板及圆弧定位工艺头。如图3所示。

如何将工件按定位要求装入菱形定位箱是叶片曲面定位夹具的设计点。曲面定位夹具是截取静叶片无余量精铸的叶身型面的两个截面为基准定位，分析找出与其相对应的最佳受力点压紧。

夹具主要由5部分组成，底座、定位块1、定位块2、支承座1、支承座2、菱形定位箱；夹具的装配如图4所示。

底座——是所有定位块和支撑块座的载体，是整个夹具的装配基准；

定位块——定位且支撑叶身型面内圆弧；

支撑块——支撑块上的螺钉起到了顶紧叶身背弧的作用；

定位销——限制工件的轴向位移。

从夹具设计原理可知，一个在空间处于自由状态的刚体，具有六个自由度，即：沿三个互相垂直的坐标轴的移动自由度，以及绕这三个坐标轴的转动自由度。定位块和支撑块完全限制了转动自由度，水平自由度，垂直自由度；定位销限制了工件的沿轴向自由度，工件的六个自由度全部被限制而在空间占有完全确定的唯一位置，实现了完全定位。

工件受力分析：工件的夹紧力设计重点在于确定支承座上螺钉的高度及位置，通过力学原理可知，如需将工件紧固在夹具上，要有一个向下和水平的力分别限制叶片垂直方向及水平方向的位移，为保证叶身定位准确，垂直分力应大于水平分力，即F×sina>F×cosa，可推出a角应大于45°，如图5所示。

依据受力分析可知，支承座上螺钉孔的位置应高于背弧横轴方向最高点的位置，且须前后两点进行压紧。

3夹具的操作

操作时首先将菱形定位箱按设计要求固定在夹具上，浇注冒口朝正上方，将工件穿过菱形定位箱型腔孔，当定位销与圆弧菱形榫头板外圆表面接触时实现径向定位，叶身型面内弧分别与定位块1和定位块2的型线刀口贴服，当各定位点确定牢靠后，用支承座上的螺钉沿叶身型面背弧最高处顶紧。工件横向卧式定位于工装上，完成了轴向定位、限制了工件的6个自由度。在确定工件定位、装夹准确无误后，从菱形定位箱上方的浇注孔内倒入融化的高温热缩冷涨合金，待合金冷却后，松动支承座上的螺钉，将菱形定位箱与工件一并取出，即可进行圆弧菱形榫头板的铣削加工。

4实效分析

①夹具设计简约，操作方便，安全省力，夹紧迅速。

②由于菱形定位箱质量较大，装夹工件时是将菱形定位箱定位在夹具上，再将叶片穿入菱形定位箱，这样的装卸方式使得一个人就可以完成整个浇注工件的工序。

③夹具运用力学原理，夹紧叶片时既保证了工件定位基准位置不变，又保证了工件不会产生夹紧变形，从而保证了叶片圆弧菱形榫头板及叶身型面的相对位置。

5结语

本文从静叶片结构设计和加工制造角度进行分析，改变了以往夹具设计理念，创新设计了新型夹具，完成了静叶片圆弧菱形榫头板的加工，解决了无余量精铸型面的静叶片毛坯加工问题，为以后此类的叶片加工奠定了基础。

本文提出的设计方案已应用于实际生产，并得到了较好的效果。

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参考文献：

[1]龚定安，蔡建国.机床夹具设计原理[M].陕西：陕西科学技术出版社，1981.

[2]陈立德.工装设计[M].上海：上海交通大学出版社，1999.

[3]陆根奎.车工技师培训教材[M].北京：机械工业出版社，2001.