基于自動化加工的葉片裝夾方案

韓慶元

(中航國際航空發展有限公司,北京 100101)

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基于自動化加工的葉片裝夾方案

韓慶元

(中航國際航空發展有限公司,北京 100101)

葉片加工自動線能夠實現一次裝夾，完成包括型面、凸臺、葉冠、葉根圓角等多個空間曲面的加工，葉片毛坯與機床的高效準確定位和自動鎖緊松開，是葉片實現自動化的關鍵所在。研究了一種基于自動化加工的葉片裝夾方案，大大節省了重新找正零點的輔助時間及高昂的準備成本，保證了工作的連續性，提高了工作效率和加工精度。

鎖緊；自動化;找正零點

葉片是汽輪機、航空發動機等設備的核心部件,在航空發動機、燃氣輪機制造中各類葉片所占比重約30%,葉片質量的好壞，直接關系著航空發動機、燃氣輪機等這些關乎國計民生的高端裝備的質量水平。隨著電力、能源、航空航天和國防工業的高速發展，汽輪機、燃氣輪機廠家的產能將進一步擴大，葉片需求量也將大幅度增加。葉片加工自動化很好地解決了葉片批量生產的質量和效率問題，在生產中取得了很好的效果。葉片自動裝夾是葉片加工實現自動化的關鍵所在。

1 葉片的工藝特點

葉片型面為空間曲面，形狀復雜，葉根圓角由多個變直徑的圓弧組成，有的葉身中部還帶有阻尼臺。此外葉片為薄壁結構，其加工工藝性差，在切削力、夾緊力、切削熱等因素的影響下，易發生加工變形，造成加工精度的損失,而且葉片不同區域的剛性也不相同。所以葉片加工的難度和復雜性非常之高，要實現葉片的自動化、批量化加工更是難上加難。

2 基于自動加工的葉片裝夾方案的制定

葉片加工的自動化進程中，自動上下料的實現尤為重要；在自動上下料過程中，最關鍵的技術之一就是葉片毛坯(圖1)和葉片成品(圖2)的抓取。目前對葉片( 毛坯或成品) 的抓取位置主要有兩種，其中一種是直接抓取葉片的葉身部分，即加工過程中由毛坯加工至成品的部分；另一種是在毛坯一端多留出材料作為抓取位置，即增加了毛坯的最終去除材料。

對于第一種情況，由于葉片加工成型以后型面復雜，且很多葉片是由方鋼毛坯加工至成品。所以直接抓取葉身部分在抓取毛坯和抓取成品時的形狀差異較大，若使用同一手爪進行抓取，容易抓取失誤，出現工件掉落等狀況，即使使用不同的手爪分別抓取毛坯和成品，也會由于加工成型后的葉身型面復雜( 多數葉片的葉身為空間曲面，許多葉片的葉身中間還帶有凸臺) 而對手爪的要求極高，也難以單純通過工具的增加確保抓取的可靠性。

對于第二種情況，因為葉片的材料多采用價格不菲的高溫合金，所以為了節約成本，加工廠商對于毛坯( 尤其是用方鋼加工葉片)，其預留去除的毛坯部分的材料留量很小( 只在一端留有2～3 mm 的余量)。但是即使是只針對單個抓取手爪的情況，也至少需要留出15 mm的毛坯尺寸，很大程度上造成了材料的浪費。

有鑒于此，本文提出一種用于葉片加工機床的自動上下料隨行夾具，旨在無需要增加葉片毛坯余量尺寸的前提下，可靠地實現對葉片的自動抓取。

自動抓取方案具體為一種用于葉片加工機床的自動上下料隨行夾具，包括裝夾部、抓取部和機床對接部，所述抓取部設于所述裝夾部和所述機床對接部之間；所述抓取部與自動上下料手爪相配合；所述裝夾部與葉片相連接。隨行夾具如圖3所示。

自動上下料隨行夾具的隨夾方法具體包括如下步驟：首先通過裝夾部1 將隨行夾具和葉片6(毛坯) 固定連接，并將固定連接的隨行夾具和葉片毛坯裝入料倉；自動上下料手爪夾緊抓取部2 上的抓取溝槽5，從料倉中抓取葉片毛坯，并將葉片毛坯送至葉片加工機床，機床對接部3 的機床接口與機床工件軸相匹配，機床對接部的機床接口中部的角向定位裝置( 銷軸4) 與機床工件軸端面的角向定位裝置相匹配，通過自動上下料手爪與機床工件軸的配合，實現葉片毛坯的自動夾緊，葉片毛坯的自動上料過程完成；上料完成后，自動上下料手爪離開加工區域，葉片加工機床將葉片毛坯加工至葉片成品后，自動上下料手爪夾緊抓取部2 的抓取溝槽5，機床工件軸自動松開機床接口，自動上下料手爪將固定連接的隨行夾具和葉片6(成品) 送回料倉，葉片成品的自動下料過程完成；至此，一個葉片工件的自動上下料循環結束。在自動上下料過程中，自動上下料手爪不直接抓取葉片6(毛坯或成品)，而是直接抓取隨行夾具，確保了自動抓取的可靠性，又無需增加葉片毛坯的余量尺寸，節約了材料成本。

3 自動上下料隨行夾具具體結構

自動上下料隨行夾具與機床的準確定位和自動鎖緊松開，是機床對接部的關鍵所在，只有解決好這個問題才可以節省重新找正零點的輔助時間和高昂的準備成本，保證工作的連續性，提高工作效率，同時大大提高了加工精度。

工件在主軸上的快速準確定位是通過錐面和主軸錐孔配合來實現的。夾具與機床對接的形式見圖4。

錐柄形式采用HSK100B(如圖5)，主要因其錐部長度短和采用空心結構后質量較輕，故自動上下料動作快，縮短機械手移動時間，加快工件移動速度，有利于實現自動上下料的高速化。加大的法蘭盤是為了留出與工件夾具連接螺釘孔位置以及定位銷的位置。定心靠1:10錐面，軸向通過法蘭端面與頭架主軸端面(如圖6)貼合實現定位，圓周角向定位靠定位銷。

夾具的夾緊和松開是通過一套拉桿機構(如圖7)來實現的，碟簧拉緊，液壓松開。

自動上下料手爪夾緊抓取通過抓取溝槽來實現，

根據機械手的手爪形式確定了抓取溝槽形式，由于機械手在料倉有一次倒手的過程，即存在輔助機械手和上料機械手同時抓住工件的情況，所以需在抓取部設計兩個抓取溝槽(如圖8)。

為了節省料倉空間，工件在料倉中的擺放姿態與抓取姿態成90°形式，料倉上附帶一個由手爪及擺缸組成的伺服驅動的輔助機械手(如圖9)，為機械手上料做準備，料倉形式如圖10所示。

4 結語

本文提出了一種新型的隨行夾具設計，并從夾具的具體結構與工作過程、機構設計等方面對機構進行了詳細的介紹與設計分析。該機構很好地實現了葉片在自動化加工過程中的高效準確的裝夾。開發完成后，構成自動線的八臺五軸聯動葉片加工中心經過多次連續裝夾測試及切削加工試驗，裝夾方案高效方便，工作穩定可靠，加工出的葉片精度和表面粗糙度檢測合格，通過了用戶的驗收。超過半年的切削加工表明，機床工作穩定可靠，基于自動化加工的葉片裝夾機構實用有效，得到用戶好評，為葉片加工精度和加工效率的提高發揮了重要作用。

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Blade clamping scheme based on automated processing

HAN Qingyuan

(AVIC International Aero-development Corporation, Beijing 100101, CHN)

Automatic blade machining line can realize multiple space curved surface machining when clamped just one time, including profile, convex platform, reflectance, blade root fillet etc. The high accurate positioning and automatic clamping & releasing of the rough blade is the key to realize automatic blade machining. In this paper, we study a kind of blade clamping scheme based on automated processing, which greatly saves the auxiliary time to find zero point and the cost to prepare, ensures the continuity of work, improves work efficiency and the machining accuracy.

clamping; automation; zero point positioning

TH162

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.028

韓慶元，男，1981年生，工程師，主要研究方向為機床總體設計。

(編輯 汪 藝)

2016-07-15)

161135