用于航空發動機混合器波瓣組件自動氬弧焊工裝夾具的設計

趙寶， 楊永波， 單易， 周坤， 趙艷杰

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，哈爾濱 150028; 2. 中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，沈陽 110043;3. 哈爾濱博實自動化股份有限公司，哈爾濱 150078)

0 前言

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，為航空器提供飛行所需動力。作為飛機的心臟，被譽為“工業之花”，它直接影響飛機的性能、可靠性及經濟性，是一個國家科技、工業和國防實力的重要體現。合理地使用焊接工裝夾具[1-4]是保障零部件焊接質量的重要一環。而文中介紹的混合器波瓣組件自動氬弧焊接工裝夾具用于航空航天領域，研發和設計的此套焊接工裝夾具用于航空發動機混合器波瓣組件的自動氬弧焊，所以該項技術也為航空航天事業奉獻一份綿薄之力。

因航空發動機混合器波瓣組件不規則的空間曲面形狀和焊接前后的外形尺寸變化，所以目前國內的自動化組裝、焊接還是空白，多數為手工組裝，手工焊接，焊后需人工校形，焊縫成形和焊后零部件尺寸無法保證。此外這些特種專用材質沖壓后尺寸一致性差，手工組裝精度差，焊接質量合格率低，返修量大。經查找國外相關產品資料也未有更好的方法解決以上難題，針對以上問題和難點，哈爾濱焊接研究院有限公司以航空發動機混合器波瓣組件自動氬弧焊接技術研究為 托，以自動化生產為核心，研發和設計國內首臺適用于空間曲面特種部件焊接專用的工裝夾具，實現自動化焊接，破解空間曲面組裝和控制焊接過程中的變形難題[5]，實現此領域的突破，也為以后其它不規則產品的裝卡、焊接提供了思路。

1 產品介紹及工裝夾具所屬系統組成

1.1 產品介紹

混合器波瓣組件成品是由若干件薄板鈦合金特種沖壓曲面單件拼焊而成。單件如圖1所示，成品如圖2所示?；旌掀鞑ò杲M件的組裝過程及成品要求：①一次連續組裝若干個單件，組裝后工件能夠滿足內外腔體的均勻一致性，符合空氣流動要求，同時組裝后的工件要滿足圖紙上下圓直徑的要求；②控制焊接過程中的變形，使焊后的產品滿足設計圖紙要求；③為了適應產品焊前焊后的變形。工裝夾具上的定位機構要求能徑向移動。最終要求就是焊后零部件尺寸及外表質量應符合工藝要求。能夠實現產品的批量生產。

圖1 單件

圖2 成品

1.2 系統組成

工裝夾具所屬系統如圖3所示。系統主要由焊接系統、控制系統、變位機系統、工裝夾具系統、機器人系統及動力系統6大部分組成。首先將若干個波瓣單件組裝到工裝夾具上，再由控制系統控制變位機翻轉到適合于焊接的角度，再由控制系統控制機器人和焊接系統進行焊接[6-9]，其中動力系統主要提供焊前焊后裝卡工件所需的動力。

圖3 工裝夾具所屬系統

2 混合器波瓣單件產品分析

2.1 單個零件的網格化分析

首先對單個工件進行了細致的分析，把工件網格化，網格化模型如圖4所示。這樣方便下面的焊接裝卡時的受力分析和觀察記錄施載過程中零件的應力、應變數值變化，零件的基本參數通過電腦軟件計算為：質量0.32 kg，體積6.895×10-5m3，密度4 650 kg/m3，重力3.142 N，其它材料屬性和網格信息細節詳見表1和表2。

圖4 網格化模型和固定、施力點示意圖

表1 波瓣單件鈦合金材料屬性

表2 網格化信息-細節

2.2 單個零件固定、壓緊模擬

首先考慮壓緊力對于薄板曲面件的影響，會不會壓力過大使得件的應力和應變過大，甚至損害工件的外形，對此用SOLIDWORKS simulation軟件進行模擬仿真，假設單個工件的背部兩側6 mm寬的位置曲面固定，底部槽里外固定，正面曲面施加壓緊力，圖五綠色箭頭是固定面，粉色箭頭是力的施加面，力均勻分布，沿著曲面的法線方向，施加的壓緊力直到工件某點達到屈服值時，發現此時的壓緊力高達500 kN，夾具和負載相關信息詳見表3。工件的薄弱點在底部兩側邊角處，其屈服應力為 1 076 MPa，詳見工件應力圖(圖6)。此時的最大應變位置也位于底部兩側邊角處，最大應變值為0.013 mm，詳見工件應變圖(圖7)。應力和工件最薄弱的地方可以放大和圖右側的顏色漸變線對比，藍色是安全區域，紅色區域是應力已經達到屈服值，相應位置的應變也要比其它位置大。此模擬試驗數據驗證了此固定和施壓方法可行，與此同時做了一個壓緊力控制變形的試驗，用M16螺栓通過長壓板壓住預要焊接的薄板工件，擰緊螺栓后焊接，焊接完成后發現試驗板完好，并沒有發現鼓起或其它變形，此時的預緊力理論值如式(1)所示。

表3 夾具和負載相關信息

圖6 工件應力圖

圖7 工件應變圖

(1)

式中：T= 210 N/m；d= 0.016 m；μ值通過簡單的小試驗算得，試驗簡圖如圖8所示，當摩擦力等于重力沿著斜面的分力時mgsinθ=μmgcosθ，可推出μ=tanθ，通過試驗測得θ≈9°，μ≈0.158。

圖8 摩擦系數測定試驗簡圖

3 工裝夾具總體設計及產品驗證

3.1 工裝夾具總體設計

設計的航空發動機混合器波瓣組件自動氬弧焊接的工裝夾具整體結構如圖9所示。為了便于對結構的了解，特增設工裝夾具整體剖視結構示意圖如圖10所示，爆炸結構示意圖如圖11所示。

工裝夾具主要包括大圓盤、壓緊定位機構、圓弧定位部件、圓筒機構、升降盤機構和頂圓定位機構。大圓盤沿圓周方向均勻設置有若干個工件組裝位，每個工件組裝位上均安裝有壓緊定位機構。壓緊定位機構包括固定端和移動端，固定端固定連接在大圓盤上，移動端包括壓緊板和定位塊。壓緊板的數量為2個且均帶有弧度，2個壓緊板均與定位塊相連，固定端通過徑向移動裝置與定位塊相連，通過徑向移動裝置驅動移動端沿大圓盤徑向移動。定位塊通過螺栓與夾緊塊配合將大圓盤夾緊，圓筒機構安裝在大圓盤上，且沿圓周方向均勻設置有若干個導向槽，導向槽與工件組裝位數量相同，位置對應，每個導向槽處均布置有圓弧定位部件，圓弧定位部件前端為圓弧結構，后端設有錐度導向塊，下端通過螺栓與夾緊塊配合將大圓盤夾緊，圓弧定位部件后端通過拉簧機構與圓筒機構相連，圓弧定位部件可以沿大圓盤徑向滑動。升降盤機構底部為錐度結構，錐度結構與圓弧定位部件后端的錐度導向塊配合接觸，升降盤機構通過軸向移動裝置與大圓盤相連，通過軸向移動裝置驅動升降盤機構沿圓筒機構軸向移動，頂圓定位機構同心固定安裝在圓筒機構上方。

圖9 工裝夾具整體結構

圖10 工裝夾具整體剖視結構示意圖

圖11 工裝夾具爆炸結構示意圖

3.2 關鍵部件間銜接及其功能

大圓盤同心安裝在夾具底座上方，夾具底座與大圓盤由止口定位，保證同心，夾具底座安裝在變位機轉盤上。圓弧定位部件前端的圓弧結構為紫銅材質，圓弧結構上開設有多排多列圓孔，內部開設有流體通道，后部設置有氣體管道，向氣體管道內輸入保護氣，保護氣通過流體通道從多列圓孔流出。通入保護氣是為了在焊接時起到背保護的作用。圓弧定位部件可以沿大圓盤徑向移動，是因為焊接時焊縫會收縮，焊好后的工件會將圓弧定位部件緊緊地抱住，焊好卸件時需將圓弧定位部件退到最里面，利于卸件，另外移動的圓弧定位部件還能適應焊前焊后的收縮量，此外圓弧定位部件的寬度和相對位置也是成品工件若干個均布內腔的尺寸和對位置的定位。

圓筒機構安裝在大圓盤上，圓筒機構和大圓盤由止口定位。升降盤機構調整若干個圓弧定位部件沿大圓盤徑向的直線運動。升降盤機構上部的外圓直徑和圓筒機構的圓筒內筒直徑相配合，起到升降盤機構升降時導向作用。升降盤機構上固定安裝有絲杠，大圓盤中心固定安裝有絲母，升降盤機構上的絲杠與大圓盤上的絲母配合。當正時針旋轉絲桿時，升降盤機構沿圓筒機構的軸線向下運動，由于升降盤機構底部錐度和圓弧定位部件相對應的錐度導向塊相配合，使得圓周上所有的圓弧定位部件同時沿著大圓盤2半徑方向向外運動；當絲杠逆時針旋轉時，升降盤機構在圓筒機構內沿圓筒軸線方向做上升運動，由于升降盤機構上升，升降盤機構下面的錐面和圓弧定位部件后端的錐度導向塊分離開，此時圓弧定位部件后面的拉簧機構開始起作用，將所有的圓弧定位部件同時拉向圓心。頂圓定位機構和圓筒機構由止口定位，保證同心，同時頂圓定位機構也起到了工件上圓定位定尺寸和工件頂部壓緊的功能。

工裝夾具還包括升降盤鎖緊機構、導向機構、卸件機構、自動控制閥組件和轉化標尺。升降盤鎖緊機構數量為2件，兩件升降盤鎖緊機構均布安裝在大圓盤上，當工裝外圓定位調到一個固定值時，通過螺栓將升降盤機構和升降盤鎖緊機構連接緊固，實現升降盤機構的鎖緊。導向機構數量為2件，導向機構為內外套結構，外套固定在大圓盤上，內套固定在升降盤機構上，外套與內套配合相連，實現升降盤機構升降時的導向作用，導向機構上下2個極端上設置有限位結構，實現升降盤機構運動時上下2端的限位功能。卸件機構為氣缸結構，數量為6個，6個卸件機構均勻安裝在大圓盤底部，當焊接完成時，把頂圓定位機構卸掉后，將所有的壓緊定位機構的移動端都移動到最外側，此時控制氣缸桿伸出，通過氣缸桿上推出頭將工件推出，達到卸件的目的。自動控制閥組件共5組，其中4組每組包括N/4個保護氣閥，控制保護氣體，另外一組包括一個壓縮空氣閥，用來控制6個卸件機構，保護氣閥與氣體管道相連，控制保護氣的輸出，壓縮空氣閥與氣缸相連，控制氣缸的缸桿伸縮。轉化標尺分別設置在圓筒機構內側和升降盤機構上，通過轉化標尺的讀數，能夠確定當升降盤機構升降到相應的位置時，若干個圓弧定位部件圍成的外圓的直徑值。

3.3 工裝夾具對波瓣零部件產品的適應性

工裝夾具的零部件都是經過數控精密加工而成。特別是壓緊定位機構和圓弧定位部件的空間曲面形狀是和波瓣三維模型完全吻合的，所以該文在介紹工裝夾具組裝時，對波瓣零部件的要求也非常高，經過現場組裝試驗，發現定位和壓緊弧面和零件的弧面重合率可高達95%，圖12是波瓣零件與三維模型對比圖，是用法如三維激光掃描儀測量的工件和波瓣零件三維模型對比所得到的，圖中灰色的部分是三維模型圖所顯示形態，綠色、藍色、紅色組成的是測量得到的模型，由于上下偏差量不同，所以顯示的顏色不同，測量最大的偏移點數值是0.857 mm。經過大量試驗證明，局部最大偏差小于0.4 mm的零部件都能用此工裝組裝成形。

圖12 波瓣零件與三維模型對比圖

3.4 工裝夾具和焊后波瓣組件成品的檢驗

經過實際生產加工后，已對航空發動機混合器波瓣組件自動氬弧焊工裝夾具的功能、尺寸、外觀等進行了檢測，同時也對焊后的產品進行了焊縫成形、產品尺寸等進行了檢驗。均符合使用和圖紙要求，同時也得到了用戶的認可。

4 工裝夾具所見成效

該文所述的工裝夾具從組裝到焊接再到成品，不但簡化工序、效率大大提高了，產品的質量也大大改善，焊接過程中的能耗明顯降低，操作簡便，一鍵式操作。同時也減少了人員，節省了成本。成品率也大大提高，解決了之前手工組裝，人工焊接，廢品率太高的問題。

5 結論

(1)工裝夾具能一次連續組裝若干個單件，組裝后的產品焊后滿足圖紙要求。

(2)工裝夾具能有效的控制焊接過程的變形。

(3)焊后波瓣成品尺寸及外表質量符合工藝要求，能夠實現批量生產。

(4)目前國內沒有發現類似的產品，國外也未查到相關資料，此工裝夾具具有唯一性。

(5)該工裝成功用于航空發動機混合器波瓣組件的自動氬弧焊接生產中，已經在面上應用。