葉片型面多自由度數控化成型裝置設計

李翊萌 郭浩男 蘭亮云

摘? 要：文章介紹了現有航空發動機葉片型面成型裝置在實際使用存在的問題，論述了進行葉片型面多自由度數字化成型裝置設計過程，包括葉片成型裝置的整體結構設計、葉片成型單元控制結構設計、葉片夾持運動單元結構設計等內容，最終設計完成了可實現葉片和模具之間的多自由度調整功能和數字化控制的成型裝置。

關鍵詞：成型裝置;多自由度調整;數字化控制

中圖分類號：V263? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0036-03

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

航空發動機葉片制造技術是透平機械制造業中最復雜的技術之一，其中精密冷輥軋技術是目前現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，更重要的是可使葉片的機械性能、產品質量和使用性能得到提高，有利于葉片材料潛在性能的發揮。因此，這項技術得到世界上航空發動機制造業的高度重視。

目前，制約葉片輥軋技術發展的最重要的因素就是葉片軋制成型精度較低、分散度大。隨著輥軋模具設計制造水平和軋制坯料精度的提高，葉片軋制精度的得到相應提升，但軋制所使用的設備狀態未獲得改進和提升，成為影響葉片軋制成型精度提升的重要障礙。

1 原有成型裝置存在問題分析

在國內航空發動機制造企業中，中國航發黎明、東安、南方動力等公司都在采用精密冷輥軋成型工藝[1]進行葉片生產，上述公司所使用的設備中最先進的也僅僅是仿制前蘇聯上世紀七十年代BC-100M型輥軋機的JQ16、JQ71型輥軋機，見圖1所示。

JQ71型軋機由機械系統、液壓系統和電器系統構成。其優點主要表現在設備結構緊湊，運動簡單，具有良好的剛性，故障率低。JQ71型軋機由液壓系統帶動機械系統工作，液壓系統的工作由電器控制，電器系統的指令來源于人工按鍵和機械系統觸發行程開關。各系統控制精度低、狀態不穩定、無閉環反饋。軋機在使用過程中存在的以下問題：

上下軋輥軸轉動同步性受軋制過盈量影響較大[2]，易造成葉片盆背型面相對錯移;

在軋制過程中，模具在葉片上的咬入位置不準確，易造成葉型相對基準位置產生偏差;

在葉片軋制過程中，葉片和輥軋模具運動速度不可調整，葉片處于拉伸或壓縮狀態，影響成型精度;

葉片與軋模之間三個自由度依靠手動調整，精度低，剩余三個自由度要依靠更換工裝進行調整;

葉片軋制狀態受液壓系統、電器系統的影響大。

2 葉片成型裝置整體結構設計

通過吸收、借鑒JQ71型軋機的設計經驗，重新進行葉片成型裝置整體結構設計。在設計過程中重點解決JQ71型軋機在使用過程中暴露出的問題，應用現代機床設計理念和先進技術，滿足葉片成型裝置功能需求。

將葉片成型裝置整體結構設計為兩個相對獨立的結構單元，即葉片成型單元和葉片夾持運動單元。兩個單元在結構上相對獨立，有利于獲得較高的制造精度、合理的結構布局，利于安裝、調試及日常維護維修。

兩個結構單元在功能上實現相互承接，葉片成型單元主要承擔軋輥軸的安裝固定、運動控制和位置調整等功能。葉片夾持運動單元主要實現葉片夾持、葉片軋制運動和葉片六個自由度調整功能。

兩個結構單元在葉片成型過程中，依據成型裝置的控制系統所發出具體操作指令，緊密配合完成葉片型面成型過程。

采用兩個結構單元的模式進行設計，可以對原有軋制的運動方式進行改進和完善。JQ71型軋機軋制初始階段，葉片和軋模同時運動，在相對運動中完成葉片咬入，導致咬入過程不準確。改進后葉片由葉片夾持運動單元送至固定位置，等待模具的穩定咬入和軋制，進而解決葉片軋制咬入不穩定的問題。成型裝置結構見圖2所示。

3 葉片成型單元結構設計

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進行葉片的成型。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：

克服葉片成型過程中所產生的變形力，保證成型裝置具有足夠的剛性。

具備上、下軋輥相對位置的調整功能（沿軋輥軸中心軸向方向）。

具備軋制過盈量的調整功能（上、下軋輥軸中心距的調整）。

具備軋輥軸旋轉速度的調整功能。

針對上述所需實現的功能，所開展設計的工作主要包括：上下軋輥軸尺寸與軸向調整方式的設計、上下支撐輥軸尺寸與轉動方式的設計、下軋輥軸與下支撐輥軸沿兩軸中心線方向的移動方式設計以及葉片成型單元框架結構設計。

在上述設計過程開始前，首先要確定葉片成型裝置所成型葉片的尺寸范圍和材料，確定葉片成型過程中所產生的變形力，同時沿用JQ71型軋機上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸，以此做為設計基礎。按照由內向外的設計過程逐層依次進行設計。

首先，根據軋制變形力計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的葉片變形力傳遞給上下支撐輥，上下支撐輥并通過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動的液壓油缸機構。

上下軋輥軸的直徑尺寸和模具安裝尺寸沿用JQ71型軋機，上下軋輥軸的兩端安裝著與上下支撐輥軸相同模數的一對齒輪、轉動軸承和止推端蓋。上、下軋輥沿軋輥軸中心軸向方向的調整則通過止推端蓋兩端的楔鐵插入和拔出來實現。軋輥軸與支撐輥之間的關系見圖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，對于軋制過盈量的調整功能是通過下楔鐵的移動來調整下軋輥和下支撐輥的位置來實現。

4 葉片夾持運動單元結構設計

葉片夾持運動單元主要功能是實現葉片夾持、葉片軋制運動和葉片六個自由度調整功能。對于不同結構的葉片，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]，在葉片夾持運動單元設計時預留出安裝夾持工具接口。

葉片的軋制運動是葉片在軋制過程中，葉片夾持運動單元在成型裝置的控制系統的控制下，沿著垂直于軋輥中心線的方向以規定的速度進行運動，完成葉片的軋制過程。

葉片六個自由度調整功能是葉片夾持運動單元設計的重點。首先是X、Y、Z三個自由度的位置調整，這個調整是通過三組直線導軌、螺桿機構和步進電機來實現。直線導軌用于實現葉片夾持運動單元的導向，螺桿機構是將步進電機的旋轉運動轉化葉片夾持單元的直線運動，運動的速度依靠步進電機的轉動速度來控制，移動量則依靠步進電機的轉動圈數來控制。平動調整機構見圖4所示。

對于繞X、Y、Z三個方向轉動的調整功能是通過三組渦輪蝸桿機構和步進電機來實現的，移動量則依靠步進電機的轉動圈數來控制。此外，為了保證運動精度，在葉片夾持單元設有相應的傳感器，用于修正運動誤差，實現閉環反饋。轉動調整結構見圖5所示。

5 結束語

在葉片型面多自由度數控化輥軋成型裝置設計過程中，分析和借鑒JQ71型輥軋機的結構優勢和存在的缺陷，嘗試采用單元模塊化設計，對于運動過程采用數字化控制，并進行多自由度調整功能的設計，在運動部位設有相應的傳感器，用于修正運動誤差，實現閉環反饋，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：

[1]王瑋，耿文冉，孔祥偉.航空發動機葉片冷輥軋過程本構模型[J].機械設計與制造，2018（06）：5-8.

[2]王立萍，孫佩斯，趙紅陽，等.過盈量對熱力耦合銅套鋼芯鑄軋輥應力分布影響的研究[J].武漢理工大學學報，2013，35（08）：138-144.

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