氣浮轉(zhuǎn)臺液壓夾具調(diào)整方法的研究

趙智斌，劉培軍，吳海霞，李輝全

(1. 江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；3. 青島中科國晟動力科技有限公司，山東 青島 266400)

由于航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)零部件多且精度要求高，導(dǎo)致其裝配工藝非常復(fù)雜，實(shí)際裝配過程中一次裝配合格率較低，經(jīng)常需要反復(fù)拆裝，工作量大，裝配效率低下。現(xiàn)階段發(fā)動機(jī)的裝配還是以人工為主，依靠裝配工人的經(jīng)驗(yàn)來保證產(chǎn)品質(zhì)量[1]。隨著零件制造精度逐步提高，為提升裝配效率和合格率，對發(fā)動機(jī)多級轉(zhuǎn)子裝配方法的研究日益受到重視。國內(nèi)外科研人員對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裝配理論和測量方法進(jìn)行了相關(guān)的研究。

發(fā)動機(jī)多級轉(zhuǎn)子同軸度誤差偏大是制約發(fā)動機(jī)性能的核心問題。呂玉紅[2]等人總結(jié)了航空發(fā)動機(jī)整機(jī)裝配階段的同心度測量技術(shù)，并從測量原理、解決方案、算法分析等角度，介紹了自主研制的轉(zhuǎn)子堆疊優(yōu)化系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子同心度測量系統(tǒng)以及支撐同心度的測量方法等。王斌[3]分析了堆疊預(yù)測裝備系統(tǒng)(SPS)在某型發(fā)動機(jī)高壓轉(zhuǎn)子裝配過程中的實(shí)際應(yīng)用，使用該系統(tǒng)可以在裝配前針對轉(zhuǎn)子裝配件自身測量數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化出最佳裝配方案，減小轉(zhuǎn)子裝配后的跳動，在提高轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量的同時(shí)顯著提高了裝配效率。Yang Z[4-6]提出一種新型的航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化方法，該方法通過在裝配過程中按照一定的理論計(jì)算值裝配單級轉(zhuǎn)子，逐級減小每一級的同軸度誤差，最終實(shí)現(xiàn)多級轉(zhuǎn)子同軸度誤差的最小化。通過所設(shè)計(jì)裝配試驗(yàn)方案，驗(yàn)證了該方法的有效性，并分析了每一級測量誤差對最終結(jié)果的影響。目前，對于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子裝配方法的研究成果較多，但在裝配過程操作平臺(氣浮轉(zhuǎn)臺)對于裝配結(jié)果的影響方面的研究成果較少。因此，本文對氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)子裝配的成功率和平衡性。

1 問題的提出

航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子組件是在回轉(zhuǎn)精度為0.1 μm的氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)上完成組裝，主要過程包括各部件的測量、建模計(jì)算最優(yōu)中心線偏差、利用軟件生成最佳裝配方案、參照最佳裝配方案完成轉(zhuǎn)子裝配。雖然轉(zhuǎn)子裝配采用的是最佳裝配方案，但是在裝配完成后，進(jìn)行測量檢查時(shí)會發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子頂端的圓跳動和同軸度有時(shí)不滿足技術(shù)要求，需要反復(fù)測量轉(zhuǎn)子部件和調(diào)整最佳裝配方案，才能使得轉(zhuǎn)子頂端的圓跳動和同軸度達(dá)到技術(shù)要求。

2 原因分析

航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子一般包括壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪轉(zhuǎn)子。與渦輪轉(zhuǎn)子相比，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的長度一般要長一些，某型號的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子長度可達(dá)1.8 m。為了保證裝配達(dá)到所需要的技術(shù)要求，氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)最關(guān)鍵的指標(biāo)是滿足壓氣機(jī)Master的頂端圓面的圓跳動不超過12 μm。對氣浮轉(zhuǎn)臺在不受力和受力狀態(tài)下的理論分析模型(圖1)進(jìn)行了分析計(jì)算，得出當(dāng)氣浮轉(zhuǎn)臺的軸線角擺要求為0.275″、角剛度為8×106(N·m)/rad、徑向跳動為0.2 μm時(shí)才可滿足裝配需求。

圖1 氣浮轉(zhuǎn)臺在不受力和受力狀態(tài)下的理論分析模型

氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)如圖2所示，氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)主要由氣浮轉(zhuǎn)臺、花崗巖基座、墊鐵、測量表架、調(diào)心機(jī)構(gòu)等組成。氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的基座采用濟(jì)南青花崗巖材料，保證轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。為適應(yīng)兩種轉(zhuǎn)子的高度及強(qiáng)度要求，兩者的花崗巖基座厚度不同。墊鐵采用Unisorb公司的超精密加工機(jī)床用的隔振墊鐵，既能保證測量平臺的水平度又可以最大限度地減小外界振動對測量結(jié)果的影響。在工作過程中，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子液壓夾具和渦輪轉(zhuǎn)子液壓夾具利用螺釘固定在轉(zhuǎn)臺臺面上，并通過調(diào)心機(jī)構(gòu)找正。

圖2 氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

氣浮轉(zhuǎn)臺的軸線角、角剛度和徑向跳動均滿足理論計(jì)算的要求，但所裝配的轉(zhuǎn)子仍不滿足技術(shù)要求。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)Master對液壓夾具的中心位置調(diào)整的準(zhǔn)確度不足，導(dǎo)致測量結(jié)果偏差較大。而引起Master對液壓夾具中心位置調(diào)整出現(xiàn)偏差的主要原因有以下幾點(diǎn)：

1) 測量基準(zhǔn)不合理。由于所選取的測量基準(zhǔn)為液壓夾具的外圓柱面，其測量數(shù)據(jù)包含了液壓夾具的加工誤差，使得原本符合技術(shù)要求的圓跳動、平面度和同心度等公差，受到了液壓夾具的加工誤差的影響并出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致液壓夾具中心位置略有偏差。

2) Master長度的影響。由于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子Master長度可達(dá)1.65 m，且Master自身存在加工誤差，在測量其頂端圓跳動時(shí)，自身存在的加工誤差會被放大，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成干擾，不利于液壓夾具中心位置的確定。

3 問題的解決

3.1 優(yōu)化措施

對于測量基準(zhǔn)不合理這一問題，其根本原因在于測量結(jié)果增加了液壓夾具自身的加工誤差。其解決方法如圖3所示，將氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)進(jìn)行了重新定義，由原參考基準(zhǔn)(液壓夾具外圓柱面)修改為液壓夾具的內(nèi)圓柱面，同時(shí)將垂直測量改為水平測量，消除了液壓夾具加工誤差的影響，并提高了液壓夾具中心位置的準(zhǔn)確度。

圖3 參考基準(zhǔn)的修正

針對Master長度的影響這一問題，其根本原因在于Master長度放大自身加工誤差對測量結(jié)果的影響，導(dǎo)致液壓夾具中心位置出現(xiàn)偏差。解決方法如圖4所示，采用了大理石四棱柱和短Master的組合代替了長Master，并通過短Master的端面跳動測量值換算得到長Master的徑向跳動值，降低加工誤差的影響，達(dá)到裝配需求誤差范圍。除此之外，大理石四棱柱和短Master的組合方式，便于液壓夾具中心位置的調(diào)整和校核。

圖4 長Master徑向跳動計(jì)算圖示

長Master的徑向跳動值的計(jì)算公式如式(1)和(2)所示，依據(jù)徑向跳動值的換算值可進(jìn)一步完成液壓夾具中心位置的確定和調(diào)整，為后續(xù)測量和裝配精度提供了保證。

ΔY=2×Δy

(1)

Δy=Δx×(L/D)

(2)

式中：ΔY為長Master的徑向跳動值，μm；Δy為短Master的端面跳動換算值，μm；Δx為短Master的端面跳動值，μm；L為長Master的長度，m；D為短Master的直徑，m。

3.2 液壓夾具精度的測試和校核

在進(jìn)行液壓夾具中心位置的調(diào)整之前，需要對液壓夾具的夾緊功能進(jìn)行測試。測試過程為：將液壓夾具豎直自由放置，將Master裝入夾具內(nèi)孔中，一邊輕輕轉(zhuǎn)動Master，一邊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加壓螺釘，驗(yàn)證Master能否被固定，若Master能被固定，則液壓夾具的夾緊功能正常。

如圖5所示，利用Master進(jìn)行液壓夾具中心位置的調(diào)整主要包括如下內(nèi)容：

圖5 Master找正示意圖

1) 先將液壓夾具固定在氣浮轉(zhuǎn)臺上，通過位于測量表架的千分表測量液壓夾具的找正面跳動值。若找正面跳動值大于2 μm，則應(yīng)該通過調(diào)心機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)液壓夾具的俯仰角度和水平位移，使得液壓夾具的找正面跳動值在2 μm以內(nèi)。

2) 將Master裝入液壓夾具內(nèi)孔中并夾緊，通過位于測量表架的千分表測量Master找正面的跳動值。若Master找正面的跳動值大于12 μm，則應(yīng)該采用磨削C型墊圈或研磨液壓夾具內(nèi)腔，進(jìn)而調(diào)整Master找正面的跳動值，使Master找正面的跳動值在12 μm以內(nèi)。

若上述指標(biāo)均能調(diào)整至要求范圍內(nèi)，則完成液壓夾具中心位置的調(diào)整，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)子各部件的測量和裝配。

3.3 裝配結(jié)果的驗(yàn)證

在利用Master完成液壓夾具中心位置調(diào)整的基礎(chǔ)上，完成轉(zhuǎn)子各部件的測量、建模計(jì)算最優(yōu)中心線偏差、利用軟件生成最佳裝配方案、參照最佳裝配方案完成裝配等過程，完成壓氣機(jī)和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的裝備。對裝配完成的轉(zhuǎn)子進(jìn)行初平衡和終平衡試驗(yàn)，以此來驗(yàn)證Master對液壓夾具中心位置調(diào)整的準(zhǔn)確度。具體結(jié)果如圖6和圖7所示，初平衡和終平衡的結(jié)果表明Master對液壓夾具中心位置調(diào)整的準(zhǔn)確度極高，經(jīng)過調(diào)整之后的氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)可以勝任轉(zhuǎn)子裝配的工作，且成功率和平衡性較好。

(a) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子初平衡

(b) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子初平衡結(jié)果

(c) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子終平衡

(d) 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子終平衡結(jié)果圖6 壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子初平衡和終平衡結(jié)果

(a) 渦輪轉(zhuǎn)子初平衡

(b) 渦輪轉(zhuǎn)子初平衡結(jié)果

(c) 渦輪轉(zhuǎn)子終平衡

(d) 渦輪轉(zhuǎn)子終平衡結(jié)果圖7 高壓渦輪轉(zhuǎn)子初平衡和終平衡結(jié)果

4 結(jié)論

基于氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)構(gòu)建最優(yōu)的裝配方案，但在該方案指導(dǎo)下完成裝配的轉(zhuǎn)子依舊存在不滿足技術(shù)要求的問題，因此對氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)中液壓夾具的結(jié)構(gòu)和Master等方面進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其主要原因在于氣浮轉(zhuǎn)臺液壓夾具的中心位置偏差較大，導(dǎo)致測量結(jié)果偏差較大。因此重新定義了參考基準(zhǔn)，優(yōu)化了Master的結(jié)構(gòu)參數(shù)和圓跳動的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上對完成裝配的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了動平衡實(shí)驗(yàn)，以期驗(yàn)證優(yōu)化之后的氣浮轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的液壓夾具中心位置的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和高壓渦輪轉(zhuǎn)子的平衡性良好，該結(jié)果可以說明通過改進(jìn)和優(yōu)化之后，Master對液壓夾具的中心位置調(diào)整的準(zhǔn)確性較好。