航空發動機環形零件高精度孔位測具

□ 郭永強

中國航發動力股份有限公司 西安 710021

1 設計背景

航空發動機的結構復雜,裝配要求嚴苛,組成航空發動機的零件大多是高精度、高形位公差產品。航空發動機上的圓環周向多孔零件結構常出現于高溫部件和低溫部件,分別用于通氣冷卻、引氣、卸壓。鑒于結構特點和功能要求,圓環周向多孔零件周向孔位要求極高,達到0.01 mm,孔的周向分布、角度、數量直接關系到零件的加工難度。目前,孔徑測量技術比較成熟,而孔位檢驗則不然。如何準確檢測出零件的位置度是否合格,是核心問題。由此,設計了航空發動機環形零件高精度孔位測具。

2 技術方案

設計一種航空發動機環形零件高精度孔位測具,使用一組位置度測量銷進行孔位測量,用工裝分度代替其余周向測量孔,以便準確、快速反映零件周向孔位的合格情況,避免檢測高精度孔位給測具樣件帶來的制造困難和加工周期長問題。傳統在產品檢驗時,通常使用三坐標測量儀,測量出各孔位的坐標尺寸。這種檢測方法成本高,效率低,無法滿足大批量產品檢驗的要求。由此,需要采用專用檢具對孔位進行檢測,檢具的設計有較高要求。

所設計的航空發動機環形零件高精度孔位測具包括底板和設置在底板上的可旋轉定位板。定位板用于固定待檢測環形零件,當環形零件固定在定位板上時,定位板的旋轉軸心線與環形零件的軸線重合。定位板一側的底板上還設置有定位支座,定位支座上設置有用于檢測環形零件孔位的測量銷。

測具如圖1所示,采用工裝分度的方式代替其余周向測量孔,使用位置度測量銷對零件進行孔位測量,由機械系統和電氣系統組成。機械系統包括定位板、快換卡盤、定位支座、聯軸器、轉軸、轉盤、底板、減速機、伺服電機、第一測量銷、第二測量銷、光柵尺。將環形零件安裝在定位板上,實現定位和壓緊。定位板通過定位片和拉釘安裝在快換卡盤上,快換卡盤安裝在轉軸上,保證快換卡盤的中心和轉軸的同軸度。轉軸通過滾動軸承、止推軸承和底板連接,盡可能保證轉軸的靈活轉動。當伺服電機驅動減速機轉動時,減速機的輸出軸和轉軸通過聯軸器連接。光柵尺安裝在轉軸的錐面上,通過螺釘固定連接。光柵尺的光柵讀數頭安裝在底板上。轉軸開始旋轉,光柵尺的光柵讀數頭讀取光柵刻線數量。當刻線等同于周向孔的分布角度時,伺服電機停止運行,保持剎車狀態。操作測量銷進行測量,完成操作后轉軸繼續旋轉。整個測具通過可編程序控制器進行控制,采用了高精度電氣分度方式。在伺服電機運行過程中,為確保檢測精度,采用光柵尺與伺服電機形成閉環控制,對計算得到的角度與光柵尺實際測量角度進行比較,根據結果調整伺服電機的脈沖輸出,從而實現高精度定位。

圖1 航空發動機環形零件高精度孔位測具

分度原理為可編程序控制器根據給定角度,向伺服電機發送脈沖輸出命令,實現伺服電機特定角度的轉動。使用安裝在轉盤末端的光柵尺進行分度,光柵尺可以選用圓光柵尺,利用分度原理有效避免伺服電機至轉盤的所有機械誤差,從而實現全閉環控制。

3 關鍵技術

采用高精度電氣分度技術,實現高精度的測量定位。使用工裝分度代替其余周向測量孔,并使用安裝在定位支座上的測量銷來測量,避免伺服電機至轉盤的機械誤差,實現全閉環控制。采用全閉環控制方式,可以使分度控制精度達到0.5″,有效提高控制精度,避免誤差產生,這是傳統控制方式無法達到的。

4 優點

與現有技術相比,航空發動機環形零件高精度孔位測具具有多方面優點。

(1) 通過定位板和測量塊解決測具樣件周向孔加工困難的問題。

(2) 通過快換卡盤和定位銷的設置,實現準確、快速檢測環形零件周向孔位合格情況,避免檢測高精度孔位給測具樣件帶來的制造困難和加工周期長問題。

(3) 使用安裝在轉盤末端的圓光柵尺進行分度,實現全閉環控制,避免部件自身和部件間傳動、安裝、間隙等多種因素造成的系統性誤差,分度誤差可控制在2 μm,實現360°轉角誤差為0的分度精度要求,極大提高系統精度。

(4) 通用性強,適用范圍廣,可以用于任意角度的分度。

(5) 測具加工周期縮短,從現有測具的加工周期平均120 d縮短至30 d,有效提高生產效率。

(6) 避免系列規格測具的制造周期長問題,降低制造費用,節約成本。

5 結束語

針對航空發動機環形零件高精度孔位檢測現狀,設計了一種孔位測具,實現全閉環的高精度分度控制,使檢測效率提高75%。在設計中,大大簡化機構,質量更小,大幅度降低技術人員的操作難度。通過采用分度,極大提高適用性,具有適用環境多樣性的特點,可推廣應用于相似環形零件的高精度孔位檢測。