一种涡轮支承零件加工夹具及方法

技术领域

本发明属于航空发动机机械加工技术领域，特别是装配在航空发动机涡轮上重要零件的加工夹具及加工方法。

背景技术

目前，对于加工具有多个油路孔和装配孔且油路孔和装配孔的空间分布特征、孔径有显著区别的零件，其采用的夹具有主要两种：

第一种，采用专用夹具对其进行固定和夹紧，优点是能较好地保证零件尺寸合格，同时减少零件找正的时间；缺点是专用夹具从请制到投入使用花费的时间比较长，很大程度上会限制零件生产的进度，且不同的专用夹具设计之间加工效果差异非常大；

第二种，采用组合夹具进行固定和夹紧，优点是夹具是通用的，只是组合方式不同，成本低，无需花费夹具制造时间；缺点是生产准备时间较长，加工出的零件合格率较低。

如图4所示为一种涡轮支承零件，涡轮支承零件为一个回转件，其回转面上包括圆锥面、外径不同的圆柱面以及一圈法兰边，该零件上需要加工的内容包括一个长度超过80mm的斜通孔、2个侧面通孔、2个带角度的侧面斜孔和3个孔径在1mm左右的小孔，此外还有法兰边端面上的通孔及内螺纹孔。前述的多个孔特征中，一部分作为油路孔，另一部分作为装配孔，加工精度、一致性要求高，否则会影响后续的流量测试以及装配要求。该涡轮支承零件的加工难点在于：

第一，待加工孔的分布在零件不同的表面上，想要保证所有孔的加工精度，就必须一次性装夹定位，避免多次装卸夹具和定位带来的偏差(例如采用电火花打孔，但由于孔的角度不同，导致不能一次性装夹和加工，必须设计不同的夹具确保角度)，因此，必须在零件上找到合理的定位特征，这个定位特征不能与孔的加工发生干涉，同时又能确保所有孔的位置关系；

第二，零件上待加工孔的孔径、角度和长度差异大，若采用单一加工方式完成难度过大，必须考虑到复合加工时装夹定位以及对不同加工方式的影响。

基于上述原因，设计和制造自制的专用夹具就显得非常重要，而专用夹具设计过程中基准、定位和结构的确定又是难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮支承零件加工夹具及方法，能够实现一次装夹后完成所有孔位的加工，显著减少操作者找正零件的时间，消除多次装夹带来的加工误差，确保加工一致性。进一步，通过该夹具实现大批量生产，同时保证零件尺寸等符合设计图的精度要求。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种涡轮支承零件加工夹具，包括，

圆盘状基体；

立方体，所述立方体位于圆盘状基体的轴向端面，且立方体的中心位于圆盘状基体的轴线上，立方体上一个平行于圆盘状基体轴线的侧表面形成找正表面；

中心阶梯通孔，所述中心阶梯通孔与圆盘状基体同轴且贯穿立方体和圆盘状基体，中心阶梯通孔为变截面圆柱孔，变截面圆柱孔中的一段圆柱面内壁形成找正定位表面，变截面圆柱孔中与前述圆柱面内壁一端连接的圆环面形成轴向定位面；

定位孔，所述定位孔开设在立方体上；

定位销，所述定位销的一端插接在定位孔内；

压板，所述压板通过连接件可拆卸连接在圆盘状基体或立方体上。

进一步，涡轮支承零件加工夹具还包括内螺纹、安装孔、螺杆和螺母，其中：

所述内螺纹位于中心阶梯通孔中一段非找正定位表面的圆柱面内壁上；

所述安装孔位于压板上，且贯穿压板的上、下端面；

所述螺杆的一端穿过压板上的安装孔并延伸至中心阶梯通孔中与其内螺纹配合；

所述螺母套接在螺杆的另一端上且使得压板介于螺母和中心阶梯通孔之间。

进一步，所述定位孔有两个，且两个定位孔的连线过中心阶梯通孔。

一种涡轮支承零件加工方法，所述涡轮支承零件为回转体，回转体表面包括位于回转体轴线两端分别为小端圆柱面和大端圆柱面，小端圆柱面和大端圆柱面之间为锥面，锥面与大端圆柱面之间有一条法兰边，采用前述的涡轮支承零件加工夹具，且加工方法包括以下步骤：

步骤1，在涡轮支承零件设计图中选择法兰边上的一个轴线平行于小端圆柱面轴线的、非螺纹的通孔孔位，加工出该通孔孔位作为装夹定位孔；

步骤2，找正加工夹具的找正表面和找正定位表面，确定加工坐标系的x轴和y轴；

步骤3，将涡轮支承零件的小外径端插入中心阶梯通孔中，使得涡轮支承零件小外径端的端面紧贴中心阶梯通孔的轴向定位面，涡轮支承零件小外径端的外圆面紧贴找正定位表面，接着将定位销的一端插接在定位孔内，另一端插接在步骤1中涡轮支承零件法兰边的装夹定位孔中，然后通过压板将涡轮支承零件压紧在压板和立方体之间；

步骤4，对涡轮支承零件上的法兰边轴向端面进行找正，确定加工坐标系的z轴；

步骤5，不拆卸加工夹具，一次性装夹后完成涡轮支承零件上斜通孔、侧面通孔、带角度的侧面斜孔、不同孔径的小孔以及法兰边轴向端面上通孔、螺纹孔的加工。

进一步，所述步骤5中，法兰边轴向端面上的螺纹孔、带角度的侧面斜孔采用铣削加工，斜通孔、侧面通孔、不同孔径的销孔采用钻削加工。

与现有技术相比本发明具备以下优势：

(1)通过本发明的加工夹具，只需要找正夹具一次，在加工前，也只需要对零件再找正一次，大大减少了加工前的准备时间和降低找正的难度，提高了零件加工的效率，同时也保证了尺寸的合格率，能保证零件的大批量生产加工。

(2)本发明在建立加工坐标系时，选取了涡轮支承零件自身的特征面、特征孔位以及加工夹具的表面进行组合，其中，涡轮支承零件的小端圆柱面作为整个零件的基准与加工夹具的找正定位表面配合，找正定位面需磨加工，确保配合公差符合要求。选择法兰边上任意一个轴线平行于小端圆柱面轴线的孔位作为后续其余孔位的加工基准孔，控制所有孔的空间距离和角度。

(3)本发明的加工方法通过法兰边上的通孔、定位销、中心阶梯通孔把涡轮支承零件上所有待加工孔与零件自身的基准关联在一起，确保加工的一致性。

附图说明

图1是本发明中涡轮支承零件与加工夹具的装配图；

图2是本发明中加工夹具立体图；

图3是本发明中涡轮支承零件的加工状态图；

图4是本发明中涡轮支承零件图；

图中，1-圆盘状基体；2-立方体；21-中心阶梯通孔；22-定位孔；3-压板；4-螺杆；5-螺母；6-垫片；71-斜通孔；72-螺纹孔；73-第一侧面通孔；74-第一带角度的侧面斜孔；75-第三小孔；76-第二带角度的侧面斜孔；77-第二小孔；78-第二侧面通孔；79-第一小孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

如图4所示，为本实施例中需要加工的涡轮支承零件，该零件的加工难点包括以下方面：

(1)孔的直径和长度不一致，最小的孔径仅为Φ0.8mm，最长的孔长度超过80mm；(2)孔分布在多处且角度各不相同。

传统的加工思路是针对不同类型的孔采用不同的夹具装夹，即采用多次装夹的方式实施加工，但带来的结果是孔加工的一致性差。

为了解决上述问题，本实施例中采取了以下解决方案：设计一款适用于涡轮支承零件的加工夹具，该加工夹具利用了涡轮支承零件的小端外圆面和涡轮支承零件上法兰边的一个孔位来定位和找正，从而建立一个适用于所有孔位加工的坐标系。

如图3所示，加工夹具包括圆盘状基体1、立方体2、中心阶梯通孔21、定位孔22、定位销、压板3、内螺纹、安装孔、螺杆4、螺母5和垫片6，其中：

立方体2位于圆盘状基体1的轴向端面，且立方体2的中心位于圆盘状基体1的轴线上，立方体2的一个平行于圆盘状基体1轴线的表面形成找正表面；中心阶梯通孔21与圆盘状基体1同轴且贯穿立方体2和圆盘状基体1，中心阶梯通孔21为变截面圆柱孔，包含两段孔径不同的圆柱孔，其中一个圆柱孔中的圆柱面内壁形成找正定位表面，两段圆柱孔之间的交界面(阶梯处的圆环面)形成轴向定位面；定位孔22开设在立方体2上且与中心阶梯通孔21轴线平行；定位销的一端插接在定位孔22内，定位孔22有两个，利用其对称性方便操作人员使用定位销，且两个定位孔22的连线过中心阶梯通孔21；内螺纹位于中心阶梯通孔21中孔径较小的圆柱孔内壁上；安装孔位于压板3上，且贯穿压板3的上、下端面；螺杆4的一端穿过压板3上的安装孔并延伸至中心阶梯通孔21中与其内螺纹配合；螺母5套接在螺杆4的另一端上且使得压板3介于螺母5和中心阶梯通孔21之间。

如图1和图3所示，涡轮支承零件的加工方案为：先在涡轮支承零件的法兰边上加工出一个平行于小端外圆轴线的通孔，接着将加工夹具装夹固定、找正,再将涡轮支承零件装好压紧和找正，建立坐标系，最后分别加工斜通孔71、第一侧面通孔73、第二侧面通孔78、第一带角度的侧面斜孔74、第二带角度的侧面斜孔76、第一小孔79(Φ0.85)、第二小孔77(Φ1.1)和第三小孔75(Φ0.8)，还有法兰边轴向端面上的多个螺纹孔72和其余通孔，总共完成4道工序的加工。

具体的涡轮支承零件加工步骤如下：

步骤1.根据涡轮支承零件的设计图，在涡轮支承零件的法兰边上选择一个轴线平行于涡轮支承零件小端圆柱面轴线的通孔并加工出该孔位，然后使用机床的找正系统或者通过打表找正加工夹具上的内孔A面(对应中心阶梯通孔21上的找正定位表面)和长方体1的侧表面B(对应立方体2上平行于中心阶梯通孔21轴线的侧表面，即找正表面)，从而确定加工坐标系的x和y轴；

步骤2.将涡轮支承零件的小外圆端(小端圆柱面的外圆)装入加工夹具的中心阶梯通孔21中定位，并使用定位销、压板3、垫片6、螺杆4和螺母5将涡轮支承零件夹紧固定，如图1和图3；

步骤3.再次对涡轮支承零件的C面(如图3所示，涡轮支承零件上的法兰边轴向上端面)进行找正，确定加工坐标系的z轴；

步骤4.完成对涡轮支承零件多个孔位的加工；加工的内容包括一个长度超80mm的斜通孔、2个侧面通孔、2个带角度的侧面斜孔和3个分别为Φ0.8、Φ0.85和Φ1.1的小孔，还有C面上的通孔及螺纹孔。总共进行4道工序，一次装夹完成所有孔位的加工。

本发明的说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。