一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置

技术领域

本发明属于航空发动机叶片的机械加工领域，尤其涉及一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置。

背景技术

为了降低航空发动机的重量，发展了复合材料风扇叶片零件，该叶片的前缘需要在复合材料的基体上粘接一个配套的金属前缘(通常为钛合金)用于保护复合材料基体，该零件称为叶片包边。

由于叶片包边为含有内腔的薄壁(厚度仅为0.4mm)结构，每个叶片包边的毛坯状态的差异较大，无法直接按理论形状夹紧叶片包边两侧的非加工区域。传统装夹方法在装夹时容易造成叶片包边受力变形，因而无法保证加工过程中零件的几何关系与物理状态，大大影响了叶片包边的加工质量和加工效率。

目前叶片包边的加工技术主要方案为整体机械加工的方案，应用该方案进行加工时，零件毛坯上具有足够的余量，并可预先制备工艺特征、传递基准等，因而不需要使用自适应加工技术，但加工周期长、内腔加工难度大、加工成本高，难以进一步降低成本、提高效率。

而采用塑性成型的方法可制备叶片包边的内腔与侧壁，该侧壁的外轮廓即为对应的叶片的外轮廓，侧壁的内轮廓对应复材基体的外轮廓，叶片包边的前缘通过机械加工技术进行加工。而塑性成形等方式制备的叶片包边毛坯，本身有一定的变形，且具有已近净成形的特征，因而加工方式、设备与整体机械加工的叶片包边不同，装夹方案因而也大为不同。

目前的自适应夹具技术或随形夹具技术大多采用多点支撑或随形吸附的方式来完成对零件的装夹。其中吸附工装大多用于加工薄板类零件，其吸附状态的零件始终处于理论几何位置，而非处于自由状态。多点支撑工装大多用于支撑薄壁零件的一侧加工其另一侧的情况，通常具有一定的调整零件姿态的能力。

目前亦存在带有自由度的双端装夹工装，其大多用于对叶片零件的自适应装夹及应力的释放。双端各具有1至2个自由度，用于适应或释放叶片的变形情况。该类夹具应用的对象是两端已具有标准的基准块或基准轴的情况，仅通过提供自由度来适应加工中的变形。而超塑成形的叶片包边，没有预先加工出的装夹基准，因而必须根据实际工艺设计具有更多自由度的装夹装置，从而适应毛坯的变化。

综上所述，叶片包边由于型面复杂、壁薄，对装夹定位结构要求高。传统的装夹定位极易造成装夹变形，已无法满足加工要求，对此，有必要提出一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明主要针对以上问题，提出了一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置，其目的是实现叶片包边的自适应装夹，增强叶片包边的刚性，降低装夹对叶片包边造成的变形。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置，包括依次装夹叶片包边前、中、后位置的左装夹定位单元、支板装夹单元以及右装夹定位单元；其中：

所述左装夹定位单元包括左主体框架，所述左主体框架上安装有左移动调节机构，所述左移动调节机构上设有移动滑块和驱动所述移动滑块沿纵向方向移动的纵向调节部件，所述移动滑块上设置有压紧运动支座，所述压紧运动支座上安装有可转动的前随形压紧块、后随形压紧块以及驱动所述前随形压紧块、后随形压紧块沿横向方向移动的左横向调节部件，所述前随形压紧块、后随形压紧块在所述左横向调节部件的驱动下分别压紧所述叶片包边的前、后端面；

所述右装夹定位单元包括右主体框架，所述右主体框架上安装有右移动调节机构，所述右移动调节机构上安装有可滑动的两压紧支板、以及安装有分别驱动所述两压紧支板沿横向方向移动的右横向调节部件，所述两压紧支板上分别设有压紧装置，所述压紧装置具有包覆球头并使所述球头具有三个旋转自由度的球窝，所述球头沿所述球窝开口的一侧具有与所述球头相连的压紧头。

进一步地，所述左主体框架上安装有定位基座，所述定位基座上安装有用于对所述叶片包边进行定位的定位支承和压紧螺栓。

进一步地，所述右主体框架上安装有轴定位基座，所述轴定位基座上安装有用于对所述叶片包边的粗定位孔相配合的定位销。

进一步地，所述定位销与所述轴定位基座螺纹设置。

进一步地，所述支板装夹单元包括前支撑板和后支撑板，其中，所述前支撑板与所述后支撑板之间形成放置所述叶片包边的装夹区，所述前支撑板和所述后支撑板上分别设置有对置入所述装夹区的所述叶片包边进行侧身紧固的辅助支撑件。

进一步地，所述辅助支撑件为分别与所述前支撑板和所述后支撑板螺纹设置的可调节螺栓。

进一步地，所述前支撑板上开有用于后道工序制备工艺基准特征的工艺窗口。

进一步地，所述纵向调节部件为横向穿设所述移动滑块、且与所述移动滑块螺纹连接的调节螺杆，所述移动滑块的一侧开设有斜导槽，所述左移动调节机构设有沿纵向设置的滑槽，所述压紧运动支座具有嵌装在所述斜导槽内的斜导块、以及具有嵌装在所述滑槽的滑动台阶部。

进一步地，在所述前随形压紧块与所述左横向调节部件以及所述后随形压紧块与所述左横向调节部件之间各设置有压紧滑块，所述压紧滑块沿横向方向开设有腰型孔，所述压紧滑块通过螺栓穿设所述腰型孔，使所述压紧滑块安装于所述压紧运动支座，且所述压紧滑块具有V型槽口，所述前随形压紧块和所述后随形压紧块均具有与所述V型槽口相配合的抵持部。

进一步地，所述前随形压紧块和后随形压紧块均开设有腰型孔，所述腰型孔上穿设有中心轴将所述前随形压紧块、后随形压紧块锁固在所述压紧运动支座上。

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过利用左、右定位装夹单元的位姿可调节性，可对每个具有不同变形量的叶片包边进行合理装夹，再通过利用中间设置的支板装夹单元，对叶片包边侧身进行锁固，增强工件结构的刚性，降低装夹对叶片包边造成的变形，从而实现每个叶片包边的高效率、高精度自适应加工。

附图说明

图1为本发明一种叶片包边自适应装夹装置整体结构示意图。

图2为本发明一种左装夹定位单元的整体结构示意图。

图3为本发明一种左装夹定位单元的部分结构示意图。

图4为本发明一种左装夹定位单元在纵向方向移动的结构示意图。

图5为本发明一种压紧运动支座的立体结构示意图。

图6为本发明一种压紧滑块与前随形压紧块连接的结构示意图。

图7为本发明一种右装夹定位单元的立体结构示意图。

图8为本发明一种右装夹定位单元的部分零件剖视图。

图9为本发明一种右装夹定位单元的部分结构示意图。

图中：

1、夹具基座；

2、左装夹定位单元；20、左主体框架；21、左移动调节机构；22、移动滑块；23、纵向调节部件；24、压紧运动支座；25、压紧滑块；26、前随形压紧块；27、后随形压紧块；28、左横向调节部件；29、定位基座；210、滑槽；220、斜导槽；240、斜导块；241、滑动台阶部；250、V型槽口；260、抵持部；261、中心轴；291、定位支承件；292、压紧螺栓；

3、支板装夹单元；30、前支撑板；31、后支撑板；32、辅助支撑件；

4、右装夹定位单元；40、右主体框架；41、右移动调节机构；42、压紧支板；43、右横向调节部件；44、压紧装置；45、球头；46、压紧头；47、轴定位基座；471、定位销。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将以本申请披露的一种用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置为例来描述本公开的技术方案。

根据本公开的示例，由图1-图9所示用于叶片包边前缘加工的自适应装夹装置的立体结构图可知，该自适应装夹装置可以包括形成其基底的夹具基座1，以及设于所述夹具基座1上的左装夹定位单元2、支板装夹单元3以及右装夹定位单元4，其中，左装夹定位单元2、支板装夹单元3以及右装夹定位单元4依次装夹塑性成型叶片包边前缘的前、中、后位置。

参阅图2-图6，左装夹定位单元2包括左主体框架20、左移动调节机构21、滑动滑块22、纵向调节部件23、压紧运动支座24、压紧滑块25、前随形压紧块26、后随形压紧块27、左横向调节部件28、定位基座29。

左主体框架20通过焊接与机械加工的方式进行加工，其上安装有左移动调节机构21和工艺台的定位基座29；工艺台的定位基座29上安装有工艺台可调的定位支承件291和工艺台的压紧螺栓12，用于在最初状态下安装塑性成型过程中使用的工艺基准，有利于保证机械加工中的粗基准与塑性成型中的基准保持一致。

请参照图4、图5，左移动调节机构21上设置有纵向调节部件23，用于带动压紧运动支座24实现纵向的运动，优选的，纵向调节部件23可以为调节螺杆，该调节螺杆贯穿或部分穿设滑动滑块22内、且与滑动滑块22螺纹设置，该滑动滑块22的前侧端面开设有斜导槽220，斜导槽220的形状可以为斜设的燕尾槽导轨，左移动调节机构21设有沿纵向方向设置的滑槽210，压紧运动支座24具有嵌装在斜导槽220内的斜导块240、以及具有嵌装在滑槽210的滑动台阶部241。调节时，可通过转动调节螺杆，螺纹的设置将旋转运动转化为滑动滑块22的水平移动，当然需要说明的是，滑动滑块22在左移动调节机构21内被限制了转动方向的自由度，因此在调节螺杆的转动下，能够实现沿调节螺杆长度方向的横向移动，由于斜导槽220和斜导块240以及滑槽210与滑动台阶部241的设置，由横向方向的移动转化为纵向方向上的移动，进而实现压紧运动支座24纵向方向上的移动。

在上述实施例中，压紧运动支座24上安装有压紧滑块25、前随形压紧块26、后随形压紧块27以及左横向调节部件28，于本实施例一个左横向调节部件28优选的例子，采用压紧螺栓穿设压紧运动支座24与压紧滑块25螺纹连接、或与压紧运动支座24螺纹连接其端部顶推压紧滑块25，由压紧螺栓带动压紧滑块25沿横向运动，该压紧滑块25的端面上沿横向方向开设有腰型孔，压紧滑块25通过螺栓穿设腰型孔，使压紧滑块25安装于压紧运动支座24，且压紧滑块25的前端具有V型槽口250，前随形压紧块26和后随形压紧块27均具有与V型槽口250相配合的抵持部260，且前随形压紧块26和后随形压紧块27均开设有腰型孔，腰型孔上穿设有中心轴261将前随形压紧块26、后随形压紧块27锁固在压紧运动支座24上，以使前随形压紧块26、后随形压紧块27具有调整姿态的能力，可根据型面的变化绕中心轴261进行一定的转动，且可分别沿横向和纵向进行一定的移动，进而适应叶片包边端面形状的变化，通过上述结构调整各自的位置和姿态，使各个随形压紧块都可以完全压紧在叶片两端的毛坯表面，完成叶片包边左端的装夹。

于上述实施例中的左装夹定位单元2，其可调的定位支承件291和压紧螺栓12用于对塑性成形的叶片包边的毛坯进行粗装夹。

于上述实施例中的左装夹定位单元2，其通过纵向调节部件23给压紧运动支座24提供1个纵向方向的移动自由度，左横向调节部件28给前随形压紧块26和后随形压紧块27提供了1个横向方向的移动自由度，中心轴261给前随形压紧块26和后随形压紧块27提供了1个旋转自由度。布置在夹具体左端用于对叶片包边的左装夹定位单元2(见图1)。通过不断调整直至前随形压紧块26和后随形压紧块27与叶片包边的型面相贴合，实现位姿可调。

下面将结合具体示例来对右装夹定位单元4的组成和连接关系进行详细说明。

参阅图7-图9，右装夹定位单元4包括右主体框架40、右移动调节机构41、压紧支板42、右横向调节部件43、压紧装置44、球头45、压紧头46、轴定位基座47。

其中右主体框架40通过焊接与机械加工的方式进行加工，右主体框架40上安装有轴定位基座47和右移动调节机构41。轴定位基座47上设置有与轴定位基座47螺纹设置的定位销20，定位销20用于对塑性成型的叶片包边的毛坯进行粗装夹，作为安装塑性成型过程中使用的工艺基准；有利于保证机械加工中的粗基准与塑性成型中的基准保持一致。

右移动调节机构41上安装有可滑动的两压紧支板42、以及安装有分别驱动两压紧支板42沿横向方向移动的右横向调节部件43，其中，右横向调节部件43可以为调节螺杆，与两压紧支板42螺纹设置，实现两压紧支板42沿横向方向移动。

两压紧支板42上分别设有压紧装置44，压紧装置44具有包覆球头45并使球头45具有三个旋转自由度的球窝，球头45沿球窝开口的一侧具有与球头45相连的压紧头46，作为上述实施例的一个例子，所述球头45可以为椭球型，压紧装置44形成椭球形的球窝，椭球形的球头45收容于椭球形的球窝，所述压紧装置44使收容所述球头45后的球窝具有一定间隙，从而使每个压紧头46具有三个旋转自由度的姿态调整能力，压紧头46的数量为四组，通过压紧头46压紧在叶片包边的右侧端面，在通过上述各自由度的调整，使得压紧头46可以适应叶片包边端面形状的变化。

下面将结合具体示例来对支板装夹单元3的组成和连接关系进行详细说明。

支板装夹单元3包括前支撑板30和后支撑板31，其中，前支撑板30与后支撑板31之间形成放置叶片包边的装夹区，布置在夹具体中部的前、后端用于对叶片包边的型面进行辅助支撑，可在前支撑板30和/或后支撑板31上开有工艺窗口，该工艺窗口用于在毛坯上为后道工序制备工艺基准特征，以便于加工工艺的实施(见图1)。前后支撑板的上端面设计为随叶片包边理论高度起伏变化的形状，可避让叶片包边前缘加工中刀具可能的碰撞，并为在线测量提供测头运动的空间，被置入装夹区的叶片包边通过辅助支撑件32实现侧身紧固。

在一些实施例中，辅助支撑件32为可调节螺栓；在一些实施例中，在对叶片包边进行自适应加工中，采用机床的在机测头在线测量叶片包边型面，按叶片的截面线设计测量点的位置，在夹具前支撑板30和后支撑板31不干涉的区域对包边型面进行测量。使用实测点位对零件进行配准，调整叶片包边的实测模型对应的加工坐标系、待加工型面与加工轨迹，完成包边零件的自适应加工。

使用该自适应装夹装置的方法，包括：首先，利用定位销20将叶片包边右端面的定位孔进行粗定位。然后，在进行叶片包边的左端定位，在装夹时若出现叶片包边无法在自由状态下定位，可通过调节左装夹定位单元2使叶片包边能够轻松定位，保证装夹后不受夹紧力产生变形，然后拧紧左横向调节部件28和压紧装置44将零件压紧。最后，在叶片包边左、右两端夹紧后，前支撑板30和后支撑板31上的辅助支撑件32对叶片包边进行侧身紧固，随后将叶片包边与夹具安装在带转台的五轴机床上，使用机床携带的测头在线测量叶片包边的叶身区域，采用自适应的方式对每个叶片进行自适应调整，并自适应调整加工程序，完成零件的自适应加工。

在采用辅助支撑件32向叶片包边进行侧身紧固时，每颗可调节螺栓在紧固时需要用百分表在叶片包边贴合点打表，当表针出现转动且转动量不大于0.02mm时停止紧固。随后测量进排气边附近点，进行自适应配准，开展自适应加工试验，构建了该装夹定位机构对叶片包边的装夹定位与工件加工变形量的关系，实现了航空发动机风扇叶片包边在加工过程的高效定位和变形控制。

通过上述具体实施方式的阅读理解，所属技术领域的技术人员可容易地实现本发明。但是应当理解，本发明不限于这种具体实施方式。在所公开实施方式的基础上，所述基础领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案，其上也可与不同形式的附加功能结合而形成其他技术方案。因此，本申请的保护范围仅由所附权利要求的范围来限定。