加工涡轮盘榫槽的卧式拉床夹具

第一章绪论
1.1 现代机床夹具的发展方向
机床夹具就是在机床上将工件进行定位、夹紧，将刀具进行导向的一种装置，其主要作用就是使工件相对与机床和刀具有一个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变
现代工业的一个显著特点是：新产品发展快，质量要求高，品种规格多，产品更新换代周期短。

反映在机械工业上，多品种、小批量生产在生产类型比例中，占了很大比重。

为了适应这一要求，必须做好生产技术准备工作，而机床夹具是这一工作的重要组成部分。

现代机床夹具的发展方向主要表现在：
1.标准化
完善的标准化，不仅指现有夹具零部件的标准化，而且对应各种类型夹具应有标准的结构。

这样可以使夹具的设计、制造和装配工作简化，有利于缩短生产周期和降低成本。

2.可调化、组合化
这样做可以扩大专用夹具的使用范围，改变以往工艺条件稍有变化就导致专用工装报废的现象，使夹具能重复利用。

实行组合化的原则设计工装，用少量元件能满足多种要求。

3.精密化
随着机械产品加工、装配精度日益提高，高精度机床大量涌现，势必要求机床夹具的精度也相应地越来越高。

4.高效自动化
为了既改善劳动条件，实现文明生产，使所设计的工装更符合人机工程学原理，以提高生产效率，又能降低加工成本，对夹具提出高效自动化的要求，以便获得良好的经济效益。

5.模块化
通过采用模块化设计，可以提高设计效率，缩短设计周期。

1.2 现代制造业对夹具设计的基本要求
1.稳定地保证工件的加工精度
2.提高机械制造行业的劳动生产率
3.结构简单、有良好的结构工艺性并且操作简便、能改善劳动条件
4.应能降低产品的制造成本
1.3 项目提出的背景及研究的内容
涡轮盘是航空发动机（如图1-1）的重要零件,它与相应的轴、叶片相互连接而组成发动机中的转子组件。

涡扇发动机的外函推力完全来自于它高速旋转所产生的推力。

处于高速、高温的工作环境下，是关键复杂构件，其机械加工特点表现为榫槽形状结构复杂，加工精度要求高、空间角度复杂等。

它的设计、工艺和制造水平决定了航空发动机的经济性、安全可靠性、维修周期、寿命等性能指标。

图1—1航空发动机
现在涡轮盘材质多采用GH698，属镍基合金，Ni含量大于70%，加工硬化严重，切削加工性非常差。

机械加工难度大，在整个涡轮机加工中也是一个难点。

而在整个涡轮盘的机械加工中，工作量最大、难度最高的是轮盘榫槽加工。

因此本文主要是围绕在拉削涡轮盘榫槽这一工序过程中所使用的专用夹具为中心，研究了拉削涡轮盘榫槽的卧式拉床夹具的结构设计、调整和使用。

1.4项目研究的方法、预期结果及意义
该夹具主要用于拉削航空发动机涡轮盘上的榫槽，榫槽本身精度主要由拉刀设计、制造精度和拉削方法保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差等就主要由该夹具来保证。

因此在确定该夹具的设计方案时，首先对工序图进行分析，了解本工序需要保证的尺寸精度和位置精度。

为了使所设计的夹具能够保证零件所要求的精度，必须对涡轮盘进行精确地定位和准确地分度。

为了能够减轻劳动强度，提高劳动生产率，尽量缩短本工序的辅助时间，动力系统采用液压装置。

此液压分度夹具与移动安装座的定位是靠移动安装座上的两个定位销，通过四个M20螺栓连接固定。

零件安装到分度夹具上，用螺栓压紧；将拉刀按顺序放入拉刀盒中，拉刀盒通过刀柄与拉床主轴连接。

通过采用合理的定位装置和分度机构，该夹具应该能够保证零件要求的尺寸和位置精度。

涡轮盘是航空发动机上一个十分重要的零件，然而在整个涡轮盘的机械加工过程中，精度要求最高，难度最大就是涡轮盘上的榫槽的加工这一工序，因为榫槽必须要和叶片上的榫头相配合。

它们之间的配合精度要求也是很高的。

综以上分析，本道工序所要加工的涡轮盘榫槽对于整个发动机的质量和性能都有着十分重要的影响，所以本工序所专用的夹具的设计制造有着十分重要的意义。

第二章涡轮盘件榫槽的加工特点及工艺装备
2.1 涡轮盘榫槽加工工艺的分析
2.1.1 涡轮盘榫槽加工工序图的分析
涡轮盘是航空发动机上的典型的盘类零件，属于盘类件，在本道工序中主要的加工表面是形状为枞树形的榫槽面，榫槽是用于安装叶片的，较为复杂。

数量为47个，均布于ф328的圆周，均布累积误差不大于0.127mm。

榫槽的宽度尺寸、榫槽工作面至距涡轮盘中心的距离误差均在0.1mm以内，榫槽表面粗糙度要求Ra1.6以上（图2-1）。

图2—1 涡轮盘零件工序图
2.1.2 零件毛坯种类、特点
由于涡轮盘处于高速、高温（400℃~800℃）的工作环境，对毛坯的材料也有特殊的要求，现在国内外常采用镍基合金，此涡轮盘83076967的毛坯所用的材料是AISI4340,相当于38GrMnAlA,用这种合金粉末热等静压制成型，为了提高涡轮盘的疲劳强度，采用了在热等静压预成形后再等温锻造的技术。

用这种材料和锻造技术成型的涡轮盘毛坯具有很高的强度和抗疲劳性能，并且材料的拉削性能比较好，最佳的拉削速度大概在2—2.5m/min。

2.1.3 涡论盘的加工工艺路线分析
涡轮盘的加工工序如下表：
周向榫槽常用精密车床、专用夹具、专用刀杆、成型刀片进行加工，而各种形状复杂的周向榫槽常用铣床铣削和拉床拉削来加工，由于枞树型榫槽结构不规则，形状复杂，而且表面粗糙度要求在Ra1.6以上,若采用铣削加工，必须通过粗铣、半精铣、精铣三道工
艺，才有可能使榫槽达到要求的表面粗糙度，并且劳动强度大效率低，加工精度难以保证，所以现在生产中已经很少采用了，拉削是一种高效率的金属切削工艺，用于加工多种形状的内、外表面，以及具有旋转运动的螺旋槽等。

加工质量特点：精度较高，可以达到0.015mm,表面粗糙度可达到Ra0.8。

尺寸一致性好。

特别适合加工精度高、表面质量好的成批和大量生产的零件。

现已广泛用于航空发动机叶片榫头、涡轮盘、压气机盘等部件的加工，但必须配以专用的刀具、量具、及其它辅具。

2.2 拉削方法及工艺装备的分析与选取
2.2.1 拉削方法
拉削按拉削速度分成两种：低速拉削和高速拉削。

目前在航空零件上已愈来愈多采用高速拉削，主要是由于以下几个方面的原因：（1）在相同条件下，高速拉削的零件表面质量优于低速拉削的表面质量。

有的材料如不锈钢等用低速拉削无法保证其表面质量，必须采用高速拉削。

（2）高速拉削所用的拉床，其结构刚性好，滑枕行程长，选用拉削速度范围广，冷却润滑效果好。

这样，不仅提高了生产率，而且大大降低了生产成本。

（3）高速拉削的拉刀大都采用超硬型高速钢，如钼-钴和钨-钴类高速钢能在高温、高压及高速下长期工作。

这样有利于实现拉削自动化，除了单机拉削自动化外，还可将单机-传送带-单机连成拉削自动线。

高速拉削,一般是指拉削速度高于15-20m/min的拉削。

由于在提高加工表面质量延长拉刀寿命等方面比低速拉削具有明显的优越性，因此现代拉削中多采用高速拉削。

但是对于不同的零件材料，或即使相同的材料热处理工艺不同，也会影响拉削速度。

实际生产中是通过试拉来确定具体零件材料高速拉削的速度。

在较低的速度下拉削，拉削的表面质量还比较好，拉削速度不断提高，到一定速度后，拉削表面质量下降，甚至出现鳞刺，继续提高速度，拉削表面质量开始好转，到一定速度下，拉削面质量达
到最佳，这时的速度就是这种材料的高速拉削速度。

高速拉削一般可以提高盘类件的表面质量和生产率，但对于某些难加工材料的零件，只有在低速拉削时方能后的最佳拉削质量。

如此涡轮盘83076967的毛坯所用的材料是AISI4340,相当于38GrMnAlA，这种材料的最佳的拉削速度大概在2—2.5m/min。

2.2.2 工艺装备
拉削加工涡轮盘所用的工艺装备主要是有拉床、拉刀、量具等，涡轮盘上的榫槽自身的精度主要由合理的拉刀设计、制造精度和正确的拉削方法来保证；榫槽的相对精度，如榫槽至中心控制尺寸、榫槽均布误差、榫槽中心对称等，主要依靠夹具保证。

1.拉床
考虑到现有的已知条件和前面所分析的该材料的涡轮盘的榫槽的最佳拉削速度情况，选用普通卧式拉床L6120（类似图2—2）。

这种拉床主要用于拉削花键孔、平面和形状复杂的成型面等，生产效率高，适用于大量生产及成批生产。

该机床采用液压传动，工作平稳，能无级调速，并有超负荷保险装置。

机床具有自动循环、半自动循环和两种分段循环等四种工作循环，主要动作可单独点动调整，能满足各种生产场合的需要。

机床由一个总按钮站操纵，操作方便。

图 2—2
L6120的性能参数：
额定拉力：20吨
最大拉力：26吨
主溜板行程长度：1600mm
接送刀机构最大行程长度：620mm
护送刀最大行程长度：850mm
主溜板工作行程速度：1.5~11m/min
主溜板返回行程速度：7~12m/min
主传动用径向柱塞油泵：流量 300升/分
最大工作压力：10Mpa
主传动电机功率：22千瓦
主传动电机转速：970转/min
机床的外形尺寸（长×宽×高）：6830mm×1819mm×1376mm
2.拉刀
加工涡轮盘榫槽的拉刀为专用拉刀，拉床所用拉刀为分段组合形式，根据被拉削榫槽型面的要求，采用分段组合形式，共分9段。

由每段拉刀分别担负一定的切削部分和切削量（如图2—3）。

这些功能不同，长短不一的分段拉刀将被分为三组，分别定位夹紧在拉刀盒子内，成为完整的组合拉刀。

图2—3拉削榫槽的拉削余量分配图
由于轮盘材质是38GrMnAlA，加工性差，而且轮盘精度要求高，硬质合金刀具虽然在硬度、耐磨性和切削用量等方面优于高速钢，但其缺点很突出：不能承受较大的冲击力，强度低，只是高速钢的三分之一，热处理困难；整体硬质合金刀具制造困难，可加工性差，型线的铲磨必须用金刚石砂轮。

普通高速钢由于在强度、硬度等方面性能指数低，不能采用，而粉末冶金高速钢如CPM-42，虽然韧性、硬度和可磨削性优于其它高速钢，但价格偏高，因此，也不采用。

通过比较分析，拉刀材质通常选用M42(W2Mo9Cr4VCo8)钴高速钢。

有较高的淬透性，M42热处理后硬度可以达到67-69HRC，在加工中当温度提高至600-620℃时具有很高的红硬性，并具有很高的耐磨性，很高的强度及良好的工艺性能，缺点韧性较差、脱碳敏感性强，但是就综合性能而言，现在榫槽拉刀材质通常都选择M42。

3.量具
为检验拉刀拉出的枞树形榫槽的尺寸精度，采用直径为Ф1.524的标准量棒。

拉削是大切削刃面，多齿强力切削过程，会产生大量切削热。

加之切削过程中，加工面被进、出口处得刀齿包容，切削热不易被冷却液带走，故要求用大流量、大热容量的冷却润滑液进行强制冷却，以降低切削时的温升。

第三章涡轮盘分度夹具的结构设计
3.1定位原理和定位机构
1.定位原理
工件在夹具中的定位就是要确定工件与夹具定位元件的相对位置，并通过导向元件和对刀元件来保证工件与刀具之间的相对位置，从而满足加工精度的要求。

对单个工件而言，就是工件准确地占据由定位元件所规定的位置。

要实现定位，必须将工件的有关表面靠近在夹具的定位元件上，工件的定位和用于定位的表面有很大的关系这些表面就是工件的定位基准，基准就是零件上的点、线、面，这些点、线、面是用来确定零件上的其他的点、线、面的。

工件在没有采取定位措施以前，它在夹具中的位置是任意的，即对一个工件来说它的位置是不确定的，而对一批工件来说它们的位置是变动的。

工件空间位置的这种不确定性可用自由度来描述，把工件看成直角坐标系OXYZ中的一个刚体，在没有采取定位措施前，它有六个自由度，即沿X、Y、 Z轴的三个移动自由度和绕X、Y、Z轴的三个转动自由度，如图3—1所示。

图3—1 零件的六个自由度
要使工件沿某一方向上有确定的位置，就必须限制它沿这个方向上的自由度，夹具中，限制工件自由度用定位支承点来实现，一个定位支承点限制一个自由度，通常用夹具上按一定要求布置的六
个定位支承点与工件的定位基准相接触来限制工件的六个自由度，即六点定位原理。

但是在工件实际定位时，所限制的自由度数少于按工序加工要求应予以限制的自由度数，则工件定位不足称为欠定位，欠定位往往会造成工件定位不确定、定位元件变形和工件装夹不好。

如果几个定位支承点重复限制同一个或几个自由度，称为过定位，对于形状精度和位置精度很低的毛坯表面作为定位基准时，是不允许出现过定位的，这样会造成工件定位时的位置不确定。

但是对于已加工过的工件表面或精度高的毛坯表面作为定位基准时，为了提高零件的稳定性和刚度，可以使用过定位。

2.定位装置
定位装置的作用是确定工件在夹具中的位置。

定位元件通常采用平面、圆柱面、锥面等来实现工件的定位。

工件定位时，只要将工件上定位基准与夹具上的定位表面互相接触，就可获得正确的位置，不需要任何的调整与找正。

3.2 定位基准的选取以及定位误差的分析
3.2.1定位基准的选择和定位装置的设计
涡轮盘83076967工艺尺寸图2—1，根据选择定位基准的基准重合原则和所选基准应保证定位稳定、便于夹紧的条件，选择涡轮盘C 面和D轴作为定位基准。

C面和D轴的自身尺寸公差(Ф95-0.025mm和
13.84mm)、形状公及它们与涡轮盘原始基准A和B的形位
公求都很严，所以由于基准不重合引起定基误
差也相对很小。

由于所要加工的涡轮盘的榫槽均不于Ф328的圆周，故采用定位环与C面接触，大平面三点定位，限制了X轴上的移动、Y、Z轴上的转动共三个自由度，短定位套与秃台的D面配合，来限制X和Y轴方向上的移动,共限制了五个自由度，属于不完全定位。

3.2.2定位误差的分析和计算
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