一种用于转子榫连接锁销装配的工装结构的制作方法

本发明涉及一种用于地面燃气轮机、航空发动机等存在转子榫连接的锁销锁紧装配工装结构，可以有效实现榫连接结构中榫头、榫槽、锁销之间的定位，满足榫连接锁紧装配。

背景技术：

地面燃气轮机、航空发动机等叶轮机械中大量使用高速旋转转子结构。由于现行加工、铸造水平的限制，中等尺寸及大尺寸地面燃气轮机、航空发动机涡轮转子无法实现叶片和轮盘一体加工，叶片和轮盘通常采用分别加工，通过榫连接结构装配成转子的方式。涡轮多采用枞树榫结构，压气机多采用燕尾榫结构。二者榫结构齿形有差别，但装配方法通用，本发明通用于涡轮和压气机转子带锁销的榫连接装配。

榫连接由榫头和榫槽组成，是叶片和轮盘连接的承力构件。叶片上的榫头和轮盘上的榫槽二维造型是统一设计的，二者应力水平相当，并经过大量计算和试验验证最终定型。具体在涡轮或压气机转子应用时，根据转子叶片造型、叶片数、安装角等调整转子榫连接参数(轴向长度、榫宽、安装角等)，形成转子榫连接三维结构。榫头与榫槽啮合装配，通过齿面接触实现叶片径向和周向的定位。为实现叶片和轮盘轴向定位和榫结构锁紧，通常在榫头和榫槽之间采用锁销或锁片结构。

为使锁销起到锁紧榫连接，对叶片起到轴向定位作用，需对榫连接组件进行综合设计：①榫头底部沿榫头方向布置圆弧凹槽，榫槽底部同样设计为圆弧形，二者围成榫底孔，锁销可沿榫头方向装入榫底孔中；②根据叶片结构布局，榫头方向通常与发动机/燃气轮机轴线有一夹角，该夹角方向与叶片安装角方向一致；③榫底孔前后端面以锁销中心线为轴线加工锥面，以实现对锁销的定位与固定。

为确保锁销正确安装，榫连接锁紧装配时需要实现以下任务：①叶片榫头和轮盘榫槽端面轴向对齐；②冲铆底座应与锁销方向一致；②冲铆底座应从中心位置顶住锁销沉头；③由于叶片与榫槽加工存在公差，冲铆底座高度可调，以保证锁销能够锁紧。

目前现有技术中尚无榫连接锁销装配工装，采用手工方式装配锁销，定位与角度均不能定量调整，安装精度差，易出现锁销安装偏心或锁销安装不紧等现象。本发明旨在实现榫头榫槽端面轴向定位、冲铆底座与锁销沉头角度、位置对中，并可在榫连接锁销公差带范围内微调冲铆底座保证锁销安装紧固。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种用于转子榫连接锁销装配的工装结构，可用在燃气轮机、发动机等叶轮机械的旋转轮盘部件。其目的是实现叶片榫头、轮盘榫槽的端面轴向定位，同时实现锁销冲铆底座与锁销同方向、同轴，可在榫连接锁销公差带范围内微调冲铆底座保证锁销安装紧固，且冲铆底座高度可调，以适用不同锁销紧固安装。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于转子榫连接锁销装配的工装结构，所述转子包括叶片和轮盘，所述叶片的榫头装配在所述轮盘的榫槽中，所述叶片与轮盘的榫连接方向与轮盘轴向呈一夹角θ，所述叶片的榫头底部设置有凹槽，所述凹槽与所述榫槽之间的空腔中置入锁销以固定榫连接结构，其特征在于，

所述工装结构包括装配工装底座、装配工装盖板，其中，

装配工装底座、装配工装盖板的形状及尺寸与转子结构相匹配，装配工装底座、装配工装盖板分别置于转子轮盘的两侧，二者使用紧固件相紧固，其中，

--所述装配工装底座为顶部开口的空腔结构，所述装配工装盖板为底部开口的空腔结构，所述装配工装底座顶部的法兰边、所述装配工装盖板底部的法兰边分别形成有端面和内环面，其中，所述装配工装底座顶部和装配工装盖板底部的法兰边端面，分别与所述叶片榫头、轮盘榫槽两侧的端面平齐，以实现转子榫连接结构的轴向定位；所述装配工装底座顶部和装配工装盖板底部的法兰边内环面，分别与轮盘或叶片的特征环面间隙配合，实现轮盘的径向定位；

--所述装配工装底座的法兰边上对应所述锁销的位置处设置有冲铆底座，所述冲铆底座为设置在法兰边上的斜孔，所述冲铆底座与锁销同轴线布置，所述冲铆底座用于安装冲铆销和调节螺栓；所述装配工装盖板的法兰边上对应所述锁销的位置处设置有与锁销同轴的冲铆孔，为冲铆留出操作空间。

优选地，在所述榫头和榫槽的前缘、尾缘与所述锁销配合位置处布置有锥面以保证所述锁销的定位与安装。进一步地，轮盘榫槽和叶片榫头分别在各自的前缘、尾缘加工半锥面，二者装配后形成整个锥面。进一步地，锁销的头部呈锥面，锁销头部的锥面与轮盘榫槽和叶片榫头前缘的锥面相适配。

优选地，所述紧固件为长螺栓和螺母，所述长螺栓的设置位置与所述轮盘的轴线相一致。优选地，所述螺母位于装配工装底座底部的凹槽中，以保证所述装配工装底座的放置平稳。

优选地，所述装配工装底座和装配工装盖板的法兰边与所述叶片榫头、轮盘榫槽的端面接触对齐。优选地，如端面部分组件凸出端面，所述装配工装底座和/或装配工装盖板法兰边端面应采用开槽、开孔或倒角等方式，避免工装与组件凸起部分干涉，保证法兰边端面与榫连接端面紧密接触。

优选地，所述冲铆底座、冲铆孔的位置与方向与所述叶片榫头的方向一致，并相应地根据叶片结构进行定位。进一步地，设叶片径向线与叶片前端面的距离为x，叶片榫头方向与轮盘轴线夹角为θ，锁销径向高度为z，相应冲铆底座的定位方法为：在距装配工装底座法兰端面x、距轮盘轴线z的位置，沿与叶片一致的θ角度打孔布置冲铆底座，以保证其能沿锁销轴线方向正对锁销头部，其中，所述叶片径向线为轮盘径向平面与叶片榫头对称面的交线。冲铆底座的上述三维定位方法中，锁销位置由转子叶片径向线轴向位置、榫头方向与发动机轴线夹角、锁销轴线径向高度确定；工装结构与转子装配后，二者共轴且实现径向定位；安装孔与锁销共轴，其空间位置由转子榫头方向与发动机轴线夹角、锁销轴线径向高度和转子叶片径向线相对装配工装底座定位平面轴向位置确定。

优选地，所述冲铆底座为阶梯孔，阶梯孔靠近法兰平面的一侧为内径较小的光孔，远离法兰平面的一侧为内径较大的螺栓孔，所述冲铆销与光孔采用小间隙配合以定位保证冲铆销顶部与锁销头部平面平齐，所述螺栓孔与调节螺栓螺纹配合，所述调节螺栓顶住冲铆销，可起到微调冲铆销高度的作用。

优选地，所述调节螺栓与冲铆销采用硬质合金材料制成。

优选地，所述转子为涡轮转子或压气机转子。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了上述工装结构的装配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，

ss1.将轮盘和装配工装盖板(或装配工装底座)进行安装，将轮盘一侧的特征环面装入装配工装盖板(或装配工装底座)的法兰边内环，轮盘榫槽端面和装配工装盖板(或装配工装底座)的法兰端面齐平。

ss2.从轮盘的另一侧将叶片榫头和锁销安装到轮盘榫槽中，保证叶片榫头2的端面与轮盘榫槽1的端面平齐。

ss3.安装装配工装底座11(或装配工装盖板)，使轮盘另一侧的特征环面与装配工装底座(或装配工装盖板)的法兰边内环配合，法兰边端面压紧榫连接另一侧端面。

ss4.安装并紧固长螺栓和螺母。

ss5.将轮盘与工装组件放置在平台上，使装配工装底座在下侧，装配工装盖板在上侧。

ss6.将冲铆销装入装配工装底座的冲铆底座中，冲铆销顶部不超出装配工装底座法兰边端面，并安装调节螺栓。

ss7.拧松长螺栓，使轮盘刚刚可以转动。

ss8.调节轮盘周向位置，并拧入调节螺栓，当调节螺栓拧入最深位置，锁销的轴线和冲铆销对正，此时确定轮盘和装配工装底座周向位置。

ss9.调节装配工装盖板周向位置，将冲铆孔与锁销位置对应。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了上述工装结构的使用方法，其特征在于，所述方法通过如下步骤逐个冲铆锁销使榫连接锁紧，

ss1.拧紧长螺栓，使榫连接轴向固定，以实现定位；

ss2.拧紧调节螺栓，使冲铆销正对顶紧销钉的头部；

ss3.在装配工装盖板冲铆孔一侧对锁销冲铆，锁紧榫连接；

ss4.松长螺栓，检查安装叶片周向、轴向是否紧固；

ss5.如未紧固，重复步骤ss1～ss4，直至锁紧；如紧固，旋转轮盘一个叶片周期至下一叶片，重复步骤ss1～ss4，直至所有锁销冲铆完成。

目前尚无针对转子榫连接结构锁销装配的专用工装，本发明的用于转子榫连接锁销装配的工装结构具有以下优点：(1)借助本发明的工装可以实现轮盘定心和轴向定位，减少叶片与轮盘装配过程中的调试、测量工作量；(2)只需旋转转子轮盘，单自由度调整轮盘在工装上的位置，实现冲铆底座与锁销的对正，调节简单易行；(3)微调调节螺栓可实现冲铆底座紧顶住锁销，适于转子多叶片结构锁紧；(4)本发明的工装结构简单，易于实现。

附图说明

图1为现有锁销锁紧的转子榫连接结构示意图，其中，(a)为榫连接方向示意图，(b)榫连接结构二维造型示意图。

图2为现有锁销锁紧的转子榫连接端面细节结构示意图。

图3为现有带锁销转子榫连接沿榫头方向剖面图。

图4为本发明的转子榫连接锁销装配工装示意图。

图5为本发明的转子榫连接锁销装配工装冲铆底座定位示意图。

图6为本发明的转子榫连接锁销装配工装冲铆底座结构示意图(图5c-c截面)。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

图1～3示出了现有锁销锁紧的转子榫连接结构。如图1(a)所示，根据叶片安装角，转子叶片与轮盘的榫连接方向通常与转子轴向呈一夹角θ。图1(b)为图1(a)的e-e向视图，示出了典型的转子榫连接结构的二维造型，在转子榫连接结构的最下侧位置，叶片榫头2底部设置有凹槽，该凹槽可置入锁销3，用于固定转子榫连接结构。为保证锁销3的定位与安装，如图2所示，在叶片榫头2和轮盘榫槽1的前缘和尾缘与锁销配合位置处均布置有锥面。图3为转子榫连接沿榫头方向的剖面图，由该图可得知转子锁销锁紧榫连接的原理。轮盘榫槽1和叶片榫头2分别在各自的前缘、尾缘加工半锥面，二者装配后形成整个锥面。头部呈锥面的锁销3由前缘插入，与前锥面配合定位，锁销3在尾缘处扩口，起到固定叶片榫头2的作用。

为实现转子榫连接结构的轴向定位和径向定位以及锁销定位和冲铆前的紧固，设计了本发明的用于转子榫连接锁销装配的工装结构。如图4～6所示，本发明的用于转子榫连接锁销装配的工装结构，包括装配工装底座11、装配工装盖板12、长螺栓13、螺母14、调节螺栓21、冲铆销22等部件，其中，装配工装底座11、装配工装盖板12与转子结构相匹配，配合长螺栓13、螺母14等部件，用以实现榫结构的轴向、径向的定位；冲铆销22和调节螺栓21基于装配工装底座11的定位，可调节与锁销同轴并顶紧锁销沉头，实现锁销冲铆底座功能。

如图4、5所示，装配工装底座11、装配工装盖板12的形状及尺寸与转子结构相匹配，分别置于转子轮盘的前缘侧和尾缘侧，二者使用长螺栓13、螺母14紧固，其中，装配工装底座11为顶部开口的空腔结构，装配工装盖板12为底部开口的空腔结构，装配工装底座11顶部、装配工装盖板12底部的法兰边分别形成有端面和内环面。装配工装底座11顶部和装配工装盖板12底部的法兰边端面，与叶片榫头2、轮盘榫槽1前缘侧和尾缘侧的端面平齐，以实现转子榫连接结构的轴向定位。装配工装底座11顶部和装配工装盖板12底部的法兰边内环面，与轮盘或叶片的特征环面小间隙配合，实现轮盘的径向定位，起到轮盘定心功能。

装配工装底座11和装配工装盖板12的法兰边与转子接触的端面应具有较高的平面度，该端面与叶片榫头2、轮盘榫槽1的端面必须保证接触对齐。如端面部分组件凸出端面，装配工装底座11或装配工装盖板12法兰边端面应采用开槽、开孔或倒角等方式，避免工装与组件凸起部分干涉，保证法兰边端面与榫连接端面紧密接触。长螺栓13和螺母14紧固装配工装底座11和装配工装盖板12以实现叶片、轮盘的轴向、径向定位和紧固。螺母14位于装配工装底座11底部凹槽中，以保证装配工装底座11放置平稳。

如图5、6所示，装配工装底座11顶部的法兰边上对应锁销3的位置设置有斜孔，斜孔与锁销3同轴线布置，用于安装冲铆销22和调节螺栓21，二者构成冲铆底座。装配工装盖板12底部的法兰边上对应锁销3的位置设置有冲铆孔，即装配工装盖板12在锁销轴线相应位置留出冲铆操作空间。冲铆底座、冲铆孔的位置与方向设计应与叶片榫头2方向一致，其根据叶片结构进行定位。轮盘径向平面与叶片榫头对称面的交线为叶片径向线，设叶片径向线与叶片前端面距离x(图5)，叶片榫头方向与轮盘轴线夹角θ(图5)，锁销径向高度z(图6)。相应冲铆底座的定位方法为：在距装配工装底座11法兰端面x，距轮盘轴线z位置，沿与叶片一致的θ角度打孔布置冲铆底座，以保证其能沿锁销轴线方向正对锁销头部。如图6所示，冲铆底座设置为阶梯孔，阶梯孔靠近法兰平面的一侧为内径较小的光孔，远离法兰平面的一侧为内径较大的螺栓孔，冲铆销21与装配工装底座上的光孔采用小间隙配合以定位保证冲铆销21顶部与锁销3头部平面平齐，螺栓孔与调节螺栓22螺纹配合，调节螺栓22顶住冲铆销21，可起到微调冲铆销21高度的作用。调节螺栓22与冲铆销21采用硬质合金材料制成。通过该结构，在保证榫连接轴向定位的前提下，保证冲铆销21沿锁销轴线方向顶住锁销3。同时通过调节螺栓22紧固，可调节冲铆销21高度，使适配由于机加偏差导致锁销3头部高度存在公差带的情况，避免锁销3冲铆时存在空行程的问题。

参照图4，本发明的用于转子榫连接锁销装配的工装结构在进行装配时可按照如下步骤进行：ss1.将轮盘和装配工装盖板12进行安装，将轮盘一侧的特征环面装入装配工装盖板12的法兰边内环，轮盘榫槽端面和装配工装盖板12的法兰端面齐平。ss2.从轮盘的另一侧将叶片榫头2和锁销3安装到轮盘榫槽1中，保证叶片榫头2的端面与轮盘榫槽1的端面平齐。ss3.安装装配工装底座11，使轮盘另一侧的特征环面与装配工装底座11的法兰边内环配合，法兰边端面压紧榫连接另一侧端面。ss4.安装并紧固长螺栓13和螺母14。ss5.将轮盘与工装组件放置在平台上，装配工装底座11在下侧，装配工装盖板12在上侧。

ss6.如图6，将冲铆销22装入装配工装底座11法兰边上的冲铆底座中，冲铆销22顶部不超出装配工装底座法兰边端面，并安装调节螺栓21。拧松长螺栓13，使轮盘1刚刚可以转动。调节轮盘1周向位置，并拧入调节螺栓21，当调节螺栓拧入最深位置，锁销3轴线和冲铆销22对正，此时确定轮盘和装配工装底座周向位置，调节装配工装盖板周向位置，将冲铆孔与冲铆销位置对应。

通过如下步骤逐个冲铆锁销使榫连接锁紧：

1)拧紧长螺栓13，使榫连接轴向固定，以实现定位；

2)拧紧调节螺栓21，使冲铆销22正对顶紧销钉3头部；

3)在装配工装盖板12冲铆孔一侧对锁销冲铆，锁紧榫连接；

4)松长螺栓13，检查安装叶片周向、轴向是否紧固；

5)如未紧固，重复步骤1)～4)，直至锁紧；如紧固，旋转轮盘一个叶片周期至下一叶片，重复步骤1)～4)，直至所有锁销冲铆完成。

目前尚无针对转子榫连接结构锁销装配的专用工装，本发明的工装结构具有以下优点：①借助本发明的工装可实现轮盘定心和轴向定位，减少装配过程中的调试、测量工作量；②只需旋转转子轮盘，单自由度调整轮盘在工装上的位置，实现冲铆底座与锁销的对正，调节简单易行；③微调调节螺栓可实现冲铆底座紧顶住锁销，适于转子多叶片结构锁紧；④工装结构简单，非常易于实现。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明发明构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。