一种整体叶盘摆动摩擦焊接设备及方法与流程

本发明涉及航空制造技术领域，特别是涉及一种整体叶盘摆动摩擦焊接设备及方法。

背景技术：

整体叶盘是新型发动机的关键零件之一，见图1，多个叶片与中央的叶盘制造成一个整体。线性摩擦焊接是一种压力焊接方法，因为焊接质量高，成为制造整体叶盘的典型技术方法。

根据线性摩擦焊工艺特点，设计并制造焊前的叶片和叶盘的零件。线性摩擦焊接时，将焊前叶片安装在相应的叶片夹具中，通过驱动叶片夹具的高频振动，从而能带动叶片高频振动；将焊前叶盘安装在相应的叶盘夹具上，通过驱动叶盘夹具实现叶盘的顶锻运动，焊前叶片和叶盘接触后，通过线性摩擦焊接，将叶片焊接台和叶盘焊接台连接在一起，依次焊接所有的焊前叶片，将整体叶盘焊接完成，通过后续的数控铣削去除工艺余量后完成最终整体叶盘。

这种制造方法中，叶片夹具安装在振动滑台上，由于叶片越长，叶片端部悬伸越大，振动滑台的振动驱动力作用线和叶片的焊接面负载作用线之间的距离也随之增大，在相同负载下，叶片夹具的伸出端变形也越大，超过一定变形量，将对线性摩擦焊接质量产生较大影响，甚至无法采用线性摩擦焊接工艺。

因此，发明人提供了一种整体叶盘摆动摩擦焊接设备及方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种整体叶盘摆动摩擦焊接设备及方法，让叶片在顶锻力作用下线性移动，叶盘为高频角向摆动，能够使叶片在顶锻力作用下与高频摆动的叶盘摩擦焊接，解决了整体叶盘焊接时因长叶片振动而存在的变形问题。

第一方面，本发明的实施例提出了一种整体叶盘摆动摩擦焊接设备，该设备包括底座、叶片驱动单元和叶盘驱动单元，其中：

底座，以叶盘为中心的圆盘结构，在所述底座上设置有多个叶片驱动机构；

叶片驱动单元，包括用于装夹叶片的叶片夹具和顶锻驱动机构，所述叶片夹具设有装夹叶片的通孔结构，叶片可贯穿装夹在所述通孔结构中，所述顶锻驱动机构用于驱动所述叶片夹具带动叶片相对于所述底座线性移动；

叶盘驱动单元，包括用于装夹叶盘的叶盘夹具和摆动驱动机构，所述叶盘夹具设有装夹叶盘的安装面，叶盘可与所述叶盘夹具同轴安装在所述底座的中心，所述摆动驱动机构用于驱动所述叶盘夹具带动叶盘相对于所述底座在预定角度范围内摆动。

进一步地，所述顶锻驱动机构包括顶锻滑台和顶锻油缸，所述叶片夹具可拆卸地安装在所述顶锻滑台上，所述顶锻油缸安装在所述底座上，所述顶锻油缸的活塞杆用于驱动所述顶锻滑台在所述底座上线性滑动。

进一步地，所述顶锻滑台与所述底座之间设有导轨，所述导轨设在所述顶锻滑台的底部或者设在所述底座上。

进一步地，所述顶锻滑台上设有安装面，所述安装面与所述顶锻油缸活塞杆的位置相对，所述顶锻油缸的活塞杆与所述安装面连接而驱动所述顶锻滑台线性往复滑动。

进一步地，所述叶盘夹具的中心设有与叶盘中心孔同心的安装通孔，所述叶盘夹具的盘体上设有安装孔，用于与叶盘可拆卸安装。

进一步地，所述摆动驱动机构包括转动油缸和柱状的转台，柱状的所述转台贯穿所述底座的圆盘中心，所述转台与所述叶盘夹具的底部连接，所述转动油缸设在安装座上，所述转动油缸的活塞杆用于驱动所述柱状转台转动。

进一步地，所述转台与所述底座之间安装有轴承，所述转台与所述轴承的内圈相连接，所述底座与所述轴承的外圈相连接。

进一步地，所述转台外壁的两侧呈轴对称的设置有凸台，两个所述转动油缸与两侧的所述凸台分别对应设置，且两个所述转动油缸呈中心对称设置，所述转动油缸的活塞杆均与相应侧的所述凸台连接，从而能驱动所述转台绕中心轴转动。

进一步地，所述叶片驱动机构的数量与叶片的数量相同。

第二方面，提供了一种整体叶盘摆动摩擦焊接方法，采用第一方面的设备，该方法包括：

将叶盘安装在所述叶盘夹具上，并将所有叶片安装在相应的所述叶片夹具上，使叶盘处于底座的中心，所有叶片以叶盘为中心成辐射状，且叶片焊接台与相应的叶盘焊接台对应设置；

操作叶片驱动机构，使所述顶锻驱动机构驱动所述叶片夹具带动叶片相对于所述底座线性移动，直到叶片焊接台与叶盘焊接台相接触；

操作叶盘驱动机构，使所述摆动驱动机构驱动所述叶盘夹具带动叶盘在1°～3°的角度范围内摆动，且摆动的频率范围为20hz～70hz；

叶片焊接台与叶盘焊接台进行摩擦焊接，两者的接触面产生摩擦热，接触面材料软化后被挤出，当接触面材料被挤出达到预定量后，使叶盘快速停止摆动，叶片在顶锻力作用下与叶盘焊接为整体叶盘结构。

综上，本发明的整体叶盘摆动摩擦焊接设备及方法，通过采用叶片驱动机构中的顶锻驱动机构驱动叶片夹具，从而使叶片夹具带动叶片线性移动，通过采用叶盘驱动机构中的摆动驱动机构驱动叶盘夹具带动叶盘在一定的角度范围内高频率摆动，能够使叶片在顶锻力作用下与高频摆动的叶盘摩擦焊接，通过这种叶盘频角向摆动和叶片顶锻的方法，不仅解决了长叶片的整体叶盘焊接难题，而且可实现一次性焊接所有叶片，具有较高的焊接效率和焊接位置精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是常用的一种整体叶盘的结构示意图。

图2是叶盘和叶片在焊接前的结构示意图。

图3是现有技术的叶盘和叶片的焊接场景示意图。

图4是采用现有技术的焊接方法时，叶片夹具受力变形分析示意图。

图5是本发明的整体叶盘摆动摩擦焊接设备的整体结构示意图。

图6是本发明的整体叶盘摆动摩擦焊接设备的前视图。

图7是本发明的叶盘驱动单元的结构示意图。

图8是本发明的转动油缸安装示意图。

图中：

1-装夹台；2-叶片焊接台；3-叶身；4-叶盘盘体；5-叶盘焊接台；6-叶片夹具(现有技术的)；7-振动台；8-叶盘夹具(现有技术的)；9-顶锻台；10-顶锻滑台；11-导轨；12-底座；13-顶锻油缸；14-叶片夹具(本发明的)；15-叶盘夹具(本发明的)；16-转台；17-垫片；18-轴承；19-安装座；20-转动油缸。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图2为整体叶盘焊接前的叶片和叶盘的结构示意图，采用线性摩擦焊接方法制造整体叶盘前，根据线性摩擦焊工艺特点，设计并制造如图2所示的焊前的叶片和叶盘零件。其中，焊前叶片包括装夹台1、叶片焊接台2、叶身3；焊前叶盘主要包括叶盘盘体4、多个叶盘焊接台5。

见图3，线性摩擦焊接时，将焊前叶片的装夹台1安装在现有技术的叶片夹具6中，该叶片夹具6安装到振动台7上，振动台7在油缸驱动下高频振动；焊前叶盘安装在现有技术的焊前叶盘夹具8上，该叶盘夹具8安装在顶锻台9上，顶锻台9在另一个油缸驱动下实现顶锻运动；通过线性摩擦焊，焊前叶片的叶片焊接台2和焊前叶盘的叶盘焊接台5连接在一起，然后再依次焊接其余的待焊接叶片，将所有叶片与叶盘焊接完成。通过后续的数控铣削去除工艺余量后完成最终整体叶盘。

参见图4，现有技术的叶片夹具6安装在振动台7上，叶片越长，右端悬伸越大，振动台7的“振动驱动力”作用线和焊前叶片的“焊接面负载”作用线之间的距离也随之增大，在相同负载下，叶片夹具的右端变形也越大，超过一定变形量，将对线性摩擦焊接质量产生较大影响，甚至无法采用线性摩擦焊接工艺。

为实现长叶片的整体叶盘制造，本发明提出了一种新的焊接设备。如图5所示为焊接设备的一种实施例，该焊接设备包括底座12、叶片驱动单元和叶盘驱动单元。该设备中底座12是以叶盘为中心的圆盘结构，在该底座12上设置有多个叶片驱动单元，其中叶片驱动单元包括用于装夹叶片的叶片夹具14和顶锻驱动机构(至少包括顶锻滑台10和顶锻油缸13)，叶片夹具14设有装夹叶片的通孔结构，叶片可贯穿装夹在该通孔结构中，顶锻驱动机构用于驱动叶片夹具14而带动叶片相对于底座12线性移动。叶盘驱动单元包括用于装夹叶盘的叶盘夹具15和摆动驱动机构(至少包括转台16和转动油缸20)，该叶盘夹具15设有装夹叶盘的安装面，叶盘可与该叶盘夹具15同轴安装在底座12的中心，摆动驱动机构用于驱动叶盘夹具15带动叶盘相对于底座12在预定角度范围内摆动。

需要说明的是，为了提高焊接效率，底座12上设置的叶片驱动单元的数量与叶盘上需要焊接的叶片数量相同，可以一次性装夹完毕后同步进行摩擦焊接，也可以依次逐个进行焊接。

参见图5和图6所示，顶锻驱动机构包括顶锻滑台9和顶锻油缸13，叶片夹具14可拆卸地安装在顶锻滑台9上，顶锻油缸13安装在底座12上，顶锻油缸13的活塞杆用于驱动顶锻滑台9在底座12上线性滑动。

进一步地，顶锻滑台9与底座12之间设有导轨11，该导轨11可以设在顶锻滑台9的底部或者设在底座12的上表面上，那么在另一相对滑动物体上可设计相匹配的滑槽，从而形成滑轨副。也可以采用类似能实现移动的其他机构。

具体地，顶锻滑台9上设有安装面，该安装面与顶锻油缸13的活塞杆的位置相对，顶锻油缸13的活塞杆与该安装面接触从而驱动顶锻滑台9线性滑动。实践中，顶锻油缸13的活塞杆可以是与安装面固定式连接，能够保证更好的驱动牵拉作用。

作为另一种实施例，叶盘夹具15的中心设有与叶盘中心孔同心的安装通孔，该叶盘夹具15的盘体上设有安装孔，通过螺钉等螺纹紧固件，叶盘夹具15的安装孔用于与叶盘可拆卸安装。

参见图7和图8所示，作为其他实施例，摆动驱动机构至少包括转动油缸20和柱状的转台16，柱状的转台16贯穿底座12的圆盘中心，该转台12与叶盘夹具15的底部连接，转动油缸20设在固定的安装座19上，转动油缸20的活塞杆用于驱动柱状转台16转动。

需要说明的是，底座12和安装座19是其他零件的安装基础，固定不动。

进一步地，转台16与底座12之间安装有承受径向力的轴承18，转台16与轴承18的内圈相连接，底座12与轴承18的外圈相连接。其中，轴承18可以是滚动轴承，也可以是液体静压轴承。此外，在底座12和转台16的端面之间还可以安装有减小摩擦力的环形垫片17。

如图8所示，转台16外壁的两侧呈轴对称的设置有凸台，并且两个转动油缸20与两侧的所述凸台分别对应设置，且两个转动油缸20呈中心对称设置，转动油缸20的活塞杆均与相应侧的所述凸台连接，从而能驱动转台16绕中心轴转动。通过中心对称设置的两个转动油缸20驱动台16，实现了转台16的高频摆动，从而能带动叶盘随之高频摆动。

第二方面，本发明还提供了一种整体叶盘摆动摩擦焊接方法，采用第一方面的焊接设备，参见图5所示，该焊接方法包括以下步骤s110～步骤s140：

步骤s110，将叶盘安装在所述叶盘夹具15上，并将所有叶片安装在相应的所述叶片夹具14上，使叶盘处于底座12的中心，所有叶片以叶盘为中心成辐射状，且叶片焊接台与相应的叶盘焊接台对应设置。

步骤s120，操作叶片驱动机构，使所述顶锻驱动机构驱动所述叶片夹具14带动叶片相对于所述底座12线性移动，直到叶片焊接台与叶盘焊接台相接触。

结合第一方面具体的实施例部分，在本步骤中，具体可以是使液压油进入所有的顶锻油缸13，顶锻油缸13的活塞杆驱动所有的顶锻滑台10带动需要焊接的叶片直线移动，使所有需要焊接的叶片的叶片焊接台和叶盘焊接台的端面紧密接触。

步骤s130，操作叶盘驱动机构，使所述摆动驱动机构驱动所述叶盘夹具15带动叶盘在1°～3°的角度范围内摆动，且摆动的频率范围为20hz～70hz。

本步骤中，当液压油进入呈中心对称设置的两个转动油缸20中，转动油缸20通过转台16上的凸台能够驱动转台16高频摆动，带动了待焊叶盘的高频摆动，频率范围为20hz～70hz，摆动角度范围1°～3°。

步骤s140，叶片焊接台与叶盘焊接台进行摩擦焊接，两者的接触面产生摩擦热，接触面材料软化后被挤出，当接触面材料被挤出达到预定量后，通过控制转动油缸20使叶盘快速停止摆动，叶片在顶锻力作用下与叶盘焊接为整体叶盘结构。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。