CN113510361A - 航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置及方法，其中装置包括主轴工件安装系统、尾座工件安装系统以及控制系统。主轴工件安装系统包括驱动电机、主轴组件、惯性盘和主轴夹具，主轴组件包括壳体和转动安装于壳体上的主轴，主轴与驱动电机传动连接，惯性盘固定于主轴上，主轴夹具固定于主轴上，主轴夹具用于装夹主轴工件；尾座工件安装系统包括顶锻油缸、尾座和尾座夹具，顶锻油缸用于推动尾座靠近或远离主轴夹具，尾座夹具固定于尾座上，用于装夹尾座工件；控制系统分别与驱动电机和顶锻油缸电连接。相比于现有技术，本发明能够提高大涵道比航空发动机压气机相邻级盘间的焊接质量、减轻发动机整体重量、大幅度提高发动机推重比。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机零部件制造技术领域，特别是涉及航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置及方法。
背景技术
压气机作为航空发动机一个重要组成部件，是向气体传输机械能、完成发动机热力循环中气体介质压缩过程，以提高气体压力的机械装置。压气机主要由低压压气机和高压压气机组成。压气机盘作为压气机的重要组成部分，从一级盘到十级盘依次为钛合金、高温合金和粉末高温合金。各级盘之间传统连接为机械螺栓连接和电子束焊接两种方式，但机械连接造成压气机轮盘厚度较大，质量较高，增加了发动机整体重量，不利于航空发动机推重比的提高和性能的提升；而电子束焊接方法热输入较高，焊接变形较大，焊后残余应力较高，异种材料焊接难度大，难以完全满足航空发动机压气机盘的设计的制造要求，严重制约了航空发动机整体性能的提升。
因此，如何提高航空发动机压气机相邻级盘间焊接质量以及减轻发动机整体重量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置及方法，用于提高大涵道比航空发动机压气机相邻级盘间的焊接质量，减轻航空发动机整体重量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，包括：
用于驱动主轴工件旋转的主轴工件安装系统，所述主轴工件安装系统包括驱动电机、主轴组件、惯性盘和主轴夹具，所述主轴组件包括壳体和转动安装于所述壳体上的主轴，所述主轴与所述驱动电机传动连接，所述惯性盘固定于所述主轴上，所述主轴夹具固定于所述主轴上，所述主轴夹具用于装夹所述主轴工件；
用于驱动尾座工件沿直线靠近或远离所述主轴工件的尾座工件安装系统，所述尾座工件安装系统包括顶锻油缸、尾座和尾座夹具，所述顶锻油缸用于推动所述尾座靠近或远离主轴夹具，所述尾座夹具固定于所述尾座上，所述尾座夹具用于装夹尾座工件；
控制系统，所述控制系统分别与所述驱动电机和所述顶锻油缸电连接；
其中，所述主轴工件包括第一级盘，所述尾座工件包括第二级盘，所述尾座工件安装系统能够使所述第二级盘与所述第一级盘接触，所述第二级盘与所述第一级盘的接触面为航空发动机压气机盘组件中相邻两个级盘的焊接端面。
优选地，还包括空冷机，所述空冷机与所述驱动电机相邻设置，用于冷却所述驱动电机。
优选地，还包括床身和底座，所述驱动电机固定于所述床身上，所述顶锻油缸包括油缸本体和活塞杆，所述活塞杆的伸出端固定于所述底座上，所述底座固定于床身上。
优选地，所述尾座滑动安装于所述床身上。
本发明还公开了一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用上述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件和尾座工件上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊主轴工件装夹在主轴夹具中，将待焊尾座工件装夹在尾座夹具中；
S2、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离，将尾座工件相对于主轴工件进行对中调整；
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力，并输入控制系统中；
S4、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离后停止运动；
S5、驱动电机驱动主轴工件旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定；
S6、驱动电机不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，并施加摩擦压力；
S7、主轴工件停止转动，保持摩擦压力一段时间，之后松开主轴夹具和尾座夹具，取下由主轴工件和尾座工件焊接而成的焊接工件。
本发明还公开了另一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用上述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件和尾座工件上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊主轴工件装夹在主轴夹具中，将待焊尾座工件装夹在尾座夹具中；
S2、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离，将尾座工件相对于主轴工件进行对中调整；
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力、转换转速和顶锻压力，并输入控制系统中，顶锻压力大于摩擦压力；
S4、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离后停止运动；
S5、驱动电机驱动主轴工件旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定；
S6、驱动电机不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，并施加摩擦压力；
S7、主轴工件的转速降至转换转速后，顶锻油缸施加顶锻压力，保持顶锻压力一段时间，之后松开主轴夹具和尾座夹具，取下由主轴工件和尾座工件焊接而成的焊接工件。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明采用惯性摩擦焊接方法进行发动机压气机盘焊接制造，焊后各级盘圆心径向偏差小，轴向缩短量偏差小，焊接接头质量高、变形小，无夹渣、气孔、裂纹等焊接缺陷。既适用于钛合金和高温合金压气机盘的焊接，也适用于异种材料压气机盘之间的高质量连接。能够有效减轻发动机重量，提升发动机推重比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本实施例航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置的原理图；
图2为作为主轴工件的九级盘与作为尾座工件的十级盘的焊接示意图；
图3为图2得到的焊接工件示意图；
图4为作为主轴工件的八级盘与作为尾座工件的九级盘、十级盘组合件的焊接示意图；
图5为图4得到的焊接工件示意图；
图6为作为主轴工件的七级盘与作为尾座工件的八级盘、九级盘、十级盘组合件的焊接示意图；
图7为图6得到的焊接工件示意图；
图8为作为主轴工件的六级盘与作为尾座工件的七级盘、八级盘、九级盘、十级盘组合件的焊接示意图；
图9为图8得到的焊接工件示意图；
附图标记说明：100-航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置；1-床身；2-空冷机；3-驱动电机；4-联轴器；5-主轴组件；6-惯性盘；7-主轴夹具；8-主轴工件；9-尾座工件；10-尾座夹具；11-尾座；12-油缸本体；13-活塞杆；14-底座；15-六级盘；16-七级盘；17-八级盘；18-九级盘；19-十级盘；20-焊缝；21-定位垫。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置及方法，用于提高大涵道比航空发动机压气机相邻级盘间的焊接质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-9所示，本实施例提供一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置100，包括用于驱动主轴工件8旋转的主轴工件安装系统、用于驱动尾座工件9沿直线靠近或远离主轴工件8的尾座工件安装系统以及控制系统。
其中，主轴工件安装系统包括驱动电机3、主轴组件5、惯性盘6和主轴夹具7。主轴组件5包括壳体和转动安装于壳体上的主轴，主轴与驱动电机3传动连接。惯性盘6固定于主轴上，用于增大主轴的转动惯量。主轴夹具7固定于主轴上，主轴夹具7用于装夹主轴工件8。尾座工件安装系统包括顶锻油缸、尾座11和尾座夹具10。顶锻油缸用于推动尾座11靠近或远离主轴夹具7，尾座夹具10固定于尾座11上，尾座夹具10用于装夹尾座工件9。控制系统分别与驱动电机3和顶锻油缸电连接，用于控制驱动电机3的输出转速和顶锻油缸的输出压力。本实施例中，通过联轴器4将主轴与驱动电机3的输出轴固定相连，本领域技术人员也可采用其它常用的传动连接方式，例如主轴与驱动电机3的输出轴通过齿轮传动的方式传动连接。另外，为了便于尾座工件9的定位，本实施例中尾座工件9与尾座夹具10之间设有定位垫21。
其中，主轴工件8包括第一级盘，尾座工件9包括第二级盘，尾座工件安装系统能够使第二级盘与第一级盘接触，第二级盘与第一级盘的接触面为航空发动机压气机盘组件中相邻两个级盘的焊接端面，两个焊接端面在焊接完成后形成一个焊缝20。例如，图2中主轴工件8为九级盘18，尾座工件9为十级盘19；图4中主轴工件8为八级盘17，尾座工件9为九级盘18、十级盘19的组合件；图6中主轴工件8为七级盘16，尾座工件9为八级盘17、九级盘18、十级盘19的组合件；图8中主轴工件8为六级盘15，尾座工件9为七级盘16、八级盘17、九级盘18、十级盘19的组合件。
为了防止驱动电机3因过热而损坏，本实施例还包括空冷机2，空冷机2与驱动电机3相邻设置，用于冷却驱动电机3。
在使用过程中，驱动电机3和顶锻油缸均需要进行固定。本实施例中，还包括床身1和底座14，驱动电机3固定于床身1上。顶锻油缸包括油缸本体12和活塞杆13，活塞杆13的伸出端固定于底座14上，底座14固定于床身1上。
为了避免活塞杆13承受过大的径向力，本实施例中尾座11滑动安装于床身1上。
本实施例还公开了一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用上述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置100，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件8和尾座工件9上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊的主轴工件8装夹在主轴夹具7中，将待焊的尾座工件9装夹在尾座夹具10中。
S2、顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，然后使尾座工件9离开主轴工件8一段距离，将尾座工件9进行对中调整，使尾座工件9相对于主轴工件8的圆心跳动小于0.05mm。
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力，并输入控制系统中。
S4、顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，然后使尾座工件9离开主轴工件8至少2mm后停止运动。
S5、驱动电机3驱动主轴工件8旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定。
S6、驱动电机3不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，并施加摩擦压力。在摩擦压力的作用下，主轴工件8的转速下降，主轴工件8的焊接端面和尾座工件9的焊接端面相互摩擦产生热量，使焊接端面附近材料受热达到粘塑性状态，高速旋转的惯性盘6中储存的能量逐渐转化为焊接端面的热能，使主轴工件8的焊接端面和尾座工件9的焊接端面之间形成一层高温粘塑性金属。
S7、主轴工件8停止转动，保持摩擦压力30s以上，之后松开主轴夹具7和尾座夹具10，取下由主轴工件8和尾座工件9焊接而成的焊接工件，清扫焊接现场，结束全部焊接过程。保压过程中，焊接端面的高温金属在压力的作用下通过元素扩散以及回复再结晶等过程形成高质量焊接接头。
本实施例还公开了另一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用上述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置100，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件8和尾座工件9上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊的主轴工件8装夹在主轴夹具7中，将待焊的尾座工件9装夹在尾座夹具10中。
S2、顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，然后使尾座工件9离开主轴工件8一段距离，将尾座工件9进行对中调整，使尾座工件9相对于主轴工件8的圆心跳动小于0.05mm。
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力、转换转速和顶锻压力，并输入控制系统中，顶锻压力大于摩擦压力。
S4、顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，然后使尾座工件9离开主轴工件8至少2mm后停止运动。
S5、驱动电机3驱动主轴工件8旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定。
S6、驱动电机3不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件9移动，使尾座工件9的焊接端面和主轴工件8的焊接端面相接触，并施加摩擦压力。在摩擦压力的作用下，主轴工件8的转速下降，主轴工件8的焊接端面和尾座工件9的焊接端面相互摩擦产生热量，使焊接端面附近材料受热达到粘塑性状态，高速旋转的惯性盘6中储存的能量逐渐转化为焊接端面的热能，使主轴工件8的焊接端面和尾座工件9的焊接端面之间形成一层高温粘塑性金属。
S7、主轴工件8的转速降至转换转速后，顶锻油缸施加顶锻压力，保持顶锻压力30s以上，之后松开主轴夹具7和尾座夹具10，取下由主轴工件8和尾座工件9焊接而成的焊接工件。保压过程中，焊接端面的高温金属在压力的作用下通过元素扩散以及回复再结晶等过程形成高质量焊接接头。
需要说明的是，上述两种惯性摩擦焊接方法的主要区别在于，步骤S6至S7中，主轴工件8由主轴转速减速至停转的过程中，一个持续施加摩擦压力，另一个先施加摩擦压力，后施加顶锻压力，顶锻压力大于摩擦压力。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，包括：
用于驱动主轴工件旋转的主轴工件安装系统，所述主轴工件安装系统包括驱动电机、主轴组件、惯性盘和主轴夹具，所述主轴组件包括壳体和转动安装于所述壳体上的主轴，所述主轴与所述驱动电机传动连接，所述惯性盘固定于所述主轴上，所述主轴夹具固定于所述主轴上，所述主轴夹具用于装夹所述主轴工件；
用于驱动尾座工件沿直线靠近或远离所述主轴工件的尾座工件安装系统，所述尾座工件安装系统包括顶锻油缸、尾座和尾座夹具，所述顶锻油缸用于推动所述尾座靠近或远离主轴夹具，所述尾座夹具固定于所述尾座上，所述尾座夹具用于装夹尾座工件；
控制系统，所述控制系统分别与所述驱动电机和所述顶锻油缸电连接；
其中，所述主轴工件包括第一级盘，所述尾座工件包括第二级盘，所述尾座工件安装系统能够使所述第二级盘与所述第一级盘接触，所述第二级盘与所述第一级盘的接触面为航空发动机压气机盘组件中相邻两个级盘的焊接端面。
2.根据权利要求1所述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，还包括空冷机，所述空冷机与所述驱动电机相邻设置，用于冷却所述驱动电机。
3.根据权利要求1所述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，还包括床身和底座，所述驱动电机固定于所述床身上，所述顶锻油缸包括油缸本体和活塞杆，所述活塞杆的伸出端固定于所述底座上，所述底座固定于床身上。
4.根据权利要求3所述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，所述尾座滑动安装于所述床身上。
5.一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用如权利要求1-4任意一项所述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件和尾座工件上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊主轴工件装夹在主轴夹具中，将待焊尾座工件装夹在尾座夹具中；
S2、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离，将尾座工件相对于主轴工件进行对中调整；
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力，并输入控制系统中；
S4、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离后停止运动；
S5、驱动电机驱动主轴工件旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定；
S6、驱动电机不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，并施加摩擦压力；
S7、主轴工件停止转动，保持摩擦压力一段时间，之后松开主轴夹具和尾座夹具，取下由主轴工件和尾座工件焊接而成的焊接工件。
6.一种航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接方法，使用如权利要求1-4任意一项所述的航空发动机压气机盘组件惯性摩擦焊接装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、用丙酮擦拭待焊工件，去除主轴工件和尾座工件上油污、氧化物、铁屑和毛刺，将待焊主轴工件装夹在主轴夹具中，将待焊尾座工件装夹在尾座夹具中；
S2、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离，将尾座工件相对于主轴工件进行对中调整；
S3、通过待焊材料的物理、化学以及机械性能确定相应的主轴转速、主轴工件转动惯量、摩擦压力、转换转速和顶锻压力，并输入控制系统中，顶锻压力大于摩擦压力；
S4、顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，然后使尾座工件离开主轴工件一段距离后停止运动；
S5、驱动电机驱动主轴工件旋转，转速从0升至主轴转速并保持稳定；
S6、驱动电机不再输出动力，顶锻油缸驱动尾座工件移动，使尾座工件的焊接端面和主轴工件的焊接端面相接触，并施加摩擦压力；
S7、主轴工件的转速降至转换转速后，顶锻油缸施加顶锻压力，保持顶锻压力一段时间，之后松开主轴夹具和尾座夹具，取下由主轴工件和尾座工件焊接而成的焊接工件。
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