CN113770506A - 航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具及惯性摩擦焊机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，移动基座安装在滑台上，能够沿轴向平移运动；调节支撑座内安装移动夹爪，夹爪夹持工件；调节支撑座与移动基座之间通过至少四个导向键导向移动，导向键起到限位导向的作用，分别限定垂直于轴向的两个维度平移；移动基座上设置至少三个同轴度调节装置，各个同轴度调节装置伸缩配合，使调节支撑座在垂直于主轴轴线平面的两个维度上移动，使摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线相互对正，当工件的轴线之间出现偏差时，不需要重新夹装，调节支撑座相对于移动基座调节两个维度的移动即可纠偏，实现快速精准地调节平移工件的同轴度。

Description

航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具及惯性摩擦焊机

技术领域

本发明涉及摩擦焊技术领域，更进一步涉及航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具。此外，本发明还涉及一种惯性摩擦焊机。

背景技术

摩擦焊接是指利用热塑性材料之间相互摩擦所生成的摩擦热实现焊接的方法，摩擦焊接时，待焊接的工件产生相对运动，同时施加适当的轴向压力(摩擦压力)进行摩擦而产生的热量，使工件接触面附近产生高温塑性区，当其温度达到焊接温度时，使工件间的相对运动迅速停止，同时将轴向压力加大到顶锻压力，适当保压一段时间，即可使被焊工件牢固地接为一体。

现有的重型惯性摩擦焊机主要由主电机、超越离合器、主轴组件、惯性轮组件、旋转夹具、移动夹具等部件组成。主电机通过超越离合器驱动主轴，主轴前端安装旋转夹具，旋转夹具夹持被焊工件随主轴进行一块旋转，主电机和主轴的离合由超越离合器来实现。

如图1所示，为摩擦焊接的原理示意图，旋转夹具01和移动夹具02分别夹持待焊接的两个工件，旋转夹具带动其中左侧工件随主轴一起转动；移动滑台在主油缸的推动下使移动夹具轴向平移，摩擦与顶锻过程的轴向力来自主油缸的推力。

随着摩擦焊机向航空领域的扩展，焊件直径与焊接面积不断加大，焊件直径已达1000mm，顶锻力突破10000KN，机床总重达到650吨。汽车、工程机械等其他领域的焊件同轴度要求可以达到几毫米，而航空发动机压气机组件、涡轮轴组件、风扇轴组件等焊接时同轴度要求不大于0.15mm，组成焊机的各部件零件尺寸公差、形位公差等要求较高，零件异形且尺寸较大，零件加工属极端制造。目前装夹时无法调节工件的同轴度，需要反复装夹找准，操作过程繁琐。

对于本领域的技术人员来说，如何快速精准地调节摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线同轴度，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，能够使工件在垂直于主轴轴线的二维方向上移动，调节平移工件的同轴度，具体方案如下：

一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，包括移动基座和调节支撑座，所述移动基座安装在滑台上，能够沿轴向平移运动；所述调节支撑座内安装移动夹爪；

所述调节支撑座与所述移动基座之间通过至少四个导向键导向移动，所述导向键分别限定垂直于轴向的两个维度平移；

所述移动基座上设置至少三个同轴度调节装置，各个所述同轴度调节装置伸缩配合，使所述调节支撑座在垂直于主轴轴线平面的两个维度上移动。

可选地，所述同轴度调节装置包括固定在所述移动基座上的同轴度调节安装座，所述同轴度调节安装座上分别安装平移推杆、第一调节楔块、第一滚珠丝杠和第一驱动器，所述第一驱动器带动所述第一滚珠丝杠旋转，所述第一滚珠丝杠螺纹驱动所述第一调节楔块移动，所述第一调节楔块与所述平移推杆通过斜面传动，所述平移推杆的外伸端接触驱动所述调节支撑座。

可选地，所述移动基座上设置弹性支撑件，所述弹性支撑件对所述调节支撑座的底部施加向上的承托力。

可选地，多个所述弹性支撑件呈纵横阵列排布。

可选地，所述弹性支撑件包括弹簧支座、弹簧和浮动滑块，所述弹簧支座固定安装在所述移动基座上，所述弹簧和所述浮动滑块安装在所述弹簧支座之内，所述弹簧对所述浮动滑块施加向上的弹力。

可选地，所述浮动滑块的上表面设置滚柱。

可选地，所述弹簧支座内设置预紧力调节块，所述预紧力调节块对所述弹簧的底端提供支撑，用于改变所述弹簧的预紧力。

可选地，还包括设置在所述调节支撑座之内的回转体，所述移动夹爪安装在所述回转体之内；

所述回转体和所述调节支撑座通过周向布置的可回转键连接，所述回转体和所述调节支撑座能够相对转动，并通过所述可回转键传递周向扭矩；

所述调节支撑座上沿周向设置至少三个平行度调节装置，多个所述平行度调节装置伸缩配合调节所述回转体的平行度。

可选地，所述平行度调节装置包括固定在所述移动基座或者所述调节支撑座上的平行度调节安装座，所述平行度调节安装座上安装球头推杆、第二调节楔块、第二滚珠丝杠和第二驱动器，球座固定在所述回转体上；

所述第二驱动器带动所述第二滚珠丝杠旋转，所述第二滚珠丝杠螺纹驱动所述第二调节楔块移动；所述第二调节楔块和所述球头推杆斜面传动，所述球头推杆外伸端的球头伸入所述球座内。

可选地，所述回转体包括球面段和柱面段，球面段的外表面设置圆弧槽，固定在所述调节支撑座上的所述可回转键卡入所述圆弧槽内。

本发明还提供一种惯性摩擦焊机，包括上述任一项所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具。

本发明提供一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，移动基座安装在滑台上，能够沿轴向平移运动；调节支撑座内安装移动夹爪，夹爪夹持工件；调节支撑座与移动基座之间通过至少四个导向键导向移动，导向键起到限位导向的作用，分别限定垂直于轴向的两个维度平移；移动基座上设置至少三个同轴度调节装置，各个同轴度调节装置伸缩配合，使调节支撑座在垂直于主轴轴线平面的两个维度上移动，使摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线相互对正，当工件的轴线之间出现偏差时，不需要重新夹装，调节支撑座相对于移动基座调节两个维度的移动即可纠偏，实现快速精准地调节平移工件的同轴度。在进一步的结构中，本发明还可以调节平行度，能够实现同轴度调节和平行度调节双重调节。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为摩擦焊接的原理示意图；

图2为本发明提供的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具的正视方向剖面图；

图3A为图2中a-a方向的剖面图；

图3B为图2中b-b方向的剖面图；

图3C为图3B中平行度调节装置处的局部放大图；

图4为弹性支撑件的剖面示意图；

图5为调节支撑座和回转体相互装配的剖面示意图；

图6A为同轴度调节装置在垂直方向移动分量的示意图；

图6B为同轴度调节装置在水平方向移动分量的示意图；

图7A和图7B分别表示上方顶角的平行度调节装置向上偏摆和向下偏摆的示意图；

图8A和图8B分别表示下方底角处的平行度调节装置向上偏摆的正视和侧视示意图；

图9A和图9B分别表示下方底角处的平行度调节装置向下偏摆的正视和侧视示意图；

图10为本发明提供的惯性摩擦焊机的整体结构示意图。

图中包括：

移动基座1、弹性支撑件11、弹簧支座111、弹簧112、浮动滑块113、预紧力调节块114、调节支撑座2、移动夹爪3、导向键4、同轴度调节装置5、同轴度调节安装座51、平移推杆52、第一调节楔块53、第一滚珠丝杠54、第一驱动器55、回转体6、圆弧槽61、可回转键7、平行度调节装置8、平行度调节安装座81、球头推杆82、第二调节楔块83、第二滚珠丝杠84、第二驱动器85、球座86。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，能够使工件在垂直于主轴轴线的二维方向上移动，调节摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线同轴度。在更进一步的方案中，本发明还能够使工件任意方向转动，调节与移夹端工件轴线滑台导轨面的平行度。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具及惯性摩擦焊机进行详细的介绍说明。

图2为本发明提供的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具的正视方向剖面图；图3A为图2中a-a方向的剖面图，图3B为图2中b-b方向的剖面图，图3C为图3B中平行度调节装置8处的局部放大图；本发明的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具可以平移，其上夹持移夹端工件，包括移动基座1、调节支撑座2、移动夹爪3、导向键4、同轴度调节装置5等结构，其中移动基座1安装在滑台上，能够沿轴向平移运动，图2中的A表示滑台，能够沿图中的双向箭头的方向左右平移；调节支撑座2内安装移动夹爪3，移动夹爪3用于夹装工件；工件被夹装后，移动基座1、调节支撑座2、移动夹爪3连同工件同步沿轴向平移。

调节支撑座2与移动基座1之间通过至少四个导向键4导向移动，导向键4划分为两组，每一组分别导向一个维度的移动，导向键4分别限定垂直于轴向的两个维度平移，也即调节支撑座2相对于移动基座1调节的两个维度分别垂直于移动基座1随滑台平移的维度，也即图3A中的X轴和Z轴方向。

移动基座1上设置至少三个同轴度调节装置5，各个同轴度调节装置5沿周向布置，各个同轴度调节装置5伸缩配合，使调节支撑座2在垂直于主轴轴线平面的两个维度上移动，这里所指的主轴轴线为移动基座1的平移方向，也即图2中Y轴方向。同轴度调节装置5的伸缩方向与主轴轴线方向垂直，各个同轴度调节装置5的伸缩端接触调节支撑座2，调节支撑座2在各个同轴度调节装置5的配合带动下实现调节。

同轴度调节装置5与导向键4处于同一轴向位置处，也即在Y轴方向的坐标一致；同轴度调节装置5产生作用力的合力与导向键4的支撑点所在的平面共面，可以避免产生力矩使调节支撑座2转动。

本发明的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具可带动工件平稳运动，当工件被夹装后，若工件的中心线之间出现偏差错位，也即不共线时，由同轴度调节装置5对调节支撑座2从周向上施加作用力，调节支撑座2受导向键4的限位，在两个维度上移动调节位置，可以使两个工件的中心线对正共线，摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线相互对正，达到调节同轴度的目的；调节过程不需要重新夹装工件，调节支撑座2相对于移动基座调节两个维度的移动即可纠偏，实现快速精准地调节平移工件的同轴度。

在上述方案的基础上，本发明的同轴度调节装置5包括同轴度调节安装座51、平移推杆52、第一调节楔块53、第一滚珠丝杠54和第一驱动器55，同轴度调节安装座51固定在移动基座1上，用于安装其他几个部件。同轴度调节安装座51上分别安装平移推杆52、第一调节楔块53、第一滚珠丝杠54和第一驱动器55；平移推杆52和第一调节楔块53分别滑动安装在同轴度调节安装座51上，两者的滑移方向相互垂直；第一调节楔块53与平移推杆52两者之间相互接触，接触位置分别设置斜面，通过两个斜面的相互配合接触改变作用力的传递方向，使第一调节楔块53与平移推杆52分别沿不同的方向平移。

平移推杆52的一端伸到同轴度调节安装座51之外，起到推动的作用。第一驱动器55包括电机和减速机。第一滚珠丝杠54的长度方向与第一调节楔块53的运动方向平行；第一调节楔块53上设有内螺纹，与第一滚珠丝杠54上的外螺纹相互螺纹配合连接。

工作时，第一驱动器55带动第一滚珠丝杠54旋转，第一滚珠丝杠54螺纹驱动第一调节楔块53移动，第一调节楔块53与平移推杆52通过斜面传动，平移推杆52的外伸端接触驱动调节支撑座2，驱动调节支撑座2受到不同平移推杆52推力产生的合力发生位移。

优选地，本发明在移动基座1上设置弹性支撑件11，结合图2和图3A所示，弹性支撑件11安装在移动基座1底板的上表面，位于移动基座1和调节支撑座2之间。

弹性支撑件11对调节支撑座2的底部施加向上的承托力，以抵抗调节支撑座2自身的重力，降低同轴度调节装置5驱动时所需的作用力。

具体地，本发明的多个弹性支撑件11呈纵横阵列排布，通过阵列排布的多个弹性支撑件11提供向上的弹力，对调节支撑座2提供稳定的支撑力。结合图2和图3A所示，共设置三排四列共十二个弹性支撑件11。

具体地，结合图4所示，为弹性支撑件11的剖面示意图；弹性支撑件11包括弹簧支座111、弹簧112和浮动滑块113，弹簧支座111固定安装在移动基座1上，为外壳结构；弹簧112和浮动滑块113安装在弹簧支座111之内，浮动滑块113可相对于弹簧支座111上下平移，弹簧112对浮动滑块113施加向上的弹力，浮动滑块113的顶端对调节支撑座2提供支撑力。

优选地，本发明在浮动滑块113的上表面设置滚柱，滚柱为圆柱形，安装在浮动滑块113上表面的滚道内，滚柱接触调节支撑座2的底面，降低横向移动时的接触摩擦力，调节支撑座2更易被推动。

弹簧支座111内设置预紧力调节块114，预紧力调节块114可以通过螺纹连接等形式安装在弹簧支座111内，预紧力调节块114对弹簧112的底端提供支撑，预紧力调节块114的顶端位置可变，用于改变弹簧112的预紧力。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明还包括设置在调节支撑座2之内的回转体6，结合图5所示，为调节支撑座2和回转体6相互装配的剖面示意图；移动夹爪3安装在回转体6之内，移动夹爪3和回转体6保持同步运动。

回转体6和调节支撑座2通过可回转键7连接，多个可回转键7以回转体6的中心线沿周向布置，回转体6和调节支撑座2通过回转键7能够相对转动，并通过可回转键7传递周向扭矩，也即回转体6无法相对于调节支撑座2围绕工件的中心线沿周向回转，回转键7的导向方向为弧线，各个回转键7的导向方向以工件的中心线呈中心对称分布。

调节支撑座2上沿周向设置至少三个平行度调节装置8，多个平行度调节装置8伸缩配合调节回转体6的平行度；多个平行度调节装置8沿周向分布，大致位于同一截面内，各平行度调节装置8在主轴轴线方向的位置相同；各个回转键7在主轴轴线方向的位置相同；平行度调节装置8和回转键7在主轴轴线方向的位置错开，平行度调节装置8和回转键7共同对回转体6提供支撑，当平行度调节装置8施加作用力时对回转体6产生力矩，使回转体6发生转动，工件随回转体6同步转动，可以调节工件的轴线朝向，使工件中心线的朝向与移动基座1的平移方向平行。

本发明的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具可以分别实现摩擦焊机移夹端工件轴线与主轴轴线同轴度以及移夹端工件轴线与滑台导轨面的平行度两个维度的调整。操作时，先调节平行度，再调节同轴度。

如图6A和图6B所示，图中共设置三个同轴度调节装置5，三个同轴度调节装置5分别处于等边三角形的三个顶角处，结合图6A所示，为同轴度调节装置5在垂直方向移动分量的示意图；图6B为同轴度调节装置5在水平方向移动分量的示意图；按照以下公式调节同轴度调节装置5的伸缩长度：

位于侧方的两个同轴度调节装置5各自在竖直方向上的移动距

离：h＝w*cos(60)

位于侧方的两个同轴度调节装置5各自在水平方向上的移动距

离：h＝w*sin(60)

h:同轴度调节装置在竖直方向或者水平方向的移动距离分量；

w:移动部件夹具轴线与旋转夹具轴线偏心距。

本发明优选地均匀设置三个平行度调节装置8，三个平行度调节装置8位于等边三角形的三个顶点，三个平行度调节装置8关于竖直面对称布置。

图7A和图7B分别表示上方顶角的平行度调节装置8向上偏摆和向下偏摆的示意图；

向上偏摆时：h＝a*tan(θ)+b/cos(θ)-b

向下偏摆时：h＝b-〖b/cos(θ)-a*tan(θ)〗

图8A和图8B分别表示下方底角处的平行度调节装置8向上偏摆的正视和侧视示意图；图9A和图9B分别表示下方底角处的平行度调节装置8向下偏摆的正视和侧视示意图。

向上偏摆时：

h＝a*tan(θ)+b/cos(θ)-b

c＝h*cos(60)

向下偏摆时：

h＝b-〖b/cos(θ)-a*tan(θ)〗

c＝h*cos(60)

h:球头推杆竖直方向的移动距离分量；

a:球头推杆轴线与回转体球心距离；

b:球头的球心到回转体轴线距离；

c:下方底角处两个平行度调节装置的实际伸缩距离；

θ:移动夹爪轴线与主轴轴线偏摆角。

平行度调节装置8的结构类似于同轴度调节装置5，但并不完全相同；平行度调节装置8包括固定在移动基座1或者固定在调节支撑座2上的平行度调节安装座81，图3A中的平行度调节安装座81固定在移动基座1上，其中的球头推杆82穿过调节支撑座2上的贯通孔，球头推杆82末端的球头伸入球座86中；图5所示的结构中，平行度调节安装座81固定在调节支撑座2上。

平行度调节安装座81上安装球头推杆82、第二调节楔块83、第二滚珠丝杠84和第二驱动器85，球座86固定在回转体6上。平行度调节装置8和同轴度调节装置5的区别主要在于球头推杆82和球座86。

工作时，第二驱动器85带动第二滚珠丝杠84旋转，第二滚珠丝杠84螺纹驱动第二调节楔块83移动；第二调节楔块83和球头推杆82斜面传动，通过两个斜面的相互配合改变作用力的传递方向；球头推杆82的外伸端设置球面，球座86设有球槽，球头推杆82外伸端的球头伸入球座86内，球头推杆82和球座86相互配合形成球铰；由于回转体6需要转动，采用球铰配合的方式能够更好地实现随动。

结合图5所示，回转体6包括球面段和柱面段，球面段的外表面为球形面，柱面段的外表面为柱面，球面段的外表面设置圆弧槽61，各个圆弧槽61以回转体6的中心线呈中心对称分布；固定在调节支撑座2上的可回转键7卡入圆弧槽61内，与可回转键7可相对于圆弧槽61沿弧线往复移动。

本发明还提供一种惯性摩擦焊机，其中包括上述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，该惯性摩擦焊机能够实现相同的技术效果。图10为本发明提供的惯性摩擦焊机的整体结构示意图。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，包括移动基座(1)和调节支撑座(2)，所述移动基座(1)安装在滑台上，能够沿轴向平移运动；所述调节支撑座(2)内安装移动夹爪(3)；

所述调节支撑座(2)与所述移动基座(1)之间通过至少四个导向键(4)导向移动，所述导向键(4)分别限定垂直于轴向的两个维度平移；

所述移动基座(1)上设置至少三个同轴度调节装置(5)，各个所述同轴度调节装置(5)伸缩配合，使所述调节支撑座(2)在垂直于主轴轴线平面的两个维度上移动。

2.根据权利要求1所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述同轴度调节装置(5)包括固定在所述移动基座(1)上的同轴度调节安装座(51)，所述同轴度调节安装座(51)上分别安装平移推杆(52)、第一调节楔块(53)、第一滚珠丝杠(54)和第一驱动器(55)，所述第一驱动器(55)带动所述第一滚珠丝杠(54)旋转，所述第一滚珠丝杠(54)螺纹驱动所述第一调节楔块(53)移动，所述第一调节楔块(53)与所述平移推杆(52)通过斜面传动，所述平移推杆(52)的外伸端接触驱动所述调节支撑座(2)。

3.根据权利要求1所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述移动基座(1)上设置弹性支撑件(11)，所述弹性支撑件(11)对所述调节支撑座(2)的底部施加向上的承托力。

4.根据权利要求3所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，多个所述弹性支撑件(11)呈纵横阵列排布。

5.根据权利要求4所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述弹性支撑件(11)包括弹簧支座(111)、弹簧(112)和浮动滑块(113)，所述弹簧支座(111)固定安装在所述移动基座(1)上，所述弹簧(112)和所述浮动滑块(113)安装在所述弹簧支座(111)之内，所述弹簧(112)对所述浮动滑块(113)施加向上的弹力。

6.根据权利要求5所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述浮动滑块(113)的上表面设置滚柱。

7.根据权利要求5所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述弹簧支座(111)内设置预紧力调节块(114)，所述预紧力调节块(114)对所述弹簧(112)的底端提供支撑，用于改变所述弹簧(112)的预紧力。

8.根据权利要求1至7任一项所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，还包括设置在所述调节支撑座(2)之内的回转体(6)，所述移动夹爪(3)安装在所述回转体(6)之内；

所述回转体(6)和所述调节支撑座(2)通过周向布置的可回转键(7)连接，所述回转体(6)和所述调节支撑座(2)能够相对转动，并通过所述可回转键(7)传递周向扭矩；

所述调节支撑座(2)上沿周向设置至少三个平行度调节装置(8)，多个所述平行度调节装置(8)伸缩配合调节所述回转体(6)的平行度。

9.根据权利要求8所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述平行度调节装置(8)包括固定在所述移动基座(1)或者所述调节支撑座(2)上的平行度调节安装座(81)，所述平行度调节安装座(81)上安装球头推杆(82)、第二调节楔块(83)、第二滚珠丝杠(84)和第二驱动器(85)，球座(86)固定在所述回转体(6)上；

所述第二驱动器(85)带动所述第二滚珠丝杠(84)旋转，所述第二滚珠丝杠(84)螺纹驱动所述第二调节楔块(83)移动；所述第二调节楔块(83)和所述球头推杆(82)斜面传动，所述球头推杆(82)外伸端的球头伸入所述球座(86)内。

10.根据权利要求8所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具，其特征在于，所述回转体(6)包括球面段和柱面段，球面段的外表面设置圆弧槽(61)，固定在所述调节支撑座(2)上的所述可回转键(7)卡入所述圆弧槽(61)内。

11.一种惯性摩擦焊机，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的航空发动机典型零件焊接的可调移动夹具。

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