CN104907649A - 带热障涂层金属零件的磨料水射流-电火花复合制孔方法及装置 - Google Patents

带热障涂层金属零件的磨料水射流-电火花复合制孔方法及装置 Download PDF

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刘壮
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/14—Making holes

Abstract

本发明公开了一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法及装置，其方法是利用磨料水射流加工工件表面不导电的热障涂层孔型，待金属基体裸露之后，再利用电火花加工金属基体的孔型；其装置包括工作台、夹具、工具电极、进液接头、伺服进给装置、磨料工作液箱、电火花工作液箱、输液泵、电源、电磁阀、压力调节装置、输液管。本发明的方法可以确保工件及工具电极在一次装夹定位的情况下，依次加工热障涂层孔型与金属基体孔型，且加工出的热障涂层孔型与金属基体孔型的位置重合，加工质量易于保证；其装置可以确保在同一台加工设备上分别进行磨料水射流加工以及电火花小孔加工，保证了本发明的方法的实施。

Description

带热障涂层金属零件的磨料水射流-电火花复合制孔方法及装置
技术领域：
本发明涉及一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法及装置，其属于特种加工技术领域。
背景技术：
随着航空发动机推重比的不断提高，其燃气涡轮进口温度也不断提升，如美国第四代战斗机发动机的燃气涡轮进口温度已经达到了1700℃左右。目前，先进单晶镍基高温合金的使用极限温度为1150℃。显然，单独使用高温合金材料已不能满足先进航空发动机的需求。针对此问题，美国率先提出了热障涂层的概念，即将耐高温、高隔热的陶瓷材料涂覆在合金基体表面，以降低合金基体的工作温度，从而提高发动机的热效率。这一概念提出以后,立即引起了世界各国的高度关注，在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中，均把热障涂层技术列为高性能航空发动机的关键技术之一。
热障涂层一般通过等离子喷涂或物理气相沉积方法制备在金属零件表面，是一种不导电的陶瓷涂层，厚度约为0.1-0.2mm。热障涂层通常应用在航空发动机涡轮叶片、燃烧室壁、某些流道、喉管等处，上述金属零件往往设计有大量小孔结构，孔径一般在0.3～3.0mm。目前，在带热障涂层的金属零件上进行制孔已成为航空发动机制造企业面临的一个难题。
航空发动机制造企业通常采用电火花加工方法在金属零件上进行制孔。该方法采用中空的金属管作为工具电极，输液泵将电火花工作液通过中空的管状工具电极输送到加工位置。该方法具有加工成本低、精度好、效率高的优势。然而，由于热障涂层不导电，无法直接采用电火花加工带热障涂层金属零件上的微小孔。针对此类问题，目前采用的一种工艺为：在零件涂覆热障涂层之前，预先加工出孔型，然后再涂覆热障层，最后用微型钻头在相应孔位处去除热障涂层，其工序复杂、效率低、质量不易控制；另有一种加工工艺为：在叶片上先涂覆陶瓷热障涂层，然后采用激光在相应打孔位置上去除热障涂层，最后使用电火花加工技术进行打孔，工序也较为复杂、加工成本较高。磨料水射流加工是一种新兴的特种加工工艺，它利用水射流和磨粒动能的冲击作用来去除材料，其优势在于：不受被加工材料导电性能的影响、无热影响区、无热变形、绿色环保，对各类热敏、硬脆等难加工材料的加工具有独特优势。
在综合分析以上介绍的背景技术基础上，借鉴磨料水射流加工和电火花小孔加工的技术原理，创新提出带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，并发明设计了相应装置。其工作原理如下：将工件及中空的工具电极装夹定位之后，首先利用工具电极产生磨料水射流，利用磨料水射流的冲蚀作用去除工件表面不导电的热障涂层，待金属基体裸露后，无需改变工件装夹、无需更换工具电极，其次利用电火花加工方法完成金属基体的制孔。该加工方法工艺简单、安全环保，保证加工出的热障涂层孔型与金属基体孔型的位置重合，对解决航空航天领域广泛存在的尺寸在0.3-3.0mm之间的带热障涂层金属零件孔结构的高效精密加工具有重要意义。
发明内容：
本发明提供一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法及装置，能有效避免制孔过程中工件的二次装夹，提高加工效率，保障加工质量，同时提供了该方法专用的加工装置。
本发明采用如下技术方案：一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其包括如下步骤：
(1)关闭电源；
(2)工件的安装定位：将工件通过夹具安装定位在工作台上；
(3)工具电极的安装定位：将工具电极安装定位在进液接头上，通过伺服进给装置调整进液接头及工具电极的位置；
(4)利用磨料水射流加工热障涂层孔型，直至加工位置的金属基体裸露，形成热障涂层孔型；
(5)开启电源，利用电火花加工金属基体，直至金属基体孔型完成。
进一步地，所述步骤(4)中：电磁阀接通磨料工作液箱、断开电火花工作液箱，启动输液泵，磨料工作液通过进液接头进入中空的工具电极并输出成为磨料水射流，磨料水射流冲蚀工件表面的热障涂层，直至在热障涂层上形成孔型、金属基体裸露。
进一步地，所述步骤(5)中：通过伺服进给装置调整进液接头及工具电极的位置，保持输液泵的启动状态，电磁阀接通电火花工作液箱、断开磨料工作液箱，电火花工作液通过进液接头进入中空的工具电极并输出至工件表面，开启电源，进行电火花加工，伺服进给装置控制进液接头及工具电极的进给，直至完成金属基体孔型的加工。
进一步地，所述磨料水射流加工时所采用的工作液为含有Al2O3或者SiC磨料1-10g/L的自来水或者超纯水，所述磨料粒径为1-20μm。
进一步地，所述电火花加工时所采用的工作液为去离子水或者超纯水。
本发明还采用如下技术方案：一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置，其包括工作台、夹具、工具电极、进液接头、伺服进给装置、磨料工作液箱、电火花工作液箱、输液泵、电源、电磁阀、压力调节装置及输液管，所述工件通过夹具安装定位在工作台上，工具电极安装固定在进液接头上，进液接头布置在伺服进给装置上，电源的正、负极分别与工件、工具电极连接，所述电磁阀为二进一出三通电磁阀，其中一个进液口与磨料工作液箱连接，另一个进液口与电火花工作液箱连接，出液口与输液泵的进液口连接，输液泵的出液口与进液接头连接；所述电磁阀控制进入输液泵的工作液种类，在采用磨料水射流加工热障涂层孔型时，电磁阀接通磨料工作液箱、断开电火花工作液箱，输液泵输运磨料工作液进入进液接头，在采用电火花加工金属孔型时，电磁阀接通电火花工作液箱、断开磨料工作液箱，输液泵输运电火花工作液进入进液接头。
进一步地，所述工具电极为中空的金属管电极。
进一步地，所述电源为直流脉冲电源。
本发明具有如下有益效果：本发明合理利用电火花小孔加工方法中工具电极为中空金属管的特点，通过输液泵将磨料工作液从工具电极输出形成高压磨料水射流，利用磨料水射流的冲蚀作用加工工件表面不导电的热障涂层孔型，再采用电火花加工金属基体孔型，工件及工具电极只需一次装夹定位，加工出的热障涂层孔型与金属基体孔型的位置重合，工序简单，安全环保，加工质量易于保证。
附图说明：
图1为本发明带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置示意图。
其中：
1-工作台，2-夹具，3-工具电极，4-电源，5-进液接头，6-伺服进给装置，7-压力调节装置，8-电火花工作液箱，9-电磁阀，10-磨料工作液箱，11-输液泵，12-输液管，13-工件，131-工件表面热障涂层。
具体实施方式：
本发明带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法包括如下步骤：
(1)关闭电源4；
(2)工件13的安装定位：将工件13通过夹具2安装定位在工作台1上；
(3)工具电极3的安装定位：将工具电极3安装定位在进液接头5上，通过伺服进给装置6调整进液接头5及工具电极3的位置(工具电极3的端面距离工件13表面10-20mm)；
(4)利用磨料水射流加工热障涂层孔型：电磁阀9接通磨料工作液箱10、断开电火花工作液箱8，启动输液泵11，磨料工作液通过进液接头5进入中空的工具电极3并输出成为磨料水射流(压力调节范围：2-8MPa)，磨料水射流冲蚀工件13表面的热障涂层131，直至在热障涂层131上形成孔型、金属基体裸露；
(5)利用电火花加工金属基体孔型：通过伺服进给装置6调整进液接头5及工具电极3的位置(工具电极3的端面距离工件13表面0.05-0.2mm)，保持输液泵11的启动状态，电磁阀9接通电火花工作液箱8、断开磨料工作液箱10，电火花工作液通过进液接头5进入中空的工具电极3并输出至工件表面，开启电源4，进行电火花加工，伺服进给装置6控制进液接头5及工具电极3的进给，直至完成金属基体孔型的加工。
本发明带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法中磨料工作液为含有Al2O3或者SiC磨料1-10g/L的自来水或者超纯水，磨料的粒径为1μm-20μm。电源为直流脉冲电源。电火花工作液为去离子水或者超纯水。工具电极为中空的金属管。
本发明带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法中首先磨料工作液通过中空的工具电极输出成为高压磨料水射流，磨料水射流冲蚀工件，利用磨料冲蚀作用去除工件表面不导电的热障涂层，直至加工位置的金属基体裸露，形成热障涂层孔型；接着不改变工件和工具电极的装夹，电火花工作液通过中空的工具电极输出，开启电火花工作电源，采用电火花加工导电的金属基体孔型，工具电极进给，直至孔型完成。本发明通过合理利用电火花小孔加工方法中工具电极为中空金属管的特点，通过输液泵将磨料工作液从工具电极输出形成高压磨料水射流，利用磨料水射流的冲蚀作用加工工件表面不导电的热障涂层孔型，再采用电火花加工金属基体孔型，工件及工具电极只需一次装夹定位，加工出的热障涂层孔型与金属基体孔型的位置重合，工序简单，安全环保，加工质量易于保证。
请参照图1所示，本发明带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置包括工作台1、夹具2、工具电极3、进液接头5、伺服进给装置6、磨料工作液箱10、电火花工作液箱8、输液泵11、电源4、电磁阀9、压力调节装置7及输液管12。工件13通过夹具2安装定位在工作台1上，工具电极3安装固定在进液接头5上，进液接头5布置在伺服进给装置6上，电源4的正、负极分别与工件13、工具电极3连接。其中电磁阀9为二进一出三通电磁阀，其中一个进液口与磨料工作液箱10连接，另一个进液口与电火花工作液箱8连接，出液口与输液泵11的进液口连接，输液泵11的出液口与进液接头5连接。电磁阀9控制进入输液泵11的工作液种类：在采用磨料水射流加工热障涂层孔型时，电磁阀9接通磨料工作液箱10、断开电火花工作液箱8，在输液泵11的工作下，磨料工作液通过进液接头5进入工具电极3输出成为磨料水射流；在采用电火花加工金属孔型时，电磁阀9接通电火花工作液箱8、断开磨料工作液箱10，在输液泵11的工作下，电火花工作液通过进液接头5进入工具电极3输出成为电火花工作液射流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)关闭电源(4)；
(2)工件(13)的安装定位：将工件(13)通过夹具(2)安装定位在工作台(1)上；
(3)工具电极(3)的安装定位：将工具电极(3)安装定位在进液接头(5)上，通过伺服进给装置(6)调整进液接头(5)及工具电极(3)的位置；
(4)利用磨料水射流加工热障涂层孔型，直至加工位置的金属基体裸露，形成热障涂层孔型；
(5)开启电源(4)，利用电火花加工金属基体，直至金属基体孔型完成。
2.如权利要求1所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其特征在于：所述步骤(4)中：电磁阀(9)接通磨料工作液箱(10)、断开电火花工作液箱(8)，启动输液泵(11)，磨料工作液通过进液接头(5)进入中空的工具电极(3)并输出成为磨料水射流，磨料水射流冲蚀工件(13)表面的热障涂层(131)，直至在热障涂层(131)上形成孔型、金属基体裸露。
3.如权利要求2所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其特征在于：所述步骤(5)中：通过伺服进给装置(6)调整进液接头(5)及工具电极(3)的位置，保持输液泵(11)的启动状态，电磁阀(9)接通电火花工作液箱(8)、断开磨料工作液箱(10)，电火花工作液通过进液接头(5)进入中空的工具电极(3)并输出至工件表面，开启电源(4)，进行电火花加工，伺服进给装置(6)控制进液接头(5)及工具电极(3)的进给，直至完成金属基体孔型的加工。
4.如权利要求3所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其特征在于：所述磨料水射流加工时所采用的工作液为含有Al2O3或者SiC磨料1-10g/L的自来水或者超纯水，所述磨料粒径为1-20μm。
5.如权利要求4所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔方法，其特征在于：所述电火花加工时所采用的工作液为去离子水或者超纯水。
6.一种带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置，其特征在于：包括工作台(1)、夹具(2)、工具电极(3)、进液接头(5)、伺服进给装置(6)、磨料工作液箱(10)、电火花工作液箱(8)、输液泵(11)、电源(4)、电磁阀(9)、压力调节装置(7)及输液管(12)，所述工件(13)通过夹具(2)安装定位在工作台(1)上，工具电极(3)安装固定在进液接头(5)上，进液接头(5)布置在伺服进给装置(6)上，电源(4)的正、负极分别与工件(13)、工具电极(3)连接，所述电磁阀(9)为二进一出三通电磁阀，其中一个进液口与磨料工作液箱(10)连接，另一个进液口与电火花工作液箱(8)连接，出液口与输液泵(11)的进液口连接，输液泵(11)的出液口与进液接头(5)连接。
7.如权利要求6所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置，其特征在于：所述工具电极(3)为中空的金属管电极。
8.如权利要求7所述的带热障涂层金属零件的磨料水射流－电火花复合制孔装置，其特征在于：所述电源(4)为直流脉冲电源。
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