CN105171158B - 一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，主要包括如下方法步骤：(1)选择加工方式；(2)设计制造加工电极；(3)设计制造夹具；(4)圆柱形微孔加工；(5)零件装夹：(6)装夹电极及找正；(7)锥形气膜孔加工；(8)修整锥形电极。采用本发明所述的加工工艺，降低了锥形气膜孔的加工难度，从而解决了高压涡轮导向叶片叶身、安装版锥形气膜孔的加工技术难题，有效保证叶片加工生产的进行，大大提高了生产效率，保证产品按期交付，同时提高成品合格率；填补了我国航空涡轮叶片微孔加工行业该项技术的空白。

Description

一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺
技术领域
本发明涉及一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，属于精密加工技术领域。
背景技术
某型发动机高压涡轮导向叶片有两联体和三联体两种结构，均由大安装板、叶身、小安装板组成。该叶片属熔模精密铸造等轴晶复杂气冷空心叶片，三联高压涡轮导向叶片的叶身和安装板上均加工有若干个气膜孔，其中气膜孔需要加工成锥形气膜孔和圆柱形气膜孔，且加工精度较高，其中叶身上气膜孔的孔径为安装板上气膜孔的孔径为
按照设计图要求在高压涡轮导向叶片叶身盆向、背向和大、小安装板流道面加工锥形气膜孔，如图1至图3所示，此气膜孔的加工程序为：先加工出圆柱形微孔19，然后将圆柱形微孔19的叶身流道面20一侧加工成锥形气膜孔21，其中锥形气膜孔21的锥度为20°。
该叶片在生产过程中，由于加工锥形气膜孔的难度特别大，且没有可借鉴的相关经验，导致叶片加工无法进行，生产停滞，不能保证产品按期交付，同时难以保证产品的加工质量，成品合格率较低，给公司造成了巨大的经济损失。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺。从而解决了高压涡轮导向叶片叶身、安装板锥形气膜孔的加工技术瓶颈,提高加工效率，确保叶片按时交付。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，主要包括如下方法步骤：
(1)选择加工方式：选取电脉冲加工锥形气膜孔；
(2)设计制造加工电极：所述加工电极采用锥形电极，所述锥形电极包括夹持段和工作段，所述工作段由圆锥段和圆柱段组成，其中圆锥段的锥度为20°；
(3)设计制造夹具：根据设备、叶片特点及锥形微孔的要求，设计并制造出满足孔位及角度气膜孔加工需求的夹具，该夹具包括底板及安装在底板上的六点定位机构、下压紧机构和上压紧机构；
(4)圆柱形微孔加工:
通过零件三维造型用三坐标测量机床确定首孔和末孔的孔位置，再用多轴电火花机床将电极调整到相应的孔的角度，编制程序，加工直径为0.8mm和0.55mm的圆柱形微孔；
(5)零件装夹：
用步骤(3)中夹具的六点定位系统将零件定位在夹具上，在用上压紧系统和下压紧系统把零件压紧固定在夹具上，并用0.02mm的塞尺检查六个点定位点是否紧密贴合；
(6)装夹电极及找正：
将步骤(2)中的锥形电极装夹在电极夹头上通过螺钉锁紧，再把电极夹头装夹在电脉冲机床上，用百分表装在万用表架上，表架吸附在机床上，打表检测电极由上到下的垂直度，通过调整机床上的电极旋扭调节系统来调节电极的3个旋转自由度；
(7)锥形气膜孔加工:
以步骤(4)中加工完成的圆柱形微孔确定首孔和末孔的位置，通过均分法编制加工程序，用装夹好的锥形电极加工锥形气膜孔；
(8)修整锥形电极:
将加工后损耗的电极装夹在数控车床的夹头上，编辑程序，用专用车刀车加工20°的锥面。
所述六点定位机构分别由两个球头定位销、两个定位销及两个长柱定位销安装在底板上组成。
所述下压紧机构包括下双头螺钉、下紧定螺钉、下弹簧、下套筒、下压板及下蝶形螺母，所述下紧定螺钉通过下双头螺钉固定在底板上，所述下弹簧、下套筒及下压板分别套装在下紧定螺钉上，所述下蝶形螺母与下紧定螺钉通过螺纹连接。
所述上压紧机构包括上双头螺钉、上紧定螺钉、上弹簧、上压板、上套筒及上蝶形螺母，所述上紧定螺钉通过上双头螺钉固定在底板上，所述上弹簧、上压板及上套筒分别套装在上紧定螺钉上，所述上蝶形螺母与上紧定螺钉通过螺纹连接。
所述步骤(2)中锥形电极的制造方法步骤如下：
a、下料：选取铜钨合金或紫铜棒料作为电极的材料进行加工，其下料尺寸为Φ10×100；
b、钻顶尖孔：把棒料装夹在数控车床的夹头上，装上钻头，在棒料的两端钻顶尖孔；
c、车圆柱：移动顶锥，使其对准步骤b中钻好的顶尖孔并夹紧，装夹车刀，车加工圆锥段的圆柱面；
d、车圆锥：换专用车刀，移除顶锥，编辑程序车加工20°的锥面，必须要保证锥面粗糙度3.2。
本发明的有益效果是：
采用本发明所述的加工工艺，降低了锥形气膜孔的加工难度，从而解决了高压涡轮导向叶片叶身、安装版锥形气膜孔的加工技术难题,有效保证叶片加工生产的进行，大大提高了生产效率，保证产品按期交付，同时提高成品合格率；填补了我国航空涡轮叶片微孔加工行业该项技术的空白。
附图说明
图1为本发明中叶片轮廓示意图；
图2为图1中A处气膜孔放大示意图；
图3为图1中B处气膜孔放大示意图；
图4为本发明中锥形电极的结构示意图；
图5为本发明中夹具的结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明中锥形气膜孔的加工示意图；
图8为锥形气膜孔加工的局部放大示意图；
图9为采用本发明所述方法加工出的锥形气膜孔外观效果图。
图中：1-底板，2-球头定位销，3-定位销，4-下套筒，5.下压板，6-上压板，7-上套筒，8-长柱定位销，9-下紧定螺钉，10-下双头螺钉，11-下弹簧，12-下蝶形螺母，13-上双头螺钉，14-上弹簧，15-上紧定螺钉，16-上蝶形螺母，17-工作段，18-夹持段，19-圆柱形微孔，20-叶身流道面，21-锥形气膜孔，171-圆锥段，172-圆柱段。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，主要包括如下方法步骤：
(1)选择加工方式：根据各种加工方式的特点及叶片的外形结构，通过分析及现场多次试加工验证，排除磨削加工、电火花加工及钻削加工方式，选取电脉冲加工锥形气膜孔。
(2)设计制造加工电极：根据电脉冲设备及叶片的外形结构特点，设计的锥形电极不仅要保证锥形孔的尺寸及要求，还要避免电极与叶片干涉；通过现场多次试加工的表现及数据，不断更换材料、改进锥形电极的外形和尺寸，经过多次实验，最终确定了铜钨合金材料，并将其加工成所需的锥形电极；如图4所示，该锥形电极包括夹持段18和工作段17，所述工作段17由圆锥段171和圆柱段172组成，其中圆锥段171的锥度为20°。此电极的制作难度很大，使用标准极高，既要保证微孔加工尺寸的精度、表面粗糙度，还要保证加工效率；同时电极的消耗速度要慢，可重复使用，并且返修率低。考虑以上因素，该锥形电极的制造方法步骤如下：
a、下料：选取铜钨合金或紫铜棒料作为电极的材料进行加工，其下料尺寸为Φ10×100；
b、钻顶尖孔：把棒料装夹在数控车床的夹头上，装上钻头，在棒料的两端钻顶尖孔；
c、车圆柱：移动顶锥，使其对准步骤b中钻好的顶尖孔并夹紧，装夹车刀，车加工圆锥段171的圆柱面；
d、车圆锥：换90度硬质合金偏刀，移除顶锥，编辑程序车加工20°的锥面，必须要保证锥面粗糙度3.2。
(3)设计制造夹具：根据设备、叶片特点及锥形微孔的要求，设计并制造的夹具应满足孔位及角度气膜孔的加工需求。
如图5、图6所示，所述夹具包括底板1及安装在底板1上的六点定位机构、下压紧机构和上压紧机构，所述六点定位机构分别由两个球头定位销2、两个定位销3及两个长柱定位销8安装在底板1上组成；所述下压紧机构包括下双头螺钉10、下紧定螺钉9、下弹簧11、下套筒4、下压板5及下蝶形螺母12，所述下紧定螺钉9通过下双头螺钉10固定在底板1上，所述下弹簧11、下套筒4及下压板5分别套装在下紧定螺钉9上，所述下蝶形螺母12与下紧定螺钉9通过螺纹连接；所述上压紧机构包括上双头螺钉13、上紧定螺钉15、上弹簧11、上压板6、上套筒7及上蝶形螺母16，所述上紧定螺钉15通过上双头螺钉13固定在底板1上，所述上弹簧14、上压板6及上套筒7分别套装在上紧定螺钉15上，所述上蝶形螺母16与上紧定螺钉15通过螺纹连接；所述六点定位系统、上压紧系统及下压紧系统组成了完整的夹具。
(4)圆柱形微孔加工:
通过零件三维造型用三坐标测量机床确定首孔和末孔的孔位置，再用多轴电火花机床将电极调整到相应的孔的角度，编制程序，加工直径为0.8mm和0.55mm的圆柱形微孔；
(5)零件装夹：
如图7所示，用夹具的六点定位系统将零件定位在夹具上，在用上压紧系统和下压紧系统把零件压紧固定在夹具上，用0.02mm的塞尺检查六个点定位点是否紧密贴合，如有间隙则需重新定位装夹；
(6)装夹电极及找正：
如图7、图8所示，将锥形电极装夹在电极夹头上通过螺钉锁紧，再把电极夹头装夹在电脉冲机床上，用百分表装在万用表架上，表架吸附在机床上，打表检测电极由上到下的垂直度，通过调整机床上的电极旋扭调节系统来调节电极的3个旋转自由度，要求由上到下电极长度范围内百分表读数不得超过0.05mm；
(7)锥形气膜孔加工:
以上述步骤(4)中加工完成的圆柱形微孔确定首孔和末孔的位置，通过均分法编制加工程序，用装夹好的锥形电极加工锥形气膜孔；通过实验收集数据，进行统计分析，不断优化参数，摸索出最佳电脉冲加工参数。
主要参数如下：
管数：6～10；
脉宽(μs)：15～20；
停歇(μs)：10～20；
伺服(％)：50～60；
加工深度：4.2～4.8mm；在实际加工中优先微调至4.5mm。
(8)修整锥形电极:
将加工后损耗的电极装夹在数控车床的夹头上，编辑程序，用90度硬质合金偏刀车加工20°的锥面，要保证锥面粗糙度3.2。将电极修整成满足设计图纸要求的尺寸，使电极可以重复使用，大大降低成本。
根据各种设备加工气膜孔的特点及叶片的外形结构，选取电脉冲加工锥形气膜孔。设备选定后，设计并制造锥形电极及夹具。加工时，先通过多轴电火花机床完成圆柱形微孔加工,然后将叶片定位装夹到夹具上,再把锥形电极装到电极夹头上后，不断调整锥形电极的位置，直到锥形电极的中心线与圆柱形微孔的中心线重合，即锥形气膜孔的位置找准后，开始加工锥形气膜孔。锥形气膜孔加工过程如图7、图8所示，锥形气膜孔外观如图9所示。锥形电极加工锥形气膜孔的过程中，锥形段不断放电被消耗，为了降低锥形电极的制造成本，可采用车削手段修整消耗的锥形段，直到锥形电极的长度尺寸不可修为止。
上述叶片在生产过程中，加工锥形气膜孔的难度特别大，且没有可借鉴的相关经验，因此在该项加工技术没有被摸索出前，无法加工出满足设计要求的锥形气膜孔，导致叶片加工无法进行，生产停滞，交付节点一拖再拖，给公司造成了巨大的经济损失；通过大量的论证分析和试验，摸索出本发明所述的锥形孔的加工工艺，从而解决了该高压涡轮导向叶片叶身、安装版锥形气膜孔的加工技术难题,确保叶片按时交付，为公司创造新的经济增长点，同时填补了我国航空涡轮叶片微孔加工行业该项技术的空白。

Claims (4)

1.一种涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，其特征在于：主要包括如下方法步骤：
(1)选择加工方式：选取电脉冲机床加工锥形气膜孔；
(2)设计制造加工电极：所述加工电极采用锥形电极，所述锥形电极包括夹持段(18)和工作段(17)，所述工作段(17)由圆锥段(171)和圆柱段(172)组成，其中圆锥段(171)的锥度为20°；
(3)设计制造夹具：根据设备、叶片特点及锥形微孔的要求，设计并制造出满足孔位及角度气膜孔加工需求的夹具，该夹具包括底板(1)及安装在底板(1)上的六点定位机构、下压紧机构和上压紧机构；
(4)圆柱形微孔加工:
通过零件三维造型用三坐标测量机床确定首孔和末孔的孔位置，再用五轴精密电火花机床将电极调整到相应的孔的角度，编制程序，加工直径为0.8mm和0.55mm的圆柱形微孔；
(5)零件装夹：
用步骤(3)中夹具的六点定位系统将零件定位在夹具上，在用上压紧系统和下压紧系统把零件压紧固定在夹具上，并用0.02mm的塞尺检查六个点定位点是否紧密贴合；
(6)装夹电极及找正：
将步骤(2)中的锥形电极装夹在电极夹头上通过螺钉锁紧，再把电极夹头装夹在电脉冲机床上，用百分表装在万用表架上，表架吸附在机床上，打表检测电极由上到下的垂直度，通过调整机床上的电极旋扭调节系统来调节电极的3个旋转自由度；
(7)锥形气膜孔加工:
以步骤(4)中加工完成的圆柱形微孔确定首孔和末孔的位置，通过均分法编制加工程序，用装夹好的锥形电极加工锥形气膜孔；
(8)修整锥形电极:
将加工后损耗的电极装夹在数控车床的夹头上，编辑程序，用专用车刀车加工20°的锥面；
所述步骤(2)中锥形电极的制造方法步骤如下：
a、下料：选取铜钨合金或紫铜棒料作为电极的材料进行加工，其下料尺寸为Φ10×100；
b、钻顶尖孔：把棒料装夹在数控车床的夹头上，装上钻头，在棒料的两端钻顶尖孔；
c、车圆柱：移动顶锥，使其对准步骤b中钻好的顶尖孔并夹紧，装夹车刀，车加工圆锥段(171)的圆柱面；
d、车圆锥：换专用车刀，移除顶锥，编辑程序车加工20°的锥面，必须要保证锥面粗糙度3.2。
2.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，其特征在于：所述六点定位机构分别由两个球头定位销(2)、两个定位销(3)及两个长柱定位销(8)安装在底板(1)上组成。
3.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，其特征在于：所述下压紧机构包括下双头螺钉(10)、下紧定螺钉(9)、下弹簧(11)、下套筒(4)、下压板(5)及下蝶形螺母(12)，所述下紧定螺钉(9)通过下双头螺钉(10)固定在底板(1)上，所述下弹簧(11)、下套筒(4)及下压板(5)分别套装在下紧定螺钉(9)上，所述下蝶形螺母(12)与下紧定螺钉(9)通过螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的涡轮导向叶片锥形气膜孔加工工艺，其特征在于：所述上压紧机构包括上双头螺钉(13)、上紧定螺钉(15)、上弹簧(11)、上压板(6)、上套筒(7)及上蝶形螺母(16)，所述上紧定螺钉(15)通过上双头螺钉(13)固定在底板(1)上，所述上弹簧(14)、上压板(6)及上套筒(7)分别套装在上紧定螺钉(15)上，所述上蝶形螺母(16)与上紧定螺钉(15)通过螺纹连接。
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