CN106735657A - 一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，解决了现有技术中没有一种有效的可以对双层涡轮叶片进行加工的加工工艺。一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，包括以下过程：（1）气膜孔入口加工；（2）气膜孔加工中；（3）气膜孔出口加工。通过以上技术，便可很好的解决现有技术中的问题。

Description

一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法

技术领域

本发明属于微小孔特种加工技术领域，具体涉及一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法。

背景技术

涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它承受着燃烧后的高温高压燃气冲击，其制造技术也被列为现代航空发动机的关键技术。

由于涡轮叶片材料可承受的温度是有限的，但是发动机性能很大程度取决于涡轮进口温度的高低。因此，这就需要采用有效的冷却方式来降低涡轮叶片的壁面温度。涡轮冷却主要依靠气膜冷却技术，气膜冷却技术是涡轮叶片具有代表性的重要结构改进之一，大大提高了发动机的性能同时也对气膜孔加工技术提出了更高的要求。传统的气膜孔加工技术主要有激光打孔、电火花高速打孔、电化学打孔等方式。

为了提高涡轮叶片的性能，除了在气膜冷却技术上进行研究以外，也对涡轮叶片的结构进行了改进；现在研制出最新型的涡轮叶片包括两层，如图3所示，分别是工作面和背墙，工作面是和现在常规的单层的涡轮叶片需要打出气膜孔的工作面一样，而背墙则是与涡轮叶片的工作面之间具备一定的缝隙，且设置在涡轮叶片内层。

而对于这种双层的新型涡轮叶片加工最重要的地方就是只能在工作面加工出气膜孔，而不能对背墙造成损伤，而现在市面上的电火花加工气膜孔的技术都是针对单层的涡轮叶片，因此，现有技术中没有一种有效的方式来解决只打穿工作面而不损伤背墙的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，具有能够在涡轮叶片的工作面打出气膜孔而不伤到背墙的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，包括以下加工过程：

（1）气膜孔入口加工：

根据预设的加工位置和加工角度，数控机床定位电极与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到预期设定的加工位置，加工气膜孔；

系统控制电极向下进给，当系统检测到入口加工信号时，系统将检测到的电极位置数据清零，系统采用入口加工参数进行气膜孔入口加工，直到系统检测到加工中信号；所述入口加工信号是指电极进给速度大幅降低和电极的极间电压大幅下降；所述入口加工参数包括入口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

（2）气膜孔加工中：

根据步骤（1），系统检测到加工中信号，系统将入口加工参数切换成加工中参数，电极继续进给，当系统检测到出口加工信号，执行下述步骤（3），当系统检测到第一穿透信号，执行下述步骤（4）；

所述加工中信号是指系统检测到电极极间电压、电极进给速度数据趋于稳定和入口加工深度达到系统预设值；加工中参数也包括加工中加工深度、角度、位置、放电电源参数；

出口加工信号是指电极进给速度低于最低阈值，第一穿透信号是指电极进给速度超过最高阈值，所述电极进给速度的最高阈值和最低阈值由加工中加工深度达到系统预设值后，系统自动生成；

（3）气膜孔出口加工：

根据步骤（2），系统检测到出口加工信号，系统将加工中参数切换成出口加工参数，电极继续进给，直到系统检测到第二穿透信号后，执行下述步骤（4）；所述出口加工参数包括出口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

所述第二穿透信号是指系统检测到出口加工深度达到系统预设值和电极进给速度超过最高阈值；

（4）系统控制电极停止进给，加工出气膜孔。

进一步地，在上述步骤（1）前还包括电极修整过程：

系统执行电极修整程序，电极向下进给修整电极，达到系统预设的电极修整深度后，系统切换至加工状态，进行加工过程；

进一步地，还包括去除重熔层过程：

根据上述步骤（4），电极停止进给，电极保持旋转，系统切换至电解加工参数，控制在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液，电解重熔层，当达到系统预设的电解时间，系统控制停止在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液并退回电极。

具体地，入口加工深度的系统预设值、出口加工深度的系统预设值、加工中加工深度的系统预设值皆由三维软件计算出后导入控制系统。

进一步地，在加工过程中，控制系统检测到电极进给速度依次出现快变慢后变快、变快后又变慢波动时，控制系统控制发出警报表示背墙受到电极破坏。

进一步地，在加工过程中，控制系统对加工气膜孔的时间进行储存记录，当控制系统检测到此次加工气膜孔时间与上个气膜孔加工时间差距系统预设时间差时，控制系统控制发出警报表示背墙有受到电极破坏的风险，系统预设时间差为人工设定。

进一步地，所述控制系统通过安装在数控机床上的气膜孔加工装置口控制向电极与气膜孔之间的间隙内喷入电解液，所述气膜孔加工装置包括本体和进液管，所述本体上设有用于安装电极的电极通道和用于工作液的工作液通道，工作液通道连通进液口和本体出口部，所述电极通道也连通本体出口部，所述本体出口部便于电极从本体中伸出和工作液从本体中喷出，所述本体出口部外部为锥形，所述本体出口部内设有供电极和工作液通过的竖直通道；所述进液管包括用于通入去离子水的去离子水管、用于通入电解液的电解液管和用于与本体进液口连通工作液管；所述去离子水管、电解液管皆与工作液管连通，所述去离子水管、电解液管上皆设有电磁阀，所述电磁阀皆由数控机床控制系统控制。

具体地，在加工过程中，控制系统控制启动去离子水电磁阀，去离子水经过工作液通道和气膜孔加工装置出口喷向工件表面后控制系统控制电极开始进给打出气膜孔。

具体地，在去重熔层过程中，控制系统控制关闭去离子水阀，启动电解液阀门，电解液经过工作液通道和气膜孔加工装置出口喷向电极与气膜孔之间的间隙，去除气膜孔内的重熔层。

更具体地，所述本体还包括电极入口，所述电极通道与电极入口连通，电极入口呈喇叭形，便于安装电极，所述电极通道顶部设有定位耐磨件，所述定位耐磨件内设有喇叭形通道，构成了上述电极入口，所述电极定位耐磨件的尺寸使得喇叭形通道的出口与电极之间的间隙不大于0.01mm，所述电极定位耐磨件为钨钢/陶瓷制成的电极定位耐磨件，所述电极通道的出口对应的电极通道壁为锥形。

本发明中，设计电极修整过程是由于电极加工完一个气膜孔后，电机端部会发生损耗成尖头，影响后续孔的加工精度以及加工效率和穿透信号准确性，因此对电极进行修整，使得加工效率高、效果好；现在市面上的电极修整方法，一般是是靠一个单独的电极对加工电极进行修整，这样修整出来的电极是一个单一的、固定的平面，而本发明使用的方法是采用零件待加工表面对电极进行修整，这样修整出的电极与零件的表面完全贴合，可以修整出不同角度的平面，可以更加稳定、快速的加工以及对背墙更好的保护。现在市面上没有任何技术采用这种方式对电极进行修整。

在本发明中，气膜孔加工过程中，气膜孔入口加工、气膜孔加工中和气膜孔出口加工的加工参数分别设置是因为气膜孔绝大多数都是斜面加工，为了达到更高的效率及可靠性，所以需要设置不同的加工参数。

在电火花加工气膜孔的过程中，气膜孔表面会形成重熔层，降低涡轮叶片的寿命，因此必须去除气膜孔的重熔层，在本发明中，可以在加工同时对重熔层去除，使得重熔层去除效果好。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明的气膜孔加工方法使得能够只在工作面打出气膜孔。

（2）本发明的气膜孔加工方法可以结合电火花和电化学的加工，去除加工气膜孔过程中产生的重熔层。

说明书附图

图1为气膜孔加工装置的结构示意图。

图2为第二构件的结构示意图。

图3为双层涡轮叶片的部分结构示意图。

其中，附图标记如下所示：1-本体，2-电极通道，21-电极通道的出口， 3-工作液通道，4-本体出口部，5-进液口，6-电极入口。

具体实施方式

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种航空发动机的气膜孔加工方法，包括以下过程：

（1）电极修整过程：

系统执行电极修整程序，电极向下进给修整电极，达到系统预设的电极修整深度后，系统切换至加工状态，进行加工过程。

（2）气膜孔加工过程：

（a1）气膜孔入口加工：

根据预设的加工位置和加工角度，数控机床定位电极与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到预期设定的加工位置，加工气膜孔；

系统控制电极向下进给，当系统检测到入口加工信号时，系统将检测到的电极位置数据清零，同时系统切换参数为入口加工参数并开启脉冲电源进行气膜孔入口加工，直到系统检测到加工中信号；所述入口加工信号是指电极进给速度大幅降低和电极极间电压大幅降低；所述入口加工参数包括入口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

（a2）气膜孔加工中：

根据步骤（a1），系统检测到加工中信号，系统将入口加工参数切换成加工中参数，电极继续进给，当系统检测到出口加工信号，执行下述步骤（a3），当系统检测到第一穿透信号，执行下述步骤（a4）；

所述加工中信号是指系统检测到电极极间电压、电极进给速度数据趋于稳定和入口加工深度达到系统预设值；加工中参数也包括加工中加工深度、角度、位置、放电电源参数；

出口加工信号是指电极进给速度低于最低阈值，第一穿透信号是指电极进给速度超过最高阈值，所述电极进给速度的最高阈值和最低阈值由加工中加工深度达到系统预设值后，系统自动生成；

（a3）气膜孔出口加工：

根据步骤（a2），系统检测到出口加工信号，系统将加工中参数切换成出口加工参数，电极继续进给，直到系统检测到第二穿透信号后，执行下述步骤（a4）；所述出口加工参数包括出口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

所述第二穿透信号是指系统检测到出口加工深度达到系统预设值和电极进给速度超过最高阈值；

（a4）系统控制电极停止进给，加工出气膜孔。

（3）去除重熔层过程：

根据上述步骤（a4），电极停止进给，电极保持旋转，系统切换至电解加工参数，控制在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液，电解重熔层，当达到系统预设的电解时间，系统控制停止在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液并退回电极。

值得特别强调的是，述控制系统通过安装在数控机床上的气膜孔加工装置口控制向电极与气膜孔之间的间隙内喷入电解液。

还值得说明的是，由于执行电极修正程序，因此，电极修整过程与气膜孔加工过程中电极之间的极间电压的正负方向是相反的，使得电极修整过程是对电极加工，气膜孔加工过程是对电极加工。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，进一步地，所述气膜孔加工装置包括本体1和进液管，所述本体上设有进液口5、工作液通道3本体出口部4、电极通道2、电极入口6；所述进液口与工作液通道连通，所述电极入口与电极通道连通，所述工作液通道和电极通道皆与本体出口部连通。所述电极通道用于放置电极，工作液通道通入工作液。一般在电火花加工气膜孔过程中，工作液为电解液和去离子水。所述进液管为三通管，所述三通管包括分别用于通入离子水的去离子水管、用于通入电解液的电解液管和用于与进液口连通的工作液管，所述去离子水管、电解液管皆与工作液管连通，所述去离子水管、电解液管上设有由数控机床的控制系统控制的电磁阀。

值得特别强调的是，所述电极通道为竖向通道，所述工作液通道也为竖向通道。所述电极通道设置在本体中心位置，所述工作液通道有四个，均匀的分布在电极通道四周。

所述电极入口呈现喇叭状，便于电极的插入。

值得强调的是，所述电极入口由电极定位耐磨件构成，所述电极定位耐磨件设置在电极通道顶部形成电极入口，所述电极定位耐磨件内部设有喇叭形通道，使得电极入口呈现喇叭状。

所述本体以其外部形状来看，可以从上到下依次分为第一本体、第二本体、第三本体和第四本体；所述第一本体、第二本体、第三本体的外部形状皆为圆柱形，所述第一本体的外径小于第二本体的外径，使得形成一个台阶构造，作为便于数控机床夹持的夹持部。

第三本体的外径小于第二本体的外径，这样设计的原因是考虑到工作液的快速通入和节约工作液用量的原因，第二本体上对应的工作液通道的内径要大于第三本体上对应的工作液通道的内径，为了实现上述尺寸，第三本体外径要小于第二本体的外径。

第四本体由上至下，外径依次减小，由于本体出口部是设置在第四本体上的，这样就能够使得本体出口部的外部为收敛状，保证了最少的干涉，在很小的空间都能正常的加工。

本体出口部内部为竖直通道，这是由于本体出口部内部的竖直通道起到引流的作用，确保工作液（特别是高压电解液）能充分的进入加工间歇，使得电解状态稳定，以得到稳定的无重熔层小孔。

还需说明的是，为了使得电极能够起到引流作用，工作液能够汇聚的电极上，随电极的伸出喷出到加工间隙，所述电极通道的出口21对应的电极通道壁也为收敛状。

本实施例中，本体出口部内部的竖直通道的内径大于电极通道的内径。

本实施例中，电极定位耐磨件优选为钨钢/陶瓷制成的电极定位耐磨件。采用了电极定位耐磨件是由于电极在打孔的时候是旋转的，容易产生磨损，为了确保气膜孔加工装置的使用寿命，设计了定位耐磨件。

值得特别强调的是，所述电极定位耐磨件的尺寸使得喇叭形通道的出口与电极之间的间隙不大于0.01mm，使得电极高速旋转时而没有太大的跳动。

本实施例设计的目的是为了实现在电火花加工气膜孔后注入电解液对气膜孔内壁因电火花加工的重熔层进行电解，从而实现产品无重熔层的效果。而为了要很好的实现产品无重熔层，则必须保证电解液是跟随电极均匀的注入了气膜孔。因此在电极通道的出口收敛和本体出口部收敛就是为了保证这一点。

本实施例所述装置是安装在数控机床的夹头上的，安装方法按照常规方法即可，不做详细描述。

本实施例中，所述电极通道是稳定电极的，使电极在旋转时不会有太大的跳动；工作液通道与进液口和本体出口部连通，本体出口部的收敛形状可以使工作液更好的汇聚，起到引流的作用，使工作液能充分进入加工间歇。

本实施例中，所述收敛状可以理解为锥形结构。

在开始加工前，数控机床的控制系统控制电磁阀接通去离子水，去离子水经过电磁阀到达进液口，经过工作液通道以及出口喷向工件表面，开始进行电火花放电加工，去离子水可以带走放电产生的残渣以及冷却工件表面；数控系统控制电极向下送进；当深度到达设定值时，系统停止对电极的送进，并通过控制电磁阀关闭去离子水管道，打开电解液电磁阀，使高压电解液经过电磁阀进入工作液入口以及工作液通道，经过出口高速喷向电极周围的与气膜孔之间的加工间歇，进行对小孔内壁进行电化学加工，当设定的电解时间达到时，系统关闭电解液并抬起电极，为加工下一个孔做准备。

从实施例的使用方法就能看出本实施例的结构的一个重要优点，本实施例的结构使得电极有引流作用，高压电解液是跟随电极喷出的，也就是说，在任何刁钻的角度打孔，只要电极能够打出气膜孔，电解液就可以进入加工间歇电解重熔层，这也是本实施例非常重要的一个优点；由于本结构的高压电解液完全包裹了电极的放电部分，故本装置同样也适用于电化学铣削加工，可以结合电火花放电加工加工出无重熔层的簸箕孔。

使用本实施例中所述的气膜孔加工装置可以大大的提高加工效率，其原因如下：一般的电火花打孔机为了尽可能的控制重熔层厚度（有些零件允许有重熔层的情况，一般航空标准下，重熔层厚度最大不能超过0.05mm，有的必须要小于0.03mm)而必须在普通电火花加工的基础上减小放电功率，这样加工效率就会大幅下降；而应用本实施例的电火花加工的时候完全不用考虑重熔层的问题，反而可以在普通电火花加工的基础上提高放电功率，使电火花加工的效率得到很大提高，就算是算上电解消耗时间也比之前的普通电火花加工效率高出很多；而且电解加工只是去除重熔层，所以电解的时间是很短的。

本发明的内容不限于实施例数所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，包括以下加工过程：

（1）气膜孔入口加工：

根据预设的加工位置和加工角度，数控机床定位电极与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到预期设定的加工位置，加工气膜孔；

系统控制电极向下进给，当系统检测到入口加工信号时，系统将检测到的电极位置数据清零，系统采用入口加工参数进行气膜孔入口加工，直到系统检测到加工中信号；所述入口加工信号是指电极进给速度大幅降低和电极的极间电压大幅下降；所述入口加工参数包括入口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

（2）气膜孔加工中：

根据步骤（1），系统检测到加工中信号，系统将入口加工参数切换成加工中参数，电极继续进给，当系统检测到出口加工信号，执行下述步骤（3），当系统检测到第一穿透信号，执行下述步骤（4）；

所述加工中信号是指系统检测到电极极间电压、电极进给速度数据趋于稳定和入口加工深度达到系统预设值；加工中参数也包括加工中加工深度、角度、位置、放电电源参数；

出口加工信号是指电极进给速度低于最低阈值，第一穿透信号是指电极进给速度超过最高阈值，所述电极进给速度的最高阈值和最低阈值由加工中加工深度达到系统预设值后，系统自动生成；

（3）气膜孔出口加工：

根据步骤（2），系统检测到出口加工信号，系统将加工中参数切换成出口加工参数，电极继续进给，直到系统检测到第二穿透信号后，执行下述步骤（4）；所述出口加工参数包括出口加工深度、角度、位置、放电电源参数，所述放电电源参数包括脉宽、脉间、电流参数；

所述第二穿透信号是指系统检测到出口加工深度达到系统预设值和电极进给速度超过最高阈值；

（4）系统控制电极停止进给，加工出气膜孔。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，在上述步骤（1）前还包括电极修整过程：

系统执行电极修整程序，电极向下进给修整电极，达到系统预设的电极修整深度后，系统切换至加工状态，进行加工过程。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，还包括去除重熔层过程：

根据上述步骤（4），电极停止进给，电极保持旋转，系统切换至电解加工参数，控制在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液，电解重熔层，当达到系统预设的电解时间，系统控制停止在电极与气膜孔之间的间隙内喷入高压电解液并退回电极。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，入口加工深度的系统预设值、出口加工深度的系统预设值、加工中加工深度的系统预设值皆由三维软件计算出后导入控制系统。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，在加工过程中，控制系统检测到电极进给速度依次出现快变慢后变快、变快后又变慢波动时，控制系统控制发出警报表示背墙受到电极破坏。

6.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，在加工过程中，控制系统对加工气膜孔的时间进行储存记录，当控制系统检测到此次加工气膜孔时间与上个气膜孔加工时间差距系统预设时间差时，控制系统控制发出警报表示背墙有受到电极破坏的风险，系统预设时间差为人工设定。

7.根据权利要求4所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，所述控制系统通过安装在数控机床上的气膜孔加工装置口控制向电极与气膜孔之间的间隙内喷入电解液，所述气膜孔加工装置包括本体（1）和进液管，所述本体（1）上设有用于安装电极的电极通道（2）用于工作液的工作液通道（3），工作液通道（3）连通进液口（5）和本体出口部（4），所述电极通道（2）也连通本体出口部（4），所述本体出口部（4）便于电极从本体（1）中伸出和工作液从本体中喷出，所述本体出口部（4）外部为锥形，所述本体出口部（4）内设有供电极和工作液通过的竖直通道；所述进液管包括用于通入去离子水的去离子水管、用于通入电解液的电解液管和用于与进液口（5）连通工作液管；所述去离子水管、电解液管皆与工作液管连通，所述去离子水管、电解液管上皆设有电磁阀，所述电磁阀皆由数控机床控制系统控制。

8.根据权利要求7所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，在加工过程中，控制系统控制启动去离子水电磁阀，去离子水经过工作液通道（3）和气膜孔加工装置出口喷向工件表面后控制系统控制电极开始进给打出气膜孔。

9.根据权利要求7所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，在去重熔层过程中，控制系统控制关闭去离子水阀，启动电解液阀门，电解液经过工作液通道（3）和气膜孔加工装置出口喷向电极与气膜孔之间的间隙，去除气膜孔内的重熔层。

10.根据权利要求7所述的一种航空发动机双层涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特征在于，所述本体（1）还包括电极入口（6），所述电极通道（2）与电极入口（6）连通，电极入口（6）呈喇叭形，便于安装电极，所述电极通道（2）顶部设有定位耐磨件，所述定位耐磨件内设有喇叭形通道，构成了上述电极入口（6），所述电极定位耐磨件的尺寸使得喇叭形通道的出口与电极之间的间隙不大于0.01mm，所述电极定位耐磨件为钨钢/陶瓷制成的电极定位耐磨件，所述电极通道的出口（21）对应的电极通道壁为锥形。