CN111360682B - 一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，先在环形腔体的下段、靠近每个叶片处安装导流块，从而在环形腔体内分隔出用于抛光叶片表面的导流通道，将磨料流经该通道，以完成对每个叶片表面的抛光；再除去导流块，并在环形腔体上段内置入第一型芯，从而在环形腔体内分隔出用于抛光外圆管内壁面的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面的抛光；再除去第一型芯，并在环形腔体上段内置入第二型芯，从而在环形腔体内分隔出用于抛光内圆管外壁面的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面的抛光。解决了现有技术中利用磨粒流对预旋喷嘴内腔抛光时，抛光效果不佳的问题。

Description

一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法

【技术领域】

本发明属于磨粒流技术领域，具体涉及一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法。

【背景技术】

预旋喷嘴是航空发动机高压涡轮单元体的重要零部件之一，是由内圆管、外圆管通过两者间均匀分布的数十个小叶片和数个安装柱连接组成的一个含有型腔的环形薄壁件。其结构复杂，零件上部型腔间距较大，而下部附着叶片的型腔间距较小，叶片高度小。通过传统方式制造容易出现漏钢、冶金缺陷、尺寸超差以及零件变形等问题，使得零件制备难度极大、成本高、合格率低。对此，行业内尚未提出有效的解决方法。

近些年来，增材制造技术取得飞速发展，该技术可以克服预旋喷嘴传统制造方式的难题。因此，本研发团队进行了预旋喷嘴增材制造试验，通过增材制造技术快速制备了预旋喷嘴毛坯，但毛坯件内腔表面粗糙度无法达到零件设计要求。由于预旋喷嘴内腔结构复杂，传统抛光方式无法对其内腔进行抛光。磨粒流工艺是一种用于内腔光整的新兴抛光工艺。在抛光前，需要根据零件结构设计专用抛光工装，通过工装固定零件并将磨料引导至待抛光内腔。因此，行业内所使用的工装一般结构简单、功能单一。由于预旋喷嘴内腔结构复杂、特殊，为实现对其内腔的均匀抛光和保护内腔薄弱结构，专用工装不仅需要具有固定零件并引导磨料流入待抛光内腔的功能，还需额外具有平衡磨料壁面动压的功能。根据预旋喷嘴内腔结构和需求，设计了预旋喷嘴磨粒流抛光专用工装，工装包括了固定零件、磨料引流的部分和平衡磨料壁面动压的部分(型芯模块、导流块)并进行了局部件抛光试验(整件的十二分之一)和完整件抛光试验。经过局部件抛光试验，待抛光内腔表面粗糙度达到了设计要求，验证了工装的可行性，但由于完整件待抛光内腔面积为局部件的十二倍而设备可提供的磨料最大压力无法达到完整件试验所需压力(局部件试验磨料压力的十二倍以上)，因此，经过完整件磨粒流抛光试验的预旋喷嘴内腔表面粗糙度未达到指标要求。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，以解决现有技术中利用磨粒流对预旋喷嘴内腔抛光时，抛光效果不佳的问题。

本发明采用以下技术方案:一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，预旋喷嘴包括同轴套设的内圆管和外圆管，围绕内圆管底部的外壁均匀设置有多个叶片，内圆管和外圆管之间形成待抛光的环形腔体，环形腔体的截面呈由上至下的收缩状，叶片为一端大一端小的翼型，较大的端部为叶片的进气边，较小的端部为叶片的排气边；

抛光方法按照以下步骤实施：

将环形腔体的壁面分为叶片表面、外圆管内壁面和内圆管外壁面三种壁面来分别抛光，对应三种壁面设置三种型芯：导流块、第一型芯和第二型芯；

先在环形腔体的下段、靠近每个叶片处安装导流块，从而在环形腔体内分隔出用于抛光叶片表面的导流通道，将磨料流经该通道，以完成对每个叶片表面的抛光；

再除去导流块，并在环形腔体上段内置入第一型芯，从而在环形腔体内分隔出用于抛光外圆管内壁面的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面的抛光；

再除去第一型芯，并在环形腔体上段内置入第二型芯，从而在环形腔体内分隔出用于抛光内圆管外壁面的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面的抛光。

进一步的，叶片，其一侧为叶盆面，另一侧为叶背面；

导流块，其顶部具有一个导流面，导流面的一侧与一个叶片的排气边接触，导流面的另一侧延伸至相邻叶片的排气边下方，导流面为叶背面的仿形；导流面与叶背面共同构成磨料导流通道。

进一步的，第一型芯，其外形为环形腔体上段的仿形，用于置入环形腔体上段后，其侧壁：与外圆管内壁面之间形成磨料导流通道，与内圆管的外壁面之间无缝隙。

进一步的，第一型芯的顶部水平向外延伸有凸台，凸台用于与外圆管的顶端固定，凸台上开设有供磨料通过并流入磨料导流通道的通孔。

进一步的，第二型芯，其外形为环形腔体上段的仿形，用于在置入环形腔体上段后，其侧壁：与内圆管的外壁面之间形成磨料导流通道，与外圆管内壁面之间无缝隙。

本发明的有益效果是：将预旋喷嘴的待抛光面进行分区，对不同区域抛光时采用相应的型芯来构建最佳的磨料导流通道，并分次对相应特征进行抛光，使得在设备无法提供所需压力的情况下，使预旋喷嘴的抛光效果提升，表面粗糙度达到设计要求。

【附图说明】

图1是本发明一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法的预旋喷嘴立体结构示意图；

图2是图1中预旋喷嘴的内圆管结构示意图；

图3是图1的纵向局部剖视图；

图4是未置入导流块时对相邻叶片进行磨粒流的状态示意图；

图5是本发明一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法中预旋喷嘴置入导流块后，相邻叶片进行磨粒流的状态示意图；

图6-1是本发明一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法中预旋喷嘴置入第一型芯后的状态示意图；

图6-2是图6-1在I处的放大图；图6-3是图6-1在II处的放大图；

图7-1是本发明一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法中预旋喷嘴置入第二型芯后的状态示意图；

图7-2是图7-1在I处的放大图；图7-3是图7-1在II处的放大图；

图8是实施例中预旋喷嘴的工装结构示意图。

图中，1.底座，2.密封垫，3.缸筒，4.盖板，5.内侧定位环，6.外侧定位环，8.压板，9.导流，11.圆柱销，12.内六角圆柱头螺钉，13.开口垫圈，14.六角薄螺母，15.等长双头螺柱，16.吊环，21.内圆管，22.外圆管，23.叶片，24.内圆管外壁面，25.外圆管内壁面，26.第一型芯，27.凸台，28.通孔，29.第二型芯，30.腔体，31.导流块，32.进气边，33.排气边，34.叶盆面，35.叶背面，36.导流面。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，按照以下步骤实施：

将所述环形腔体30的壁面分为外圆管内壁面25、内圆管外壁面24和叶片表面三种壁面来分别抛光，对应三种壁面设置三种型芯：第一型芯26、第二型芯29和导流块31；

先在环形腔体30的下段、靠近每个叶片23处安装导流块31，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光叶片23表面的导流通道，将磨料流经该通道，以完成对每个叶片23表面的抛光；

再除去导流块31，并在环形腔体30上段内置入第一型芯26，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光外圆管内壁面25的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面25的抛光；

再除去第一型芯26，并在环形腔体30上段内置入第二型芯29，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光内圆管外壁面24的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面24的抛光。

上述方法中涉及了预旋喷嘴的结构和工装的结构，下文将对其详细解释。

一、预旋喷嘴：

如图1所示，所述预旋喷嘴包括同轴套设的内圆管21和外圆管22，如图2所示，围绕所述内圆管外壁24的底部均匀设置有多个叶片23，如图3所示，所述内圆管21和所述外圆管22之间形成待抛光的环形腔体30，所述环形腔体30的截面呈由上至下的收缩状，如图4所示，所述叶片23为一端大一端小的翼型，较大的端部为导流通道的进气边32，较小的端部为导流通道的排气边33。

其中，内圆管21高度高于外圆管22，但其直径比外圆管22小，两个圆管由六个位于两圆管间完全相同的安装柱连接在一起并在气流出口侧保持齐平，在外圆管22出口处存在凸缘，凸缘直径比外圆管22直径大。两圆管的直径由气流入口侧至出口侧逐渐收缩，其中外圆管22的收缩率更大，最终在气流出口附近保持不变。两圆管间靠近气流出口处圆周分布了多个叶片23。

二、导流块：

如图4所示，所述叶片23为一端大一端小的翼型，较大的端部为导流通道的进气边32，较小的端部为导流通道的排气边33，其一侧为叶盆面34，另一侧为叶背面35。在没有导流块31辅助磨粒流时，磨料会从两个叶片23之间的缝隙通过，流动的过程中，从一叶片23的进气边32流动至其排气边33，并向下继续排出。流动过程中可以完成对该叶片23的叶盆面34的抛光，但是因为磨料向下流动后，无法和与其相邻的叶片23的叶背面35的尾段进行最佳接触，就不能获得良好的抛光效果。

如图5所示，在叶片23底部设置导流块31。导流块31，其顶部具有一个导流面36，所述导流面36的一侧与一个叶片23的排气边33接触，所述导流面36的另一侧延伸至相邻叶片23的排气边33下方，所述导流面36为叶背面35的仿形；所述导流面36与所述叶背面35共同构成磨料导流通道。安装了导流块之后，即为抛光叶背面35的尾段设置了一条磨料的导流通道，可以引导磨料对叶背面35的尾段进行抛光。

三、第一型芯26：

如图6-1所示，在环形腔体30上段内置入第一型芯26，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光外圆管内壁面25的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面25的抛光。第一型芯26，其外形为所述环形腔体30上段的仿形，用于置入所述环形腔体30上段后，其侧壁：与所述外圆管内壁面25之间形成磨料导流通道，与所述内圆管的外壁面24之间无缝隙。第一型芯26的顶部水平向外延伸有凸台27，所述凸台27用于与外圆管22的顶端固定，所述凸台27上开设有供磨料通过并流入磨料导流通道的通孔28。

如图6-2和6-3所示，磨料从通孔28处流入，经环形腔体30后从叶片23旁流出，由于第一型芯26的置入，即为抛光外圆管内壁面25设置了一条磨料的导流通道，可以引导磨料更好的对外圆管内壁面25进行抛光。

四、第二型芯29：

如图7-1所示，在环形腔体30上段内置入第二型芯29，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光内圆管外壁面24的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面24的抛光。第二型芯29，其外形为所述环形腔体30上段的仿形，用于在置入所述环形腔体30上段后，其侧壁：与所述内圆管的外壁面24之间形成磨料导流通道，与所述外圆管内壁面25之间无缝隙。

如图7-2和7-3所示，磨料从第二型芯29与所述内圆管外壁面24之间形成的缝隙流入，再从叶片23旁流出，由于第二型芯29的置入，即为抛光内圆管外壁面24设置了一条磨料的导流通道，可以引导磨料更好的对内圆管外壁面24进行抛光。

五、工装结构：

工装包括，缸筒、盖板、压板、内侧定位环、外侧定位环、双头螺柱、螺母、底座、第一型芯26、第二型芯29和导流块31及若干垫圈、螺钉。

工装的零件按照用途可分为两类：

第一类用于固定零件、引导磨料，包含了缸筒、盖板、压板、内侧定位环、外侧定位环、双头螺柱、螺母、底座；

第二类用于平衡磨料壁面动压，包含第一型芯26、第二型芯29和导流块31。

由于磨粒流设备可提供的磨料压力有限，同时磨粒流加工效果不会随时间增加而无限提高，因此为提升抛光效果，需要提高每个特征处磨料的壁面动压。特征处壁面动压正相关于磨料出入口的压力差。在磨粒流加工时，特征入口处磨料压力为所需压力，为保证流动稳定，在特征出口处会留有一定压力，称为背压。预旋喷嘴的环形腔体30从气流入口处到出口处为收缩结构，抛光时，磨料流过的特征的顺序为外圆管内壁面25、内圆管外壁面24和叶片23的壁面。所以壁面特征的入口压力为试验压力，壁面特征的出口压力为壁面背压或叶片23的入口压力，叶片23的出口压力为试验背压。

在试验背压为定值的情况下，去除第一型芯26和第二型芯29，可增加流入预旋喷嘴环形腔体30内磨料的体积，随着环形腔体30结构的逐渐收缩，磨料压力不断自增加并逐渐达到叶片23的入口要求压力，从而提高叶片23处磨料壁面的动压，使得叶片23的抛光效果提升。

壁面特征可分为外圆管内壁面25、内圆管外壁面24两个部分。将内外壁面分开抛光，同时去除导流块23，可增加内壁面或外壁面的入口压力并降低背压，使内或外壁面处的磨料压差增大，壁面动压随之增大，抛光效果得到提升。

当去除第一型芯26和第二型芯29后，由于壁面特征处的流动空间过大，磨料对壁面没有抛光作用，当去除导流块31后，由于叶片23处空间狭小，磨料仍对叶片23有一定抛光作用，因此先抛光叶片23再抛光壁面会有更好效果。

当抛光外圆管内壁面25时，第一型芯26与内圆管外壁面24会存在非常小的间隙或无间隙，即使少量磨料会从这个间隙流入，这个现象不会影响到外圆管内壁面25的入口压力，但可以去除内圆管外壁面24上的大杂质、毛刺，缩短内圆管外壁面24的抛光时间，因此，先抛光外圆管内壁面25，再抛光圆管外壁面24会有更好抛光效果。

综上所述，可通过分区域抛光法克服设备压力不足的问题，抛光顺序为叶片、外圆管内壁面25和内圆管外壁面24。

本发明的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，分析磨粒流加工特性和零件结构特点，通过按照一定顺序安装不同的功能模块(导流块31、第一型芯26和第二型芯29)来抛光环形腔体30的各个特征，对抛光时零件内腔磨料的压力分布进行了调整，在设备无法提供所需试验压力的情况下使得每个特征在单独抛光时磨料压力都可达到要求压力，进而使抛光后表面粗糙度达到设计要求。

实施例：

本发明的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法需要相应的专用工装，如图8所示，工装包括：底座1、密封垫2、缸筒3、盖板4、内侧定位环5、外侧定位环6、型芯、压板8和导流块31。其中底座1、缸筒3和盖板4固连形成一个密闭空间，作为抛光时磨料的工作空间。底座1的下凸台外侧周向均布数个环形槽，所述盖板4上周向均布数个环形槽，用于磨料流动。缸筒3的下端与底座1之间、缸筒3的上端与盖板4之间安装密封垫2。导流块31位于内侧定位环5和外侧定位环6之间，通过圆柱销11将三者固定成整体，共同构成磨料流动的通道。外侧定位环6通过内六角圆柱头螺钉12固定于底座1上。型芯位于预旋喷嘴内腔，并通过内六角圆柱头螺钉12固定于外侧定位环6上，型芯有两种，第一型芯26和第二型芯29，分别可与预旋喷嘴外圆管内壁面25和内圆管外壁面24形成间隙。压板8位于预旋喷嘴上并有数个均布的磨料通道。等长双头螺柱15下端与底座1螺纹连接，上端穿过压板8中心通孔。六角薄螺母14与等长双头螺柱15上端螺纹配合，通过开口垫圈13，压紧在压板8的上表面。

将所述环形腔体30的壁面分为叶片表面、外圆管内壁面25和内圆管外壁面24三种壁面来分别抛光，对应三种壁面设置三种型芯：导流块31、第一型芯26和第二型芯29。

除去导流块31、第一型芯26和第二型芯29，将工装的其他部件与预旋喷嘴组装好，以完成对预旋喷嘴的固定；

先在环形腔体30的下段、靠近每个叶片23处安装导流块31，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光叶片23表面的导流通道，将磨料流经该通道，以完成对每个叶片23表面的抛光；

再除去导流块31，并在环形腔体30上段内置入第一型芯26，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光外圆管内壁面25的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面25的抛光；

再除去第一型芯26，并在环形腔体30上段内置入第二型芯29，从而在环形腔体30内分隔出用于抛光内圆管外壁面24的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面24的抛光。

采用上述实施例的方法对预旋喷嘴进行分区域抛光后，通过对比法分析可知，预旋喷嘴的叶片表面、外圆管内壁面25和内圆管外壁面24的表面粗糙度被有效降低，达到了Ra1.6。而使用普通的一次性磨粒流抛光方法对同一预旋喷嘴进行抛光，通过对比法分析可知，预旋喷嘴的叶片表面、外圆管内壁面25和内圆管外壁面24的内腔表面粗糙度相对试验前未明显下降。

Claims (5)

1.一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，所述预旋喷嘴包括同轴套设的内圆管（21）和外圆管（22），围绕所述内圆管（21）底部的外壁均匀设置有多个叶片（23），所述内圆管（21）和所述外圆管（22）之间形成待抛光的环形腔体（30），所述环形腔体（30）的截面呈由上至下的收缩状，所述叶片（23）为一端大一端小的翼型，较大的端部为叶片（23）的进气边（32），较小的端部为叶片（23）的排气边（33）；

其特征在于，抛光方法按照以下步骤实施：

将所述环形腔体（30）的壁面分为叶片表面、外圆管内壁面（25）和内圆管外壁面（24）三种壁面来分别抛光，对应三种壁面设置三种型芯：导流块（31）、第一型芯（26）和第二型芯（29）；

先在环形腔体（30）的下段、靠近每个叶片（23）处安装导流块（31），从而在环形腔体（30）内分隔出用于抛光叶片（23）表面的导流通道，将磨料流经该通道，以完成对每个叶片（23）表面的抛光；

再除去导流块（31），并在环形腔体（30）上段内置入第一型芯（26），从而在环形腔体（30）内分隔出用于抛光外圆管内壁面（25）的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对外圆管内壁面（25）的抛光；

再除去第一型芯（26），并在环形腔体（30）上段内置入第二型芯（29），从而在环形腔体（30）内分隔出用于抛光内圆管外壁面（24）的磨料导流通道，将磨料流经该通道，以完成对内圆管外壁面（24）的抛光。

2.如权利要求1所述的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，其特征在于，

所述叶片（23），其一侧为叶盆面（34），另一侧为叶背面（35）；

所述导流块（31），其顶部具有一个导流面（36）， 所述导流面（36）的一侧与一个叶片（23）的排气边（33）接触，所述导流面（36）的另一侧延伸至相邻叶片（23）的排气边（33）下方，所述导流面（36）为叶背面（35）的仿形；所述导流面（36）与所述叶背面（35）共同构成磨料导流通道。

3.如权利要求1或2所述的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，其特征在于，所述第一型芯（26），其外形为所述环形腔体（30）上段的仿形，用于置入所述环形腔体（30）上段后，其侧壁与所述外圆管内壁面（25）之间形成磨料导流通道，其侧壁与所述内圆管外壁面（24）之间无缝隙。

4.如权利要求3所述的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，其特征在于，所述第一型芯（26）的顶部水平向外延伸有凸台（27），所述凸台（27）用于与外圆管（22）的顶端固定，所述凸台（27）上开设有供磨料通过并流入磨料导流通道的通孔（28）。

5.如权利要求1或2所述的一种提升预旋喷嘴内腔磨粒流抛光效果的方法，其特征在于，所述第二型芯（29），其外形为所述环形腔体（30）上段的仿形，用于在置入所述环形腔体（30）上段后，其侧壁与所述内圆管外壁面（24）之间形成磨料导流通道，其侧壁与所述外圆管内壁面（25）之间无缝隙。

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