CN111822801B - 一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，包括：预设涡轮叶片三维模型；安装涡轮叶片并测定理论取点方位；根据理论取点方位拟合对应预设的涡轮叶片三维模型，确定孔位、孔型和孔数，选择对应加工电极；对加工电极进行损耗测试并修正补偿；根据三维模型控制加工电极对位加工出与三维模型一致的单个加工孔；重复控制加工电极进给和铣削，直至所有的加工孔加工完毕。本发明通过预设三维模型，再对涡轮叶片进行位形检测并与对应的三维模型匹配，确定实际加工孔的加工位置、形状和数量，选择对应加工电极对位加工，使加工孔的位置、形状和数量与三维模型一致，位置规整，形状统一，使得涡轮叶片扩张孔的加工工艺指标达到了较高水平。

Description

一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法

技术领域

本发明涉及涡轮发动机工件加工技术领域，特别是涉及一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法。

背景技术

气膜冷却是应用在燃气轮机叶片上的冷却技术，主要是在涡轮叶片前缘、叶身型面等部位设计大量气膜孔，孔径一般在0.2-0.8mm，且空间角度复杂，从压气机末级抽取高压冷气输运到叶片内部通道，冷气在通道内强化对流换热将一部分热量带走，同时一部分冷气从叶片壁上的气膜孔喷出，这股冷气在主流和流体科恩达效应的作用下向下游弯曲，粘附在叶片壁面附近，形成温度较低的冷气膜，将壁面同高温燃气隔离，并带走部分高温燃气或明亮火焰对壁面的辐射热量，从而起到良好的保护作用，以达到叶片不被高温燃气烧坏的目的。目前，涡轮叶片上主要采用圆柱孔型作为气膜孔，但是圆柱孔型的射流比较集中，形成的气膜不能很好地覆盖所有展向区域。因此，需要将圆柱孔型的出口进行扩张设计，以增强气膜冷却效率。

现有技术中对涡轮叶片扩张孔的加工，是通过电火花打孔机床打出底孔，再对准底孔用电火花成型机床或电脉冲成型机床用成型电极进行扩张孔成型，加工过程中，一个扩张孔对应一种成型电极，扩张孔的形状靠电极的形状保证。然而，在加工过程中，将电极对准底孔的操作为人工控制，会使得扩张孔的位置存在偏差，且随着加工的进行，电极会有损耗，也会导致扩张孔形状存在偏差，并且该偏差无法检测和修正，使得涡轮叶片上的扩张孔位置不规整、形状不统一，影响气膜冷却效率。

发明内容

基于此，有必要针对涡轮叶片扩张孔成型位置不规整、形状不统一的问题，提供一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，通过设计孔道模型编写程序，用电火花打孔机床将底孔和扩张孔一起加工成型，使得涡轮叶片扩张孔位置规整，形状统一，以符合理论设计要求。

一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，包括以下步骤：

预步骤，预设多种类型的涡轮叶片三维模型；

S1，于电火花打孔机床的工作台上安装夹具，于夹具上安装涡轮叶片，测定涡轮叶片理论取点方位；

S2，根据理论取点方位拟合对应预设的涡轮叶片三维模型，确定孔位、孔型和孔数，选择对应加工电极；

S3，对加工电极进行损耗测试并修正补偿；

S4，根据孔位控制加工电极到达加工位置，根据孔型的预设参数在涡轮叶片上加工出对应的加工孔；

S5，重复S4步骤，直至孔数的所有加工孔加工完毕。

在其中一个实施例中，加工孔包括底孔和扩张孔，加工电极到达加工位置后先加工出底孔，再于底孔的顶部铣削出扩张孔。

在其中一个实施例中，理论取点方位的测定方式，是通过检测探头对安装在夹具上的涡轮叶片的形状进行空间坐标定位，运用六点定位原则，得出涡轮叶片相对于机床的实际空间位置后，与预设的涡轮叶片三维模型拟合进行加工。

在其中一个实施例中，加工电极的耗损测试和修正补偿方式，是采用与待加工的涡轮叶片材料相同、加工参数相同的固定厚度的试件，在电火花打孔机床上进行试加工；通过试件的固定厚度和加工完成后的电极长度变化值得出每加工1mm深度的电极损耗值；根据电极损耗值设置对应的损耗补偿值，在加工时对加工电极进行修正补偿。

在其中一个实施例中，加工位置的确定，是将涡轮叶片与预设的涡轮叶片三维模型拟合后，根据孔位旋转夹具，使同一高度面的预加工孔的矢量方向旋转到竖直方向，再对同一高度面的预加工孔进行依次加工。

在其中一个实施例中，底孔的加工方式，是沿预加工孔的矢量方向连续上下垂直移动加工电极蚀除形成底孔；扩张孔的铣削方式，是沿预加工孔的矢量方向对预扩张孔分层，根据孔型采用跟随周边的方式从上至下逐层铣削形成扩张孔。

在其中一个实施例中，加工电极为空心电极，于加工电极外侧包覆有电极导套，用于对加工电极进行导向；在加工过程中，向加工电极的空心部分通入工作液以保证加工孔排屑顺畅，并于电极导套外侧通入工作液对涡轮叶片进行冲刷辅助排屑。

在其中一个实施例中，工作液为去离子水。

在其中一个实施例中，电火花打孔机床包括工作台、夹具、电极刀柄、电极导套、检测刀柄、过滤系统和控制系统，夹具设置在工作台上，用于夹持涡轮叶片；电极刀柄用于夹持电极导套和被电极导套包覆的加工电极；检测刀柄用于夹持检测探头；过滤系统用于储存和净化工作液，并与加工电极和电极导套连通；控制系统设定并储存有多种类型的涡轮叶片三维模型、工作台坐标系和加工程序，在控制系统的控制下，工作台可带动夹具和涡轮叶片实现X、Y、Z三轴方向的移动和绕X轴及Y轴方向的旋转，电极刀柄可带动加工电极转动并实现X、Y、Z三轴方向的移动，检测刀柄可带动检测探头实现X、Y、Z三轴方向的移动，过滤系统可实现出液压力调节和工作液自循环。

在其中一个实施例中，加工电极的材料为黄铜或紫铜，加工极性为正极性。

与现有技术相比，本发明通过预设涡轮叶片三维模型，设计出预加工孔的加工位置、形状和数量，再对实际加工的涡轮叶片进行位形检测，并与对应的三维模型匹配对位，确定实际加工孔的加工位置、形状和数量，并根据孔型选择加工电极调整对位加工，加工孔的位置、形状和数量与涡轮叶片三维模型上的孔道一致，位置规整，形状统一，使得涡轮叶片扩张孔的加工工艺指标达到了较高水平。

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实施例的附图。

图1为本发明实施例提供的电火花打孔机床的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电火花打孔机床进行涡轮叶片扩张孔加工时的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的涡轮叶片的剖面图；

图4为本发明实施例提供的扩张孔的型面示意图；

图5为本发明实施例提供的加工电极连接部分的结构示意图。

其中：1-工作台，2-夹具，3-涡轮叶片，31-加工孔，311-底孔，312-扩张孔，4-电极刀柄，41-加工电极，42-电极导套，5-检测刀柄，51-检测探头，100-电火花打孔机床。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法进行更全面的描述。附图中给出了电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法的首选实施例。但是，电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法的公开内容更加透彻全面。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

需要说明的是，当元件被称为“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连通”另一个元件，它可以是直接连通到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，包括以下步骤：

预步骤，预设多种类型的涡轮叶片三维模型；

S1，于电火花打孔机床100的工作台1上安装夹具2，于夹具2上安装涡轮叶片3，测定涡轮叶片3理论取点方位；

S2，根据理论取点方位拟合对应预设的涡轮叶片三维模型，确定孔位、孔型和孔数，选择对应加工电极41；

S3，对加工电极41进行损耗测试并修正补偿；

S4，根据孔位控制加工电极41到达加工位置，根据孔型的预设参数在涡轮叶片3上加工出对应的加工孔31；

S5，重复S4步骤，直至孔数的所有加工孔31加工完毕。

具体地，由于不可避免的会存在涡轮叶片工件铸造误差，因此通过测定理论取点方位，可确定涡轮叶片3相对于电火花打孔机床100的实际空间位置，由于涡轮叶片3在夹具2和工作台1上固定，涡轮叶片3的空间位置处于基本确定状态，通过测定理论取点方位确定涡轮叶片3相对于电火花打孔机床100的实际空间位置后，与预设的三维模型匹配获得实际加工孔31的位置、形状和数量，因为涡轮叶片3的型面为弧形，每排加工孔31的加工高度会有变化，因此，以同一高度面的一排加工孔31为一个加工区，控制工作台1调整涡轮叶片3的方向，使得涡轮叶片3一个加工区的矢量方向竖直向上，调取对应加工孔31形状的加工电极41进行加工孔31的加工；以加工完单个加工区的加工孔31为一个加工周期，以加工出单个完整的加工孔31为一个加工循环，根据单个加工区内的加工孔31的数量实施若干个加工循环，直至完成一个加工周期，再通过控制工作台1调整涡轮叶片3的方向，使得涡轮叶片3另一加工区的矢量方向竖直向上，重复上述步骤进行加工，直至涡轮叶片3上所有加工区的加工孔31加工完成。通过上述步骤加工出的涡轮叶片扩张孔，孔道位置规整，形状统一，且孔道边缘光滑，提高了射流对壁面的贴附性，增强了壁面的冷却效果。

进一步的，如图3所示，加工孔31包括底孔311和扩张孔312，加工电极41到达加工位置后先加工出底孔311，再于底孔311的顶部铣削出扩张孔312。

进一步的，如图2所示，理论取点方位的测定方式，是通过检测探头51对安装在夹具2上的涡轮叶片3的形状进行空间坐标定位，运用六点定位原则，分别触碰涡轮叶片3在X-Y-Z轴上的六个方向的端面，测定得出涡轮叶片3的实际空间位置坐标，一般而言，涡轮叶片3的叶身两端的其中一个端面会设有缘板，用与夹具2接触固定，因此测定该端面时触碰缘板的板面即可；将该实际空间位置坐标与预设模型的坐标系比对修正并与预设的涡轮叶片三维模型拟合，匹配出对应的涡轮叶片三维模型，获取各种调整参数。

具体地，如图2所示，在本实施例中，工作台1带动夹具2和涡轮叶片3到达工作台1预设加工位置后，控制涡轮叶片3绕X轴方向进行轴向旋转，控制检测探头51触碰涡轮叶片3在X-Z面一端的缘板板面，以该旋转中心轴在涡轮叶片3的缘板板面的端点为原点建立坐标系，控制检测探头51触碰涡轮叶片3在Y-Z面的一边，获得一个Y1点值，控制工作台1沿X轴方向的轴向旋转90度，控制检测探头51再次触碰该方向侧的一边，获得一个Z1点值，再控制工作台1沿X轴方向的轴向旋转90度，控制检测探头51再次触碰该方向侧的一边，获得一个Y2点值，再次控制工作台1沿X轴方向的轴向旋转90度，控制检测探头51再次触碰该方向侧的一边，获得一个Z2点值，再控制工作台1沿X轴方向的轴向旋转90度，使涡轮叶片3复位；此时，控制检测探头51触碰涡轮叶片3在X-Z面的另一端端面，获得一个X1点值，通过原点、X1点值、Y1点值、Y2点值、Z1点值和Z2点值即可确定涡轮叶片3的实际空间位置坐标，将上述六个点值坐标与预设模型的坐标系比对修正，并将该涡轮叶片3与预设的涡轮叶片三维模型拟合，匹配出对应的涡轮叶片三维模型，获取预加工孔的孔位、孔型、孔数以及其他调整参数。

进一步的，加工电极41的耗损测试和修正补偿方式，是采用与待加工的涡轮叶片3材料相同、加工参数相同的固定厚度的试件，在电火花打孔机床100上进行试加工；通过试件的固定厚度和加工完成后的电极长度变化值得出每加工1mm深度的电极损耗值；根据电极损耗值设置对应的损耗补偿值，在加工时对加工电极41进行实时高度调整以修正补偿。通过该方式进行加工电极41的自动修正补偿，保证加工孔31的深度及形状符合模型要求。

进一步的，如图2和图3所示，加工位置的确定，是将涡轮叶片3与预设的涡轮叶片三维模型拟合后，根据孔位旋转夹具2，使同一高度面的预加工孔31(即一个加工区)的矢量方向旋转到竖直方向，再对同一高度面的预加工孔31进行依次加工。

进一步的，如图2和图3所示，底孔311的加工方式，是沿预加工孔31的矢量方向连续上下垂直移动加工电极41蚀除形成底孔311；扩张孔312的铣削方式，是沿预加工孔31的矢量方向对预扩张孔312分层，根据孔型采用跟随周边的方式从上至下逐层铣削形成扩张孔312，采用跟随周边的方式进行铣削，跳刀少，扩张孔312型面更平整光滑，降低表面粗糙度，使气流运动流畅。

进一步的，如图1、图2和图5所示，加工电极41为空心电极，于加工电极41外侧包覆有电极导套42，用于对加工电极41进行导向，保证加工电极41在加工过程中的垂直度，并防止加工电极41在加工底孔311的上下垂直跳动中变形；在加工过程中，向加工电极41的空心部分通入工作液以保证加工孔31排屑顺畅，并于电极导套42外侧通入工作液对涡轮叶片3进行冲刷辅助排屑。

进一步的，工作液采用去离子水，保证冷却、排屑过程中的低电阻率。

进一步的，如图1和图2所示，电火花打孔机床包括工作台1、夹具2、电极刀柄4、电极导套42、检测刀柄5、过滤系统和控制系统，夹具2设置在工作台1上，用于夹持涡轮叶片3；电极刀柄4用于夹持电极导套42和被电极导套42包覆的加工电极41；检测刀柄5用于夹持检测探头51；过滤系统用于储存和净化工作液，并与加工电极41和电极导套42连通；控制系统设定并储存有多种类型的涡轮叶片三维模型、工作台1坐标系和加工程序，在控制系统的控制下，工作台1可带动夹具2和涡轮叶片3实现X、Y、Z三轴方向的移动和绕X轴及Y轴方向的旋转，电极刀柄4可带动加工电极41转动并实现X、Y、Z三轴方向的移动，检测刀柄5可带动检测探头51实现X、Y、Z三轴方向的移动，过滤系统可实现出液压力调节和工作液自循环。

进一步的，加工电极4141的材料为黄铜或紫铜，加工极性为正极性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

预步骤，预设多种类型的涡轮叶片三维模型；

S1，于电火花打孔机床的工作台上安装夹具，于所述夹具上安装涡轮叶片，测定涡轮叶片理论取点方位；

S2，根据所述理论取点方位拟合对应预设的涡轮叶片三维模型，确定孔位、孔型和孔数，选择对应加工电极；

S3，采用与待加工的涡轮叶片材料相同、加工参数相同的固定厚度的试件，在电火花打孔机床上进行试加工；通过试件的固定厚度和加工完成后的电极长度变化值得出每加工1mm深度的电极损耗值；根据所述电极损耗值设置对应的损耗补偿值，在加工时对加工电极进行修正补偿，以保证待加工孔的深度及形状符合模型要求；

S4，根据所述孔位控制加工电极到达加工位置，根据所述孔型的预设参数在涡轮叶片上加工出对应的加工孔，所述加工孔包括底孔和扩张孔，所述加工孔的底孔和扩张孔采用同一加工电极加工，所述加工电极到达加工位置后先蚀除出底孔，再于底孔的顶部铣削出扩张孔；

S5，重复S4步骤，直至所述孔数的所有加工孔加工完毕。

2.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述理论取点方位的测定方式，是通过检测探头对安装在夹具上的涡轮叶片的形状进行空间坐标定位，运用六点定位原则，得出涡轮叶片相对于机床的实际空间位置后，与预设的涡轮叶片三维模型拟合进行加工。

3.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述加工位置的确定，是将涡轮叶片与预设的涡轮叶片三维模型拟合后，根据所述孔位旋转夹具，使同一高度面的预加工孔的矢量方向旋转到竖直方向，再对同一高度面的预加工孔进行依次加工。

4.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述底孔的加工方式，是沿预加工孔的矢量方向连续上下垂直移动加工电极蚀除形成底孔；所述扩张孔的铣削方式，是沿预加工孔的矢量方向对预扩张孔分层，根据所述孔型采用跟随周边的方式从上至下逐层铣削形成扩张孔。

5.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述加工电极为空心电极，于加工电极外侧包覆有电极导套，用于对加工电极进行导向；在加工过程中，向加工电极的空心部分通入工作液以保证加工孔排屑顺畅，并于电极导套外侧通入工作液对涡轮叶片进行冲刷辅助排屑。

6.根据权利要求5所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述工作液为去离子水。

7.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述电火花打孔机床包括工作台、夹具、电极刀柄、电极导套、检测刀柄、过滤系统和控制系统，所述夹具设置在工作台上，用于夹持涡轮叶片；电极刀柄用于夹持电极导套和被电极导套包覆的加工电极；检测刀柄用于夹持检测探头；过滤系统用于储存和净化工作液，并与加工电极和电极导套连通；所述控制系统设定并储存有多种类型的涡轮叶片三维模型、工作台坐标系和加工程序，在控制系统的控制下，工作台可带动夹具和涡轮叶片实现X、Y、Z三轴方向的移动和绕X轴及Y轴方向的旋转，电极刀柄可带动加工电极转动并实现X、Y、Z三轴方向的移动，检测刀柄可带动检测探头实现X、Y、Z三轴方向的移动，过滤系统可实现出液压力调节和工作液自循环。

8.根据权利要求1所述的一种电火花铣削加工涡轮叶片扩张孔的方法，其特征在于，所述加工电极的材料为黄铜或紫铜，加工极性为正极性。

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