CN112171184A - 一种叶片气膜孔的复合加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片气膜孔的复合加工方法及装置，涉及特种加工领域，通过激光加热辅助钻孔，在热障涂层高温合金基体上快速钻出所需尺寸气膜孔；其次，将高速旋转的钻头作为阴极，叶片作为阳极，钻头上下运动，对金属基体部分气膜孔进行在线电解后处理，消除钻孔过程中的残余应力、热影响区等缺陷；同时，电解液中悬浮有微小磨粒，在高速旋转的钻头带动下，对孔壁进行微小冲击划擦，产生类研磨抛光效果，进一步提高包括热障涂层在内的气膜孔整体内壁质量。本方法简单易行，激光传输不受周围环境影响，环境适应性强，无需多次对刀，解决了常规电加工方法无法加工热障涂层，以及激光加工单晶合金效率低、易产生热损伤等缺点。

Description

一种叶片气膜孔的复合加工方法及装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种带热障涂层叶片气膜孔激光辅助钻孔与电解、抛光后处理的复合加工方法及装置。

背景技术

提高涡轮部位燃烧气体温度，是提高航空发动机性能的重要手段。而受限于发动机叶片材料性能，过高的温度会造成叶片金属材料失效。在发动机高温端叶片表面制备一层陶瓷基材料，形成热障涂层，将高温气体与叶片金属材料隔开，可达到保护叶片、减缓升温的目的。同时，叶片内部留出冷空气气道，并在叶片-热障涂层上打出微孔，将冷空气从气膜孔引出，在热障涂层表面形成一层冷空气气膜，进一步保护叶片，减小升温。

由于发动机工作在高温、高压、高震动的恶劣环境下，气膜孔打孔质量要求极其苛刻，需要避免加工过程中可能造成的叶片变形、残余应力、热损伤、热障涂层脱落等情况。传统气膜孔打孔以电解与激光为主，电解打孔可加工出高质量“三无”微孔，但无法加工不导电的热障涂层材料，激光加工容易产生热影响区，因此对激光脉宽有严苛要求，只能采用超短脉冲激光，造成加工效率较低，锥度明显。

公开号为CN109365932A的中国专利公布了一种加工带热障涂层叶片气膜孔的方法，采用激光电解组合的方式，先利用激光旋切在陶瓷热障涂层上加工出微孔，再利用侧壁绝缘管电极在单晶合金基体上加工出微孔。在该方案中，热障涂层打孔质量靠激光束保证，因此对激光束质量、脉宽、波长等要求较高。同时，采用侧壁绝缘管电极电解加工的方法在单晶合金基体材料上打孔，加工效率可能较低。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种对带热障涂层的高温合金叶片进行激光辅助钻孔与电解、抛光后处理的复合加工方法及装置，解决常规电加工方法无法加工热障涂层，以及超短脉冲激光加工单晶合金效率低、产生热损伤等缺点。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种叶片气膜孔的复合加工方法，包括如下步骤：对带热障涂层的叶片进行激光辅助钻孔，然后对激光辅助钻孔后的带热障涂层的叶片进行后处理，后处理具体包括：钻头作为阴极，工件作为阳极，将带热障涂层的叶片置于电解液内，并对钻头和带热障涂层的叶片进行通电，钻头旋转并上下运动，从而对带热障涂层的叶片上的钻孔进行电解处理。

进一步的，通过钻头打孔并结合后处理，得到小锥度、高深径比的叶片气膜孔。

进一步的，钻头中心处开设有通孔，石英棒内嵌于钻头开设的通孔内，对石英棒外圆周进行镀膜处理，使得激光束在石英棒内部产生全反射，从而辐照到带热障涂层的叶片实现激光辅助钻孔。

进一步的，待加工工件为带热障涂层的高温合金叶片。

进一步的，电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为25％～40％，电解液内部悬浮的微小磨粒为绝缘高硬微磨粒，粒度号范围为W1.0～W5。

一种对叶片进行钻孔与后处理的复合加工方法的加工装置，包括光路系统、传动系统、运动控制系统、钻削加工系统、电解加工系统和电解液循环过滤系统；所述光路系统包括激光器、光纤、光学透镜单元和石英棒；所述激光器和光纤连接，通过光学透镜单元将激光以平行光束输入钻头内嵌的石英棒中，激光在石英棒内全反射最终辐照到待加工叶片上；所述传动系统包括电动机、联轴器、轴承I、主动轴、皮带轮、皮带、空心从动轴和轴承II；电动机输出轴通过联轴器和主动轴相连，主动轴上安装有皮带轮，主动轴带动皮带轮转动，通过皮带传动带动从动轴转动；所述运动控制系统包括Z方向移动平台、XY方向移动平台；所述钻削加工系统包括从动轴、法兰、钻头夹持器和钻头；从动轴和钻头夹持器通过法兰连接在一起，钻头安装在钻头夹持器上并夹紧，从动轴转动带动钻头旋转加工；所述电解加工系统包括直流脉冲电源、导电滑环、阳极叶片和阴极钻头；所述直流脉冲电源正极和叶片下表面相连，负极和钻头通过导电滑环相连；所述导电滑环连接直流脉冲电源负极，并且使钻头在旋转状态下保持通电，同时避免导线缠绕；所述电解液循环过滤系统包括球阀Ⅰ、输液管、输液泵、电解液槽、过滤器、溢流阀、球阀Ⅱ和回液管，絮状电解产物可被过滤器过滤；电解液中悬浮有微磨粒；电解液槽中的电解液依次经过过滤器、输液泵和球阀I沿输液管进入加工槽；加工结束后，电解液可经过球阀II从回液管回到电解液槽；溢流调压阀设于球阀I和电解液槽之间，用于调节输液管输液速度。

进一步的，所述入射激光束、钻头、石英棒、从动轴和主动轴相对位置始终固定，复合传动箱可沿Z轴方向移动。

进一步的，所述电源为直流脉冲电源，并配有电压表、电流表实时监测。

进一步的，所述钻头内嵌涂有低折射率涂层的石英棒。

进一步的，所述激光器为脉冲激光或者连续激光，通过调节激光输出能量，实现对待加工叶片软化。

有益效果：

(1)针对带热障涂层航空发动机叶片气膜孔加工问题，本发明提出将表面镀膜处理后的石英棒内嵌于钻头中，使激光束在石英棒内部产生全反射，进而辐照于待加工材料表面，产生局域高温区域，软化钻头接触位置附近材料，大幅降低钻孔难度，提高钻孔效率，改善钻孔质量。

(2)钻通后，以钻头为阴极、叶片材料为阳极，钻头高速旋转并上下运动，对气膜孔金属部分进行电解后处理，消除孔壁残余应力、微裂纹、热损伤区域；同时，电解液中悬浮有微小磨粒，在高速旋转的钻头带动下，对孔壁产生微小冲击划擦，产生研磨抛光效果，进一步提高内气膜孔整体内壁质量。

(3)本发明方法简单易行，激光传输不受周围环境影响，环境适应性强，无需多次对刀，解决了常规电加工方法无法加工热障涂层，以及激光加工单晶合金效率低、易产生热损伤等缺点。

(4)热障涂层与高温合金基体硬度随温度升高而降低，通过激光辅助加工大幅降低了钻孔难度，提高了打孔效率与质量，同时，采用钻头打孔，并通过对气膜孔中金属基体部分电解后处理、对整体气膜孔微磨粒冲击抛光后处理，大幅的提高了气膜孔内壁质量，从而实现了小锥度、高深径比气膜孔的加工。

附图说明

图1为根据本发明实施例涉及到的带热障涂层叶片气膜孔复合加工方法系统示意图；

图2为本发明的带内嵌石英棒的钻头示意图。

附图标记：

1-激光器；2-光纤；3-光学透镜单元；4-电机；5-联轴器；6-轴承Ⅰ；7-主动轴；8-皮带轮；9-皮带；10-电流表；11-电压表；12-直流脉冲电源；13-复合传动箱；14-加工槽；15-液压表；16-球阀Ⅰ；17-输液管；18-输液泵；19-过滤器；20-微磨粒悬浮电解液槽；21-溢流阀；22-球阀Ⅱ；23-回液管；24-绝缘夹具；25-待加工叶片；26-XY移动动作台；27-电解液；28-钻头；29-导电滑环；30-钻头夹持器；31-法兰；32-从动轴；33-轴承Ⅱ；34-Z移动平台；100-石英棒；101-低折射率光固化涂层；102-副切削刃；103-后刀面；104-前刀面；105-主切削刃；106-螺旋槽；107-入射光束；108-出射光束。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

实施例1：本实例为一种对带热障涂层的高温合金叶片进行激光辅助钻孔与电解、抛光后处理的复合加工方法，对石英棒外表面进行镀膜处理，并内嵌于钻头中，使激光束在石英棒内部产生全反射，进而辐照于待加工材料表面，产生局域高温区域，软化钻头接触位置附近材料，大幅降低钻孔难度，提高钻孔效率，改善钻孔质量。钻通后，以钻头为阴极、叶片材料为阳极，钻头高速旋转并上下运动，对气膜孔金属部分进行电解后处理，消除孔壁残余应力、微裂纹、热损伤区域；同时，电解液中悬浮有微小磨粒，在高速旋转的钻头带动下，对孔壁产生微小冲击划擦，产生研磨抛光效果，进一步提高内气膜孔整体内壁质量。

激光器发出的光束通过光纤引入复合传动箱，穿过空心从动轴进入钻头同轴内嵌的石英棒中，并在石英棒内实现全反射，最终到达材料表面，软化材料，实现激光加热辅助钻孔。加工出通孔后，高温合金与直流脉冲电源的正极相接，直流脉冲电源的负极与钻头通过导电滑环相接，进行电解后处理；同时，旋转钻头产生高速液流，带动悬浮微粒对气膜孔内壁进行微冲击，产生类研磨抛光效果，进一步提高加工质量。电解过程中，钻头高速旋转，同时上下往复运动，强化流场运动、促进传质、均匀减材，确保后处理质量。由于激光束耦合于固体石英棒中，不受外部环境影响，待加工材料可全程浸没于悬浮有微磨粒的电解液中。

所述方法中，激光束质量不受外部加工环境影响，可在粉尘、油烟、电磁、液下等恶劣环境中实现稳定加工。

电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为25％～40％，其内部悬浮有绝缘高硬微磨粒，粒度号范围为W1.0-W5。

实施例2：将表面镀膜处理的石英棒同轴内嵌于钻头内，利用激光在石英棒内的低吸收与全反射，将激光能量均匀辐照于待加工表面，软化材料，提高钻孔效率与质量，并依靠电解与微粒冲击划擦进一步提高气膜孔质量。该加工方法分为两步，首先，通过激光加热辅助钻孔，在热障涂层、高温合金基体上快速钻出所需尺寸气膜孔；其次，将高速旋转的钻头作为阴极，叶片作为阳极，钻头上下运动，对金属基体部分气膜孔进行在线电解后处理，消除钻孔过程中的残余应力、热影响区等缺陷；同时，电解液中悬浮有微小磨粒，在高速旋转的钻头带动下，对孔壁进行微小冲击划擦，产生类研磨抛光效果，进一步提高包括热障涂层在内的气膜孔整体内壁质量。本方法简单易行，激光传输不受周围环境影响，环境适应性强，无需多次对刀，解决了常规电加工方法无法加工热障涂层，以及激光加工单晶合金效率低、易产生热损伤等缺点。

一种对带热障涂层的高温合金叶片进行激光辅助钻孔与电解、抛光后处理的复合加工装置，包括光路系统、传动系统、运动控制系统、钻削加工系统、电解加工系统、电解液循环过滤系统。

光路系统包括激光器1、光纤2、光学透镜单元3和石英棒100，激光器1和光纤2连接通过光学透镜单元3将激光以平行光束输出到达钻头28中的石英棒100，激光在石英棒内全反射最终辐照到待加工叶片25的热障涂层上；所述激光器1为脉冲激光或连续激光，通过调节激光输出能量，稳定实现材料软化。

传动系统包括电动机4、联轴器5、轴承I6、主动轴7、皮带轮8、皮带9、空心从动轴32和轴承II33，电动机输出轴通过联轴器5和主动轴7相连，主动轴7上安装有皮带轮8，主动轴带动皮带轮转动，通过皮带9传动带动从动轴32转动。

入射激光束107、钻头28、石英棒100、从动轴32和主动轴7相对位置始终固定，作为一个复合传动箱13，可沿Z轴方向移动，并对外封闭，不受外部环境影响，适用于恶劣加工条件，工件25及加工槽14可在XY移动平台26带动下沿X，Y方向运动。

钻削加工系统包括从动轴32、法兰31、钻头夹持器30和钻头28，从动轴32和钻头夹持器30由法兰31连接在一起，钻头28安装在钻头夹持器30上并夹紧，从动轴32转动带动钻头28旋转加工。

电解加工系统包括直流脉冲电源12、电流表10、电压表11、导电滑环29、阳极工件25和阴极钻头28，直流脉冲电源12正极和待加工叶片25下表面相连，负极和钻头28通过导电滑环29相连，所述导电滑环29连接直流脉冲电源负极，并且使钻头在旋转状态下保持通电，同时避免导线缠绕。

电解液循环过滤系统包括球阀Ⅰ16、输液管17、输液泵18、电解液槽20、过滤器19、溢流阀21、球阀Ⅱ22和回液管23，絮状电解产物可被过滤器19过滤，电解液27中悬浮有微磨粒，且微磨粒不受过滤器影响；电解液槽20中的电解液依次经过过滤器19、输液泵18和球阀I16沿输液管17进入加工槽14；加工结束后，电解液可经过球阀II22从回液管23回到电解液槽20；溢流调压阀21设于球阀I16和电解液槽20之间，用于调节输液管输液速度。所述钻头28中空，并且钻头中间内嵌涂有低折射率固化涂层101的石英棒100。

工作过程：

步骤一，上下调节复合传动箱13位置，使得钻头28处在合适的高度，再通过调节XY移动平台26，将工件25移动到水平面内合适的加工位置；

步骤二，确认管道流畅、球阀阀门位置正确无误后，开启输液泵18，则电解液依次流过过滤器19、输液泵18、球阀Ⅰ16，通过输液管17进入加工槽14，当加工槽14内电解液液面完全浸没待加工叶片工件后，关闭输液泵18；

步骤三，电动机4通过联轴器5带动主动轴7转动，主动轴7再通过皮带轮8传动带动从动轴32转动，从动轴32通过法兰31、钻头夹持器30最终带动钻头28转动；

步骤四，打开激光器1开关，激光通过光纤2到达光学透镜单元3，输出平行光束，并穿过空心从动轴32、法兰31和钻头夹持器30进入钻头28中间的镀有低反射率涂层的石英棒100中，激光在石英棒100内实现全反射最后从钻头28顶端辐照在高温合金25表面；

步骤五，通过运动控制系统使钻头28以恒定速度向下进给，开始激光辅助钻削加工；

步骤六，加工出通孔后，关闭激光器1，接通直流脉冲电源12，高温合金25与直流脉冲电源12的正极相接，直流脉冲电源12的负极与钻头28通过导电滑环29相接，钻头28高速旋转，同时上下往复运动，进行电解后处理；同时，旋转钻头产生高速液流，带动悬浮微粒对气膜孔内壁进行微冲击，产生研磨抛光效果，进一步提高加工质量。

步骤七，加工过程结束后，关闭直流脉冲电源12。

本发明中，激光辐照待加工工件热障涂层，热障涂层与高温合金基体硬度随温度升高而降低，大幅降低钻孔难度，提高打孔效率与质量，同时，采用钻头打孔，提高了加工尺寸稳定性，可实现小锥度、高深径比气膜孔加工。

由于激光束内置于钻头内部固体石英棒中，激光束质量不受外部加工环境影响，可在粉尘、油烟、电磁、液下等恶劣环境中实现稳定加工。

通过对气膜孔中叶片金属基体部分电解后处理、对整体气膜孔微磨粒冲击抛光后处理，可大幅提高气膜孔内壁质量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，包括如下步骤：对带热障涂层的叶片进行激光辅助钻孔，然后对激光辅助钻孔后的带热障涂层的叶片进行后处理，后处理具体包括：钻头作为阴极，工件作为阳极，将带热障涂层的叶片置于电解液内，并对钻头和带热障涂层的叶片进行通电，钻头旋转并上下运动，从而对带热障涂层的叶片上的钻孔进行电解处理。

2.根据权利要求1所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，通过钻头打孔并结合后处理，得到小锥度、高深径比的叶片气膜孔。

3.根据权利要求1所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，电解液内含有微小磨粒，在钻头的带动下，可对孔壁产生微小冲击的划擦。

4.根据权利要求1所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，钻头中心处开设有通孔，石英棒内嵌于钻头开设的通孔内，对石英棒外圆周进行镀膜处理，使得激光束在石英棒内部产生全反射，从而辐照到带热障涂层的叶片实现激光辅助钻孔。

5.根据权利要求3所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，电解液为高浓度中性盐水溶液，质量分数为25％～40％，电解液内部悬浮的微小磨粒为绝缘高硬微磨粒，粒度号范围为W1.0～W5。

6.根据权利要求1所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法，其特征在于，带热障涂层的叶片为高温合金叶片。

7.一种叶片气膜孔的复合加工方法的加工装置，其特征在于，包括光路系统、传动系统、运动控制系统、钻削加工系统、电解加工系统和电解液循环过滤系统；所述光路系统包括激光器(1)、光纤(2)、光学透镜单元(3)和石英棒(100)；所述激光器(1)和光纤(2)连接，通过光学透镜单元(3)将激光以平行光束输入钻头(28)内嵌的石英棒(100)中，激光在石英棒(100)内全反射最终辐照到待加工叶片(25)上；所述传动系统包括电动机(4)、联轴器(5)、轴承I(6)、主动轴(7)、皮带轮(8)、皮带(9)、空心从动轴(32)和轴承II(33)；电动机输出轴通过联轴器(5)和主动轴(7)相连，主动轴(7)上安装有皮带轮(8)，主动轴带动皮带轮(8)转动，通过皮带(9)传动带动从动轴(32)转动；所述运动控制系统包括Z方向移动平台(34)、XY方向移动平台(26)；所述钻削加工系统包括从动轴(32)、法兰(31)、钻头夹持器(30)和钻头(28)；从动轴(32)和钻头夹持器(30)通过法兰(31)连接在一起，钻头(28)安装在钻头夹持器(30)上并夹紧，从动轴(32)转动带动钻头(28)旋转加工；所述电解加工系统包括直流脉冲电源(12)、导电滑环(29)、阳极叶片(25)和阴极钻头(28)；所述直流脉冲电源(12)正极和叶片下表面相连，负极和钻头(28)通过导电滑环(29)相连；所述导电滑环(29)连接直流脉冲电源负极，并且使钻头(28)在旋转状态下保持通电，同时避免导线缠绕；所述电解液循环过滤系统包括球阀Ⅰ(16)、输液管(17)、输液泵(18)、电解液槽(20)、过滤器(19)、溢流阀(21)、球阀Ⅱ(22)和回液管(23)，絮状电解产物可被过滤器(19)过滤；电解液(27)中悬浮有微磨粒；电解液槽(20)中的电解液依次经过过滤器(19)、输液泵(18)和球阀I(16)沿输液管(17)进入加工槽(14)；加工结束后，电解液可经过球阀II(22)从回液管(23)回到电解液槽(20)；溢流调压阀(21)设于球阀I(16)和电解液槽(20)之间，用于调节输液管输液速度。

8.权利要求7所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法的加工装置，其特征在于，所述入射激光束(107)、钻头(28)、石英棒(100)、从动轴(32)和主动轴(7)相对位置始终固定，复合传动箱(13)可沿Z轴方向移动。

9.权利要求7所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法的加工装置，其特征在于，所述电源为直流脉冲电源(12)，并配有电压表(11)、电流表(10)实时监测；所述激光器(1)为脉冲激光或者连续激光，通过调节激光输出能量，实现对待加工叶片(25)软化。

10.权利要求7所述的一种叶片气膜孔的复合加工方法的加工装置，其特征在于，所述钻头(28)内嵌涂有低折射率光固化涂层(101)的石英棒(100)。

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