CN113042839B - 电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法 - Google Patents

电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法，涉及气膜孔加工技术领域，本发明提供的电极头，包括：基体和覆盖于基体外表面的镀层；镀层相对于基体的热传导相对系数小于1。在本发明提供的电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法中，具有镀层的电极头能够在孔壁表面形成较薄的重铸层，从而降低气膜孔内壁产生裂纹的概率。即使采用较大脉冲能量为电极头供能，仍然可以形成较薄的重铸层，提高了气膜孔的加工效率。

Description

电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法
技术领域
本发明涉及气膜孔加工技术领域，尤其是涉及一种电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法。
背景技术
航空发动机的叶片采用冷却气体从相对叶片壁面倾斜一定角度的气膜孔喷出，气体在叶片外表面形成一层气膜，从而将高温燃气与叶片表面隔离，起到降低叶片外表面温度并保护叶片的作用。
由于气膜孔在高温高压环境下工作，表面质量要求很高。气膜孔的表面微裂纹直接影响叶片的疲劳寿命，严重威胁高空作业的飞机安全，因此气膜孔的孔壁要求没有裂纹。气膜孔通常采用电火花加工，由于电火花加工的热效应，工件放电凹坑中的部分熔化金属未抛出，重新凝固在孔壁形成重铸层。电火花加工表面微裂纹的数量和重铸层的厚度有直接的关系，重铸层越厚，微裂纹出现的概率越大。
加工气膜孔的过程中，采用小脉冲能量虽然有助于减小重铸层厚度，但也将导致电火花加工效率降低，难以满足数量较多的气膜孔加工需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电极头、电极头加工方法及气膜孔加工方法，以降低电火花加工所产生的重铸层厚度。
第一方面，本发明提供的电极头，包括：基体和覆盖于所述基体外表面的镀层；
所述镀层相对于所述基体的热传导相对系数小于1；
所述热传导相对系数采用以下公式计算：
Figure BDA0002996385100000021
其中，μ为所述镀层的热传导相对系数，λe1为所述镀层的热传导系数，Tre1为所述镀层的熔点，λe0为所述基体的热传导系数，Tre0为所述基体的熔点。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述镀层相对于所述基体的汽化相对系数小于1；
所述汽化相对系数采用以下公式计算：
Figure BDA0002996385100000022
其中，ε为所述镀层的汽化相对系数，Tfe1为所述镀层的沸点，Ce1为所述镀层的比热容，Tfe0为所述基体的沸点，Ce0为所述基体的比热容。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述镀层采用锌、钛、铅或锡材质。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述基体采用黄铜或紫铜材质。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基体设有导流孔。
第二方面，本发明提供的电极头加工方法，包括以下步骤：
将镀层涂覆于基体的外表面；
所述镀层相对于所述基体的热传导相对系数小于1。
第三方面，本发明提供的气膜孔加工方法，采用上述电极头，且包括以下步骤：
将所述电极头和工件中的其一与电源的正极连接，将所述电极头和所述工件中的另一与所述电源的负极连接；
采用所述电极头与所述工件之间的电火花在所述工件上加工气膜孔。
结合第三方面，本发明提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电极头与所述工件之间的电压为60V～200V。
结合第三方面，本发明提供了第三方面的第二种可能的实施方式，其中，所述电极头的通电电流为10A～40A。
结合第三方面，本发明提供了第三方面的第三种可能的实施方式，其中，所述气膜孔加工方法还包括：将工作液通入基体的导流孔，并使自所述导流孔排出的工作液冲击进入所述工件的盲孔中。
本发明实施例带来了以下有益效果：采用镀层覆盖于基体的外表面，镀层相对于基体的热传导相对系数小于1，镀层能够在孔壁表面形成较薄的重铸层，从而降低气膜孔内壁产生裂纹的概率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明实施例提供的电极头和工件的示意图；
图2为本发明实施例提供的气膜孔加工方法中重铸层厚度与镀层厚度关系示意图；
图3为各材料的热传导相对系数示意图；
图4为各材料的汽化相对系数示意图；
图5为本发明实施例提供的电极头加工形成盲孔的示意图；
图6为本发明实施例提供的电极头加工气膜孔的示意图；
图7为本发明实施例提供的电极头的电镀加工示意图；
图8为本发明实施例提供的电极头的化学镀加工示意图。
图标：100－基体；101－导流孔；200－镀层；300－工件；301－盲孔；302－重铸层；400－阳极材料；500－堵头；600－电镀液；700－化学镀溶液。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。公式中的物理量，如无单独标注，应理解为国际单位制基本单位的基本量，或者，由基本量通过乘、除、微分或积分等数学运算导出的导出量。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的电极头，包括：基体100和覆盖于基体100外表面的镀层200；
镀层200相对于基体100的热传导相对系数小于1；
热传导相对系数采用以下公式计算：
Figure BDA0002996385100000051
其中，μ为镀层200的热传导相对系数，λe1为镀层200的热传导系数，Tre1为镀层200的熔点，λe0为基体100的热传导系数，Tre0为基体100的熔点。
具体的，基体100可采用具备较强延展性和抗拉强度的铜制材料，以便将基体100加工形成中空的杆状物。镀层200覆盖在基体100外表面，可以避免因镀层200的材质延展性和抗拉强度不佳而导致电极头的中空结构难以加工的问题。镀层200相对于基体100的热传导相对系数小于1，由此经过镀层200传递至基体100的热量更少，进而增加分配在工件300上的受热，减少了气膜孔内部金属末的熔化量，进而减薄因金属末熔化并重新凝固所形成的重铸层。采用本发明实施例提供的电极头进行电火花加工，可以减薄重铸层厚度，进而避免因重铸层过厚而导致气膜孔内壁产生裂纹几率增大的问题。
如图1和图3所示，采用热传导相对系数不同的多种金属作为镀层200进行试验，其中，锌、钛、锡和铅等热传导相对系数小于黄铜的热传导相对系数，采用热传导相对系数小于黄铜的热传导相对系数的金属作为镀层200有利于减薄重铸层。镀层200相对于基体100的热传导相对系数越小，气膜孔的重铸层厚度越小，因此，可选用热传导相对系数小于0.2的材料作为镀层200。
如图1和图4所示，在本发明实施例中，镀层200相对于基体100的汽化相对系数小于1；
汽化相对系数采用以下公式计算：
Figure BDA0002996385100000061
其中，ε为镀层200的汽化相对系数，Tfe1为镀层200的沸点，Ce1为镀层200的比热容，Tfe0为基体100的沸点，Ce0为基体100的比热容。
经试验，镀层200相对于基体100的热传导相对系数越小，重铸层的厚度越小。在镀层200相对于基体100的热传导相对系数趋近于1时，通过优化镀层200相对于基体100的汽化相对系数，可以获得较薄的重铸层。镀层200相对于基体100的汽化相对系数越小，可以提高气膜孔内部金属的气化量，进而使气膜孔内的重铸层厚度越小。
镀层200相对于基体100的汽化相对系数小于0.3。
采用金、银、钨、铝、锡、镍、铬、锌、铅和钛等金属作为镀层200的材料进行试验，最终汽化相对系数较小的金属材质作为镀层200，可获得较薄的重铸层。本实施例提供的电极头可选用锌、铬、铅或钛等汽化相对系数小于0.3的材质覆盖在基体100的表面以形成镀层200。
如图1、图3和图4所示，镀层200采用锌、钛、铅或锡材质。
具体的，结合各材质作为镀层200的材料所制成电极头的性能以及镀层200生产成本，选用锌、钛、铅或锡作为镀层200的材料，相较于铜制电极头可显著降低重铸层的厚度。
进一步的，基体100采用黄铜或紫铜材质。
具体的，电极头可加工形成500～800的径长比，采用黄铜或紫铜材质作为基体100的材料，可以满足冷拉拔加工对材料的延展性和抗拉强度要求。
如图1所示，基体100设有导流孔101。
其中，导流孔101沿基体100的延伸方向延伸，加工时，将工作液通入导流孔101，从而工作液可沿导流孔101流动至电极头和工件300之间，工作液流速可配置为20m/s，并设置压力为3MPa，通过工作液将工件300表面凹坑中抛出的金属末带走，避免加工产物堆积降低加工效率。
进一步的，电极头的直径为0.2mm～0.8mm。其中，镀层200的外直径可根据所需加工的气膜孔直径进行配置，例如：镀层200的外直径可设置为0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.6mm或0.7mm。
如图1和图2所示，镀层200的厚度大于等于4μm。
随镀层200的厚度增大，重铸层的厚度减小，尤其在脉冲能量较大时，通过增加镀层200的厚度降低重铸层厚度的效果更加明显。
实施例二
如图1所示，本发明实施例提供的电极头加工方法，包括以下步骤：
将镀层200涂覆于基体100的外表面；
镀层200相对于基体100的热传导相对系数小于1。
如图1和图7所示，在一种实施方式中采用电镀方式加工电极头，基体100的两端分别安装有堵头500，通过堵头500封堵导流孔101，从而避免电镀液600进入导流孔101中。基体100和阳极材料400皆浸入电镀液600中，阳极材料400可采用锌电极，电镀液600采用ZnCl2或KCl溶液，电镀参数为：直流电源电流密度1.5A/dm2。
如图1和图8所示，在另一种实施方式中采用化学镀方式加工电极头，基体100采用紫铜经冷拉拔制作而成，化学镀溶液700采用NaOH、ZnO和NaNO3溶液，采用化学镀方式将锌镀在基体100的外表面。
实施例三
如图1、图2、图5和图6所示，本发明实施例提供的气膜孔加工方法采用实施例一提供的电极头，且包括以下步骤：
将电极头和工件300中的其一与电源的正极连接，将电极头和工件300中的另一与电源的负极连接；
采用电极头与工件300之间的电火花在工件300上加工气膜孔。
本实施例提供的气膜孔加工方法具备上述电极头的技术效果，有利于降低气膜孔内部的重铸层厚度，尤其适用于航空发动机的叶片加工，可以通过降低重铸层厚度降低气膜孔内壁产生裂痕的几率，进而延长叶片的使用寿命。
在耐高温合金Inconel 738材料加工形成的工件300上采用气膜孔加工方法加工气膜孔，工件300的厚度为5mm，镀层200的厚度为11.5μm，脉冲能量为：加工电压90V、脉宽32μs、脉间64μs、峰值电流19.5A，工作液采用去离子水，且工作液的压力为3MPa，进而可以得到厚度为10.8μm的重铸层，加工效率为15.3mm/min，无需采用小脉冲能量为电极头供能以减小重铸层厚度，在使用较大脉冲能量加工气膜孔时，仍可获得较薄的重铸层，可以提高气膜孔的加工效率。
当镀层200的厚度为4μm时，加工电压采用90V，脉宽24μs，脉间48μs，峰值电流18.5A，工作液采用去离子水、内冲液压力为3MPa，得到气膜孔的侧壁重铸层厚度为11.23μm，加工效率为2.73mm/min。
采用上述电极头进行电火花加工气膜孔时，随能量脉冲增大，气膜孔内重铸层厚度降低的效果愈加明显。其中，电极头与工件300之间的电压可配置为60V～200V，电极头的通电电流可设置为10A～40A。脉宽与脉间的时长比例可选用16μs：40μs或者32μs：64μs。
进一步的，气膜孔加工方法还包括：将工作液通入基体100的导流孔101，并使自导流孔101排出的工作液冲击进入工件300的盲孔301中。
需要说明的是，镀层200的材料的选择主要考虑热传导相对系数和汽化相对系数。在电极头、工件300和工作液的能量分配视为具有固定比例的条件下，提高工件放电凹坑吸收热量需要降低电极热传导比例，在气膜孔加工方法中，可通过选用具有较低热传导相对系数的材料作为镀层200，从而降低放电凹坑吸收热量，进而减小气膜孔中重铸层的厚度。此外，电极放电凹坑内的汽化体积受材料的沸点、熔点和比热容影响，增大沸点可提高气泡汽化压力，进而减小重铸层生成厚度，因此，在气膜孔加工方法中，可通过选用具有较低汽化相对系数的材料作为镀层200，从而减小气膜孔中重铸层302的厚度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种电极头，其特征在于，包括：基体(100)和覆盖于所述基体(100)外表面的镀层(200)；
所述镀层(200)相对于所述基体(100)的热传导相对系数小于1；
所述热传导相对系数采用以下公式计算：
Figure FDA0003530745500000011
其中，μ为所述镀层(200)的热传导相对系数，λe1为所述镀层(200)的热传导系数，Tre1为所述镀层(200)的熔点，λe0为所述基体(100)的热传导系数，Tre0为所述基体(100)的熔点；
所述镀层(200)相对于所述基体(100)的汽化相对系数小于1；
所述汽化相对系数采用以下公式计算：
Figure FDA0003530745500000012
其中，ε为所述镀层(200)的汽化相对系数，Tfe1为所述镀层(200)的沸点，Ce1为所述镀层(200)的比热容，Tfe0为所述基体(100)的沸点，Ce0为所述基体(100)的比热容。
2.根据权利要求1所述的电极头，其特征在于，所述镀层(200)采用锌、钛、铅或锡材质。
3.根据权利要求1所述的电极头，其特征在于，所述基体(100)采用黄铜或紫铜材质。
4.根据权利要求1或3所述的电极头，其特征在于，所述基体(100)设有导流孔(101)，所述导流孔(101)与所述基体(100)同轴。
5.一种电极头加工方法，其特征在于，所述电极头加工方法包括以下步骤：
将镀层(200)涂覆于基体(100)的外表面；
所述镀层(200)相对于所述基体(100)的热传导相对系数小于1，且所述镀层(200)相对于所述基体(100)的汽化相对系数小于1。
6.一种气膜孔加工方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的电极头，且包括以下步骤：
将所述电极头和工件(300)中的其一与电源的正极连接，将所述电极头和所述工件(300)中的另一与所述电源的负极连接；
采用所述电极头与所述工件(300)之间的电火花在所述工件(300)上加工气膜孔。
7.根据权利要求6所述的气膜孔加工方法，其特征在于，所述电极头与所述工件(300)之间的电压为60V～200V。
8.根据权利要求6所述的气膜孔加工方法，其特征在于，所述电极头的通电电流为10A～40A。
9.根据权利要求6所述的气膜孔加工方法，其特征在于，还包括：将工作液通入基体(100)的导流孔(101)，并使自所述导流孔(101)排出的工作液冲击进入所述工件(300)的盲孔(301)中。
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