CN113146074A - 一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，属于航空发动机涡轮叶片加工技术领域。本加工方法包括以下步骤：在设计图上建立平面坐标系(x，y)，获得气膜孔坐标数据；根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种类气膜孔，确定每一个种类气膜孔的加工激光偏转角；向涡轮叶片中充填填充物，并安装在夹具上固定；根据得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。本加工方法能够对带有热障涂层单晶高温合金涡轮叶片进行气膜孔的制备。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片加工技术领域，具体涉及一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法。
背景技术
气膜孔是用于有效降低涡轮叶片上热量的结构，用于保证涡轮叶片的稳定运行。
目前，涡轮叶片上的气膜孔的加工方法主要采用电火花或电液束等。常规的电火花方法和电液束方法无法加工非导电陶瓷热障涂层。
因此需要采用新的加工方法来在非导电陶瓷热障涂层上加工出气膜孔。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，能够对带有热障涂层单晶高温合金涡轮叶片进行气膜孔的制备。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，包括以下步骤：
S1、在设计图上建立平面坐标系(x，y)，获得气膜孔坐标数据；
S2、根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种孔径气膜孔，根据所述多种孔径气膜孔确定每一种孔径气膜孔的加工激光偏转角；
S3、向空心涡轮叶片中充填填充物，并安装在夹具上固定；
S4、根据步骤S1得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。
本发明的有益效果是：(1)通过本加工方法能够对带有热障涂层单晶高温合金涡轮叶片进行气膜孔加工，加工效果好，能够得到永久性结构损伤；
(2)采用激光法加工气膜孔，打孔精度高、通用性强、经济效益显著，有利于推广使用；
(3)本方法在加工时将产生的粉尘快速去除，保证了打孔效果和打孔效率；
(4)本方法填补了关于带涂层复杂空心涡轮叶片气膜孔加工的空白，保证产品质量的稳定性。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，在步骤S1中，所述获得气膜孔坐标数据具体为，在待加工涡轮叶片上选取六个位置，根据所述平面坐标系(x，y)确定六个位置的定位坐标，以所述定位坐标确定所述气膜孔坐标数据。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于获得每个需要加工的气膜孔的坐标。
进一步，所述六个位置的连线成六角形。
采用上述进一步方案的有益效果是：定位更准确。
进一步，在步骤S2中，所述气膜孔的孔径为φ0.33-φ0.46。
采用上述进一步方案的有益效果是：覆盖气膜孔的孔径范围广，适用多孔径的气膜孔加工。
进一步，在步骤S2中，所述加工激光偏转角为3.3°-6.7°。
采用上述进一步方案的有益效果是：与气膜孔的孔径适配，效果更好。
进一步，在步骤S3中，所述填充物为塑料条。
采用上述进一步方案的有益效果是：能够对涡轮叶片内腔填充保护，避免损伤内壁。
进一步，在步骤S4中，所述吹气排渣采用同轴吹气气嘴和旁轴吹气气嘴同时吹气，所述同轴吹气气嘴与激光束输出端同轴设置，所述旁轴吹气气嘴位于所述同轴吹气气嘴的一侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：排渣效果更好。
进一步，在步骤S4中，所述旁轴吹气气嘴的输出端距离加工的涡轮叶片的表面的距离为5～7mm。
采用上述进一步方案的有益效果是：排渣效果更好。
进一步，在步骤S4中，所述旁轴吹气气嘴相对所述同轴吹气气嘴的轴线倾斜设置，所述旁轴吹气气嘴的轴线与所述同轴吹气气嘴的轴线的夹角为20°-25°。
采用上述进一步方案的有益效果是：排渣效果更好。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，包括以下步骤：
S1、在设计图上建立平面坐标系(x，y)，在待加工涡轮叶片上选取六个位置，根据所述平面坐标系(x，y)确定六个位置的定位坐标，以所述定位坐标确定所述气膜孔坐标数据，获得气膜孔坐标数据。其中，所述六个位置的连线成六角形，分布在待加工涡轮叶片上的各个位置，分布均匀，从而利于定位。其中，可以将设计图导热到UG造型提取出气膜孔的坐标数据。
S2、根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种孔径气膜孔，根据所述多种孔径气膜孔确定每一种孔径气膜孔的加工激光偏转角。其中，所述气膜孔的孔径为φ0.33。其中，所述加工激光偏转角为3.3°。通过确定的气膜孔坐标数据和加工激光偏转角设定激光产生设备的运行程序，使得激光产生设备按照设定程序直接运行。
其中，在加工气膜孔时，激光产生设备带动激光聚焦光斑旋转，而光斑位置由偏移光楔组和位移光楔控制，通过调整偏移光楔组和位移光楔的偏转数值，实现对不同气膜孔的加工。
其中，孔径的大小是由总偏转角乘以系数K得到的，而每个圈区的区圈数和半径角度增量之积就是该圈区的偏转角，所有圈区的偏转角之和再加上起始偏转角就是总偏转角，公式为∑(区圈数×单圈半径角度增量)×K+起始偏转角×K＝孔径，区圈数和单圈半径参数的目的是改变激光在气膜孔每一个截面加工时能量分布的密度，使其尽量均匀，形成气膜孔加工的平底推进式加工，同时可以作为防止因激光能量分布不均造成局部穿透伤壁。
S3、向空心涡轮叶片中充填塑料条填充物，并安装在夹具上固定。由于涡轮叶片的内腔空心体积较小，通过激光加工叶片上的气膜孔时容易产生伤壁，加工时需对内腔进行填充保护。填充物的选择考虑到操作的简易性，效果的可行性等问题，采用塑料条作为对壁保护材料，旨在抵御并吸收部分漏光，减缓对壁损伤问题。
S4、根据步骤S1得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。
其中，所述吹气排渣采用同轴吹气气嘴和旁轴吹气气嘴同时吹气，所述同轴吹气气嘴与激光束输出端同轴设置，所述旁轴吹气气嘴位于所述同轴吹气气嘴的一侧。所述旁轴吹气气嘴的输出端距离加工的涡轮叶片的表面的距离为5mm。所述旁轴吹气气嘴相对所述同轴吹气气嘴的轴线倾斜设置，所述旁轴吹气气嘴的轴线与所述同轴吹气气嘴的轴线的夹角为25°。
涡轮叶片在激光制造气膜孔过程中，排渣能力的强弱直接影响着气膜孔的加工质量，加工中产生的粉尘若不能被及时排出吹散，会聚集在孔内和进口上方，阻挡了光路的传输，使激光加工效果被削弱甚至丧失，这种削弱在深孔加工上尤为明显，因此需要进行辅助吹气排渣，保证激光加工效果。
实施例2
本实施例提供一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，包括以下步骤：
S1、在设计图上建立平面坐标系(x，y)，在待加工涡轮叶片上选取六个位置，根据所述平面坐标系(x，y)确定六个位置的定位坐标，以所述定位坐标确定所述气膜孔坐标数据，获得气膜孔坐标数据。其中，所述六个位置的连线成六角形，分布在待加工涡轮叶片上的各个位置，分布均匀，从而利于定位。其中，可以将设计图导热到UG造型提取出气膜孔的坐标数据。
S2、根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种孔径气膜孔，确定每一种孔径气膜孔的加工激光偏转角。其中，所述气膜孔的孔径为φ0.36。其中，所述加工激光偏转角为4°。通过确定的气膜孔坐标数据和加工激光偏转角设定激光产生设备的运行程序，使得激光产生设备按照设定程序直接运行。
其中，在加工气膜孔时，激光产生设备带动激光聚焦光斑旋转，而光斑位置由偏移光楔组和位移光楔控制，通过调整偏移光楔组和位移光楔的偏转数值，实现对不同气膜孔的加工。
其中，孔径的大小是由总偏转角乘以系数K得到的，而每个圈区的区圈数和半径角度增量之积就是该圈区的偏转角，所有圈区的偏转角之和再加上起始偏转角就是总偏转角，公式为∑(区圈数×单圈半径角度增量)×K+起始偏转角×K＝孔径，区圈数和单圈半径参数的目的是改变激光在气膜孔每一个截面加工时能量分布的密度，使其尽量均匀，形成气膜孔加工的平底推进式加工，同时可以作为防止因激光能量分布不均造成局部穿透伤壁。
S3、向空心涡轮叶片中充填塑料条填充物，并安装在夹具上固定。由于涡轮叶片的内腔空心体积较小，通过激光加工叶片上的气膜孔时容易产生伤壁，加工时需对内腔进行填充保护。填充物的选择考虑到操作的简易性，效果的可行性等问题，采用塑料条作为对壁保护材料，旨在抵御并吸收部分漏光，减缓对壁损伤问题。
S4、根据步骤S1得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。
其中，所述吹气排渣采用同轴吹气气嘴和旁轴吹气气嘴同时吹气，所述同轴吹气气嘴与激光束输出端同轴设置，所述旁轴吹气气嘴位于所述同轴吹气气嘴的一侧。所述旁轴吹气气嘴的输出端距离加工的涡轮叶片的表面的距离为6mm。所述旁轴吹气气嘴相对所述同轴吹气气嘴的轴线倾斜设置，所述旁轴吹气气嘴的轴线与所述同轴吹气气嘴的轴线的夹角为25°。
涡轮叶片在激光制造气膜孔过程中，排渣能力的强弱直接影响着气膜孔的加工质量，加工中产生的粉尘若不能被及时排出吹散，会聚集在孔内和进口上方，阻挡了光路的传输，使激光加工效果被削弱甚至丧失，这种削弱在深孔加工上尤为明显，因此需要进行辅助吹气排渣，保证激光加工效果。
实施例3
本实施例提供一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，包括以下步骤：
S1、在设计图上建立平面坐标系(x，y)，在待加工涡轮叶片上选取六个位置，根据所述平面坐标系(x，y)确定六个位置的定位坐标，以所述定位坐标确定所述气膜孔坐标数据，获得气膜孔坐标数据。其中，所述六个位置的连线成六角形，分布在待加工涡轮叶片上的各个位置，分布均匀，从而利于定位。其中，可以将设计图导热到UG造型提取出气膜孔的坐标数据。
S2、根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种孔径气膜孔，确定每一种孔径气膜孔的加工激光偏转角。其中，所述气膜孔的孔径为φ0.46。其中，所述加工激光偏转角为6.7°。通过确定的气膜孔坐标数据和加工激光偏转角设定激光产生设备的运行程序，使得激光产生设备按照设定程序直接运行。
其中，在加工气膜孔时，激光产生设备带动激光聚焦光斑旋转，而光斑位置由偏移光楔组和位移光楔控制，通过调整偏移光楔组和位移光楔的偏转数值，实现对不同气膜孔的加工。
其中，孔径的大小是由总偏转角乘以系数K得到的，而每个圈区的区圈数和半径角度增量之积就是该圈区的偏转角，所有圈区的偏转角之和再加上起始偏转角就是总偏转角，公式为∑(区圈数×单圈半径角度增量)×K+起始偏转角×K＝孔径，区圈数和单圈半径参数的目的是改变激光在气膜孔每一个截面加工时能量分布的密度，使其尽量均匀，形成气膜孔加工的平底推进式加工，同时可以作为防止因激光能量分布不均造成局部穿透伤壁。
S3、向空心涡轮叶片中充填塑料条填充物，并安装在夹具上固定。由于涡轮叶片的内腔空心体积较小，通过激光加工叶片上的气膜孔时容易产生伤壁，加工时需对内腔进行填充保护。填充物的选择考虑到操作的简易性，效果的可行性等问题，采用塑料条作为对壁保护材料，旨在抵御并吸收部分漏光，减缓对壁损伤问题。
S4、根据步骤S1得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。
其中，所述吹气排渣采用同轴吹气气嘴和旁轴吹气气嘴同时吹气，所述同轴吹气气嘴与激光束输出端同轴设置，所述旁轴吹气气嘴位于所述同轴吹气气嘴的一侧。所述旁轴吹气气嘴的输出端距离加工的涡轮叶片的表面的距离为7mm。所述旁轴吹气气嘴相对所述同轴吹气气嘴的轴线倾斜设置，所述旁轴吹气气嘴的轴线与所述同轴吹气气嘴的轴线的夹角为25°。
涡轮叶片在激光制造气膜孔过程中，排渣能力的强弱直接影响着气膜孔的加工质量，加工中产生的粉尘若不能被及时排出吹散，会聚集在孔内和进口上方，阻挡了光路的传输，使激光加工效果被削弱甚至丧失，这种削弱在深孔加工上尤为明显，因此需要进行辅助吹气排渣，保证激光加工效果。
其中，气膜孔与偏转角的关系如下表所示。
激光制孔水平随着激光技术及智能技术的发展而不断提高。采用超短脉冲激光加工，瞬时可产生极高的峰值功率，足以使任何材料发生电离，使电离后的作用区域内的材料以等离子体的形式去除，得到永久性结构损伤。不同于长脉冲激光与材料作用时热融化的机理，皮秒激光具有很强的电场强度，与材料作用时，可将材料中的自由电子激发掉。同时填补了航空发动机带涂层复杂空心涡轮叶片气膜孔加工工艺，保证产品质量的稳定性。
需要注意的是，本发明中的“包括”意指其除所述成分外，还可以包括其他成分，所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在设计图上建立平面坐标系(x，y)，获得气膜孔坐标数据；
S2、根据设计图确定气膜孔孔径，以气膜孔孔径的大小分类，得到多种孔径气膜孔，根据所述多种孔径气膜孔确定每一种孔径气膜孔的加工激光偏转角；
S3、向空心涡轮叶片中充填填充物，并安装在夹具上固定；
S4、根据步骤S1得到的所述气膜孔坐标数据，按照每一个种类气膜孔采用对应加工激光偏转角进行激光开孔，每开一次孔进行一次吹气排渣，直至开完。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S1中，所述获得气膜孔坐标数据具体为，在待加工涡轮叶片上选取六个位置，根据所述平面坐标系(x，y)确定六个位置的定位坐标，以所述定位坐标确定所述气膜孔坐标数据。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，所述六个位置的连线成六角形。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S2中，所述气膜孔的孔径为φ0.33-φ0.46。
5.根据权利要求4所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S2中，所述加工激光偏转角为3.3°-6.7°。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S3中，所述填充物为塑料条。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S4中，所述吹气排渣采用同轴吹气气嘴和旁轴吹气气嘴同时吹气，所述同轴吹气气嘴与激光束输出端同轴设置，所述旁轴吹气气嘴位于所述同轴吹气气嘴的一侧。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S4中，所述旁轴吹气气嘴的输出端距离加工的涡轮叶片的表面的距离为5～7mm。
9.根据权利要求8所述的涡轮叶片上的气膜孔的加工方法，其特征在于，在步骤S4中，所述旁轴吹气气嘴相对所述同轴吹气气嘴的轴线倾斜设置，所述旁轴吹气气嘴的轴线与所述同轴吹气气嘴的轴线的夹角为20°-25°。
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