CN114192911B - 一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种加工技术领域，涉及一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，包括以下步骤：电火花制孔过程中实时调节脉冲电源输出电压周期，在电压波形中附加预设的频率成分，且随时间进行预设的变化；利用声音传感器采集涡轮叶片和电极之间火花放电产生的声波，对声音信号进行频谱分析，若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值，且随时间进行预设的变化，则判定为贯穿状态；若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值，但没有进行预设的变化，则判定存在干扰；否则判定为非贯穿状态。该涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，解决了涡轮叶片，特别是双层壁叶片电火花制孔的对壁损伤和盲孔问题，提高叶片制孔质量和合格率。

Description

一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，涉及一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方 法。

背景技术

气膜冷却技术是沿零件表面喷射冷却气体形成气膜，使零件表面与高温介 质隔开，从而起到隔热散热的作用，已广泛应用于航空发动机的涡轮叶片，以 保证其在高于叶片材料熔点的环境温度下可靠工作。气膜冷却技术实现的关键 在于气膜孔的加工，由于涡轮叶片采用的铸造高温合金属于难加工材料，且气 膜孔具有孔径小、深径比大、倾角大的特点，目前国内外广泛采用电火花制孔 工艺进行气膜孔的加工。

电火花制孔利用涡轮叶片和电极之间的火花放电对叶片材料进行蚀除，从 而加工出气膜孔。加工过程中电极会发生损耗，使其长度变短，且电极损耗受 多种因素影响，因此无法准确预测加工过程中气膜孔何时贯穿。气膜孔的出口 位于涡轮叶片内腔，若在孔贯穿后没有及时停止加工，会使涡轮叶片内腔出现 对壁损伤，降低叶片的服役寿命，甚至造成叶片报废，因此需要在电火花制孔 过程中实时进行贯穿检测。目前电火花制孔贯穿检测均采用基于电信号、电极 运动以及内冲液压力的检测方法，可有效防止涡轮叶片内部间隙1mm以上部位 的对壁损伤。2020年，本人提出基于声音信号的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测 方法，在理论上验证了利用声音信号进行贯穿检测的可行性。然而，该方法存 在机床运行和厂房环境干扰对检测结果影响较大的问题，可靠性较差，尚不具 备实用性。

随着航空发动机涡轮前温度的不断提升，双层壁作为一种高效的冷却结构， 是新一代航空发动机的重要发展方向。一种双层壁叶片气膜孔结构如图2所示。 其外层壁200上需要加工气膜孔100，气膜孔100出口与内侧壁300距离较近， 某些部位间隙小于1mm。目前的基于电信号、电极运动以及内冲液压力的贯穿 检测方法受电火花加工放电状态和孔形的影响较大，在双层壁叶片的制孔过程 中极易出现漏检和误检，造成对壁损伤和盲孔。例如某型航空发动机双层壁高 压涡轮导向叶片电火花制孔后出现大量对壁损伤，叶片批次性报废，已成为该 型发动机涡轮叶片研制的瓶颈问题。因此，研究一种新型涡轮叶片电火花制孔 的贯穿检测方法，避免对壁损伤和盲孔，提升叶片制孔合格率，是目前涡轮叶 片特种加工领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是：提供一种新型涡轮叶片电火花制孔的贯穿检测方法，避 免对壁损伤和盲孔，提升叶片制孔合格率，特别是针对双层壁高压涡轮导向叶 片的贯穿检测。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，包括以下步骤：

步骤一、电火花制孔过程中实时调节脉冲电源输出电压周期，在电压波形 中附加预设的频率成分，且随时间进行预设的变化；

步骤二、利用声音传感器采集涡轮叶片和电极之间火花放电产生的声波， 对声音信号进行频谱分析，若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值， 且随时间进行预设的变化，则判定为贯穿状态；若检测到预设频率成分的子带 能量超过特定的阈值，但没有进行预设的变化，则判定存在干扰；否则判定为 非贯穿状态。

所述步骤一具体为：

设脉冲电源输出电压的原周期为T0，将加工过程中的每个检测周期t0分 为n个时间段tn，将每个所述时间段tn内输出电压周期调整为 T＝T0+ΔTsin(2πft)，其中f＝f1或f2是所述预设的频率成分，在每个所述时间段tn内保持不变，在每个检测周期t0内进行所述预设的变化，ΔT是所述输出电 压周期的变化幅值。

所述步骤二具体为：

在每个所述时间段tn内分别计算频率范围f1±Δf和f2±Δf内的子带能量SE1和SE2，若在一个所述检测周期t0内每个所述时间段tn均满足SE1+SE2≥SE0， 且同时满足当所述时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当所述时间段内f＝f2时 满足SE1-SE2＜0，则判定为贯穿状态；若在一个所述检测周期t0内每个所述 时间段tn均满足SE1+SE2≥SE0，但不满足当所述时间段内f＝f1时满足SE1-SE2 ＞0，当所述时间段内f＝f2时满足SE1-SE2＜0，则判定存在干扰；否则为判定 非贯穿状态。

所述脉冲电源输出电压周期T、时间段tn、预设的频率成分f1和f2始终应 满足100/tn＜f1＜f2＜0.5/T，且f1、f2与机床运行和厂房环境干扰频段不重合。 若存在环境干扰，则实时调整预设频率f1和f2，消除干扰。

所述脉冲电压的输出波形为方波。

所述声音传感器为心型指向，传感方向指向叶片加工区域，减小其他方向 的干扰。

所述采集涡轮叶片和电极之间火花放电产生的声波包括可听声和超声。

步骤一之前还包括以下步骤：

开始加工后，电极进给一定距离完成气膜孔入口的加工，然后开启贯穿检 测系统；加工气膜孔入口时脉冲电源输出电压周期为恒定值T0。加工距离为目 前常规的经验设置。

步骤二之后还包括以下步骤：

若判定为贯穿状态，电极进给一定距离完成气膜孔出口的加工，然后关闭 脉冲电源，结束该气膜孔的加工。加工距离为目前常规的经验设置。

特别地，所述涡轮叶片为双层壁高压涡轮导向叶片。

本发明的有益效果是：本发明的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，通过 调节脉冲电源的输出电压，间接在火花放电产生的声音信号中附加预设的信息， 通过改变脉冲电源输出电压周期，调节加工过程中火花放电的时长和频次，间 接在火花放电产生的频率成分，通过对该频率成分及其变化情况的检测可准确 判定检测信号是否为火花放电所产生，从而消除机床运行和厂房环境干扰对检 测结果的影响。有效提高基于声音信号的贯穿检测系统的可靠性，解决了涡轮 叶片，特别是双层壁叶片电火花制孔的对壁损伤和盲孔问题，提高叶片制孔质 量和合格率。

附图说明

图1是本发明实施例的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法流程图；

图2是现有的一种典型的双层壁叶片气膜孔结构示意图；

图3是电火花制孔对壁损伤示意图；

图4是本发明一实施例的气膜孔入口加工状态示意图；

图5a是本发明一实施例的贯穿检测状态示意图；

图5b是本发明一实施例的贯穿状态示意图；

其中：100-气膜孔；200-叶片外层壁；300-叶片内层壁；400-电极；500-脉 冲电源；600-电压周期；700-电压脉宽；800-电压脉间。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明 实施例中的附图，对本发明的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法进行进一步详 细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。

本发明的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，主要用于在加工如图2所示 的双层壁叶片外层壁200上的圆柱型气膜孔时防止出现如图3所示的叶片内层 壁300的损伤和盲孔。但是，基于与本发明相同的思路，该涡轮叶片电火花制 孔贯穿检测方法也能用于双层壁叶片上的其他类型气膜孔，或其他类型叶片上 的气膜孔的加工。

在贯穿检测系统开启前的步骤包括：

S100：开始加工后，电极400进给一定距离完成气膜孔100入口的加工， 然后开启贯穿检测系统。

由于电火花加工中电极会损耗，贯穿时的实际进给距离大于叶片外侧壁沿 孔轴向的宽度L，因此，可在电极实际进给距离为L时开启贯穿检测系统。

本发明实施例的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法的步骤包括：

S200：电火花制孔过程中实时调节脉冲电源500输出电压周期600，在电 压波形中附加预设的频率成分，且随时间进行预设的变化。

S300：利用声音传感器采集涡轮叶片和电极400之间火花放电产生的声波， 对声音信号进行频谱分析，若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值， 且随时间进行预设的变化，则判定为贯穿状态；若检测到预设频率成分的子带 能量超过特定的阈值，但没有进行预设的变化，则判定存在干扰；否则判定为 非贯穿状态。

这样，采用本实施例的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，基于声音信号 进行检测，不受电火花加工放电状态和孔形的影响，通过在加工过程中实时调 节脉冲电源500输出电压周期600，在电压波形中附加预设的频率信息，该信 息通过电压周期对火花放电时长和频次的影响附加在其产生的声波中，从而间 接传递至贯穿检测系统，消除了机床运行和厂房环境干扰对检测结果的影响， 大幅提高了检测系统的可靠性，使基于声音信号的检测方法具有了实用性。

在S200的步骤中，具体包括：

S210：设脉冲电源500输出电压的原周期为T0，将加工过程中的每个检测 周期t0分为n个时间段tn，将每个时间段tn内输出电压周期调整为 T＝T0+ΔTsin(2πft)，其中f＝f1或f2是预设的频率成分，在每个时间段tn内保持 不变，在每个检测周期t0内进行预设的变化，ΔT是输出电压周期600的变化 幅值。

在S300的步骤中，具体包括：

S310：在每个时间段tn内分别计算频率范围f1±Δf和f2±Δf内的子带能 量SE1和SE2，若在一个检测周期t0内每个时间段tn均满足SE1+SE2≥SE0， 且当时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当时间段内f＝f2时满足SE1-SE2＜0， 则判定为贯穿状态；若在一个检测周期t0内每个时间段tn均满足SE1+SE2≥ SE0，但不满足当时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当时间段内f＝f2时满足 SE1-SE2＜0，则判定存在干扰；否则判定为非贯穿状态。

下面结合各附图和实例具体说明如何进行涡轮叶片电火花制孔的贯穿检 测。

参见图2，在某型双层壁叶片外侧壁200上加工气膜孔100，加工过程中防 止内侧壁300的损伤或出现盲孔。气膜孔100的孔径为0.5mm，其轴线与外侧 壁200之间的夹角为45°，外侧壁200的厚度为1.5mm，外侧壁200与内侧壁 300之间的距离为0.8mm。

参见图4，考虑电火花加工的放电间隙，用直径为0.42mm的电极400进行 气膜100的加工。加工前用电接触对刀法记录电极400与叶片外侧壁200接触 时的位置，抬起电极，然后打开脉冲电源500，其输出波形为方波，电压周期 600恒定，为T0＝10μs，其中，电压脉宽700为4μs，电压脉间800为6μs。将 电极400向下进给至与叶片外侧壁200接触时的位置时，开始加工，电极400 再向下进给2.12mm，完成气膜孔入口的加工后开启贯穿检测系统。

参见图5a，开启贯穿检测系统后，将每个检测周期t0＝0.5s等分为20个时 间段t1～t20，每个时间段为0.025s。每个时间段内，脉冲电源输出电压周期600 按T＝[10+3sin(2πft)]μs进行变化，电压脉宽700始终保持为0.4T，电压脉间800 始终保持为0.6T，其中，f＝f1或f2是预设的频率成分，与机床运行和厂房环境 干扰频段不重合，在本实施例中f1＝10kHz，f2＝20kHz。每个时间段内频率f保 持不变，在每个检测周期内进行预设的变化。

本实施例中，脉冲电源500输出电压为方波，在电压脉宽700内进行火花 放电，将一部分叶片、电极材料以及工作液汽化，在放电点形成高压气泡，气 泡迅速膨胀，引发振动，发出声波。在电压脉间800内消电离，振动迅速衰减。 电压周期600的变化对火花放电时长和频次产生影响，使其产生的声波中包含 预设的频率成分。在贯穿检测系统开启时，已完成气膜孔100入口的加工，火 花放电产生于孔底，其产生的声波在工作液和叶片材料中迅速衰减，传至外界 的能量较小。当气膜孔100贯穿后，火花放电产生的声波由孔出口经叶片内腔 传出，传至外界的能量增强，据此可进行贯穿检测。

利用声音传感器实时采集火花放电产生的声波，包括可听声和超声波，采 集频率范围应包含9kHz至21kHz频段。对声音信号进行频谱分析，在每个时 间段t1～t20内分别计算频率范围9.5～10.5kHz和19.5～20.5kHz内的子带能量SE1 和SE2，若在一个检测周期t0＝0.5s内，20个时间段t1～t20均满足SE1+SE2≥ SE0，且当时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当时间段内f＝f2时满足SE1-SE2 ＜0，即声音信号中f1和f2频段子带能量的强弱变化与电压周期600附加的预 设频率变化一致，则判定为贯穿状态；若在一个检测周期t0＝0.5s内，20个时 间段t1～t20均满足SE1+SE2≥SE0，但不满足当时间段内f＝f1时满足SE1-SE2 ＞0，当时间段内f＝f2时满足SE1-SE2＜0，则判定存在干扰；否则判定为非贯 穿状态。

若判定存在干扰，则调整预设频率至f1+0.5kHz和f2+0.5kHz，直至消除干 扰。若超过5个检测周期没有消除干扰，则暂时关闭脉冲电源，分析干扰的频 谱，移除干扰源或重新调整预设频率后继续加工。

在检测到贯穿状态之后的步骤包括：

S400：若判定为贯穿状态，电极400进给一定距离完成气膜孔100出口的 加工，然后关闭脉冲电源500，结束该气膜孔的加工

加工气膜孔出口时电极损耗量较少，在加工前，根据孔径、孔倾角、电极 变形长度等参数可预估完成气膜孔出口加工所需的电极进给距离，是本领域技 术人员所熟知的技术，在此不做赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对 上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技 术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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，本发明的保护范围应以所附权利要 求为准。

Claims (8)

1.一种涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：所述涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法包括以下步骤：

步骤一、电火花制孔过程中实时调节脉冲电源输出电压周期，在电压波形中附加预设的频率成分，且随时间进行预设的变化；

设脉冲电源输出电压的原周期为T0，将加工过程中的每个检测周期t0分为n个时间段tn，将每个所述时间段tn内输出电压周期调整为T＝T0+ΔTsin(2πft)，其中f＝f1或f2是所述预设的频率成分，在每个所述时间段tn内保持不变，在每个检测周期t0内进行所述预设的变化，ΔT是所述输出电压周期的变化幅值；

所述T、tn、f1、f2始终应满足100/tn＜f1＜f2＜0.5/T，且f1、f2与机床运行和厂房环境干扰频段不重合；若存在环境干扰，则实时调整预设频率f1和f2，直至消除干扰；

步骤二、利用声音传感器采集涡轮叶片和电极之间火花放电产生的声波，对声音信号进行频谱分析，若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值，且随时间进行预设的变化，则判定为贯穿状态；若检测到预设频率成分的子带能量超过特定的阈值，但没有进行预设的变化，则判定存在干扰；否则判定为非贯穿状态。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：步骤二具体如下：

在每个所述时间段tn内分别计算频率范围f1±Δf和f2±Δf内的子带能量SE1和SE2，若在一个所述检测周期t0内每个所述时间段tn均满足SE1+SE2≥SE0，且同时满足当所述时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当所述时间段内f＝f2时满足SE1-SE2＜0，则判定为贯穿状态；若在一个所述检测周期t0内每个所述时间段tn均满足SE1+SE2≥SE0，但不满足当所述时间段内f＝f1时满足SE1-SE2＞0，当所述时间段内f＝f2时满足SE1-SE2＜0，则判定存在干扰；否则为判定非贯穿状态。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：Δf满足(f2-f1)/30<Δf<(f2-f1)/15。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：所述脉冲电源输出电压的输出波形为方波；所述声音传感器为心型指向。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：所述采集涡轮叶片和电极之间火花放电产生的声波包括可听声和超声。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：步骤一之前还包括以下步骤：

开始加工后，电极进给完成气膜孔入口的加工，然后开启贯穿检测系统；加工气膜孔入口时脉冲电源输出电压周期为恒定值T0。

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：步骤二之后还包括以下步骤：

若判定为贯穿状态，电极进给完成气膜孔出口的加工，然后关闭脉冲电源，结束该气膜孔的加工。

8.根据权利要求1所述的涡轮叶片电火花制孔贯穿检测方法，其特征在于：所述涡轮叶片为双层壁高压涡轮导向叶片。

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