CN115319646B - 一种涡轮叶片气膜孔分区光整装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片气膜孔分区光整装置与加工方法，其特征是所述的装置主要包括：工作台、工作液箱、夹具座、榫头夹具、叶盆顶块、叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块、尾缘顶块以及磨料工作液输运机构等；五个顶块分别与涡轮叶片的叶盆、叶背、叶尖、前缘与尾缘区域一一对应；将磨料工作液从叶根通道注入，通过叶片内部气流通道，从气膜孔喷出，利用工作液中磨料对气膜孔壁面的刮擦作用对气膜孔进行光整加工。通过控制其中若干个顶块对涡轮叶片相应的区域进行封堵后，可以实现分区域光整加工，一方面可以降低对工作液输运泵的流量及压力要求，另一方面还可以提高未封堵区域气膜孔内的磨料工作液流速。本发明可以对气膜孔进行批量光整，效率高，工艺简单，安全环保。

Description

一种涡轮叶片气膜孔分区光整装置与方法
技术领域
本发明属于航空发动机技术，尤其是一种涡轮叶片气膜冷却孔中光整技术，具体地说是一种基于水基磨粒流的涡轮叶片气膜孔分区光整装置与方法。
背景技术
提高涡轮叶片进出口温度是增大航空发动机推力和推重比的重要手段。但金属材料的耐高温能力有限，涡轮叶片进出口温度容易超过材料的熔点，故涡轮叶片冷却技术成为了保证叶片在高温环境下可靠工作的有效途径。目前应用较为广泛的是多种方式的复合冷却，一方面，在叶片上制造气膜冷却孔(气膜孔)，利用气膜孔喷出的冷却气体对涡轮叶片进行冷却和散热；另一方面，在涡轮叶片表面涂覆热障涂层，将叶片与高温燃气隔离。这种复合冷却技术大大提高了涡轮叶片耐高温能力，提升了发动机的性能。
气膜孔具有孔径小、数量多、深径比高、空间角度复杂、质量要求高等特点，目前主流的加工方法为电火花制孔以及激光制孔。但这两种方法加工出的气膜孔表面存在重铸层以及微裂纹，严重影响气膜孔的质量以及叶片的强度，甚至在高温高压的工作条件下会导致叶片的断裂，故亟需对制备出的气膜孔进行光整加工。其次，在某些航空发动机上，还需要在涡轮叶片上涂覆热障涂层。在涂层的过程中，陶瓷材料会在气膜孔壁面上沉积，导致气膜孔出现缩孔甚至完全堵塞的现象，需要疏通被堵塞的气膜孔。在现有技术中，申请号为CN201611073601的发明专利提出利用打磨针手工逐一疏通被堵塞的气膜孔的方法，效率低。因此，亟需对热障涂层堵孔进行高效的光整加工。
水基磨粒流抛光加工是一种新型的光整加工方法，它将磨料与自来水混合成低浓度的磨料工作液，通过输液泵的加压作用后高速流过工件表面，利用工作液中磨料对工件表面的滑擦作用实现材料去除。与传统磨粒流抛光技术相比，水基磨粒流的磨料浓度较低、流动性好，光整加工后的工件内部清理工作更加简便。因此，完全可以利用水基磨粒流对涡轮叶片气膜孔进行光整加工。授权号为ZL201922126711.4（一种脉动多孔水射流去除涡轮叶片热障涂层堵孔的装置）的发明专利提出了水基磨粒流光整涡轮叶片气膜孔的方法，其核心思想是将磨粒工作液从涡轮叶片叶根气流通道输入，从叶片气膜孔喷出，对所有气膜孔进行一次性光整加工。但是，涡轮叶片上气膜孔数量多、孔径变化不一，上述方案对工作液泵的流量及压力要求高，且不同位置气膜孔内工作液流速均匀性不易控制。因此，需要一种能够对涡轮叶片气膜孔进行分区光整的水基磨粒流加工装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有的飞机发动机涡轮叶片气膜孔经电火花加工或者激光加工后存在重铸层的问题以及涡轮叶片涂覆热障涂层后气膜孔堵塞清除难度大、效率不高的问题，提供一种利用水基磨粒流对涡轮叶片气膜孔进行分区光整加工的装置与方法。通过该装置将水基磨粒流从叶根通道注入，从气膜孔喷出，利用工作液中的磨粒对气膜孔壁面的刮擦作用，实现对气膜孔进行批量、高效的光整加工。通过控制若干顶块装置对涡轮叶片气膜孔进行分区光整，降低对工作液泵的流量及压力要求，提高光整加工区域气膜孔内工作液流速均匀性。
本发明的技术方案之一是：
一种基于水基磨粒流的涡轮叶片气膜孔分区光整装置，它包括工作台、废液收集箱、夹具座、榫头夹具、叶盆顶块、叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块、尾缘顶块以及磨料工作液输运机构等。涡轮叶片通过榫头夹具沿X轴卧式装夹在夹具座上，夹具座安装在工作台上；上述顶块分别与涡轮叶片的叶盆、叶背、叶尖、前缘与尾缘五个区域相对应；磨料工作液输运机构与榫头部位的进液口相连；在使用时利用顶块将涡轮叶片的若干个区域进行封堵，对涡轮叶片的剩余区域进行气膜孔的光整加工，光整加工过程中的废液通过工作台流入废液收集箱中。
所述的榫头夹具包括夹具1、夹具2、替换件1、替换件2、手轮调节滑台1以及手轮1；夹具1通过螺栓固定在夹具座上，夹具2通过螺栓与手轮调节滑台1相连，调节手轮可以实现夹具2的移动，从而实现涡轮叶片的夹紧与松开；替换件1以及替换件2分别与夹具1、夹具2通过螺栓连接，更换替换件1以及替换件2后调节各顶块的位置后，榫头夹具可适用于不同榫头结构的涡轮叶片，从而提高该装置的通用性。
所述的叶盆顶块包括手轮调节滑台、手轮调节滑台两侧的防护罩、橡胶膜、叶盆夹具、气缸。叶盆顶块可以沿X及Y向移动，利用手轮调节滑台实现叶盆夹具沿Y向移动，利用气缸实现叶盆夹具沿X向夹紧从而对涡轮叶片叶盆区域进行封堵；橡胶膜受力变形的特性更容易实现涡轮叶片气膜孔的封堵；手轮调节滑台左右两侧的防护罩可以跟随着其运动而变化，用于防止在光整加工过程中水基磨粒溅射到手轮调节滑台上使其生锈而影响精度。
所述的每个顶块都可以在两个方向上移动，其中一个方向的移动由手轮调节滑台调节，用于调节顶块的位置；另一个方向的移动由气缸驱动，用于将顶块压紧涡轮叶片上所对应的区域。叶背顶块可以实现Y向移动，X向压紧;前缘顶块可以实现Y向移动，Z向压紧;尾缘顶块可以实现Y向移动，Z向压紧;叶尖顶块可以实现X向移动，Y向压紧。
所述的磨料工作液输运机构包括工作液箱、输液泵、搅拌器、稳压器以及管道；工作液体采用自来水，工作液与磨料在工作液箱经搅拌器充分搅拌混合后经输液泵和稳压器稳压后从榫头进液口注入涡轮叶片，对涡轮叶片各个区域的气膜孔进行光整加工。
所述的工作装置中不仅仅是可以有划分为叶盆顶块、叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块以及尾缘顶块5个顶块机构，而是可以根据实际情况分为若干个顶块机构。
本发明的技术方案之二是：
一种基于水基磨粒流的涡轮叶片气膜孔光整方法，它包括以下步骤：
1、将经过电火花制孔或激光制孔过的涡轮叶片或存在堵孔现象的涡轮叶片的榫头沿X轴卧式装夹在榫头夹具上，并使夹具夹紧涡轮叶片榫头。
2、通过控制叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块以及尾缘顶块中手轮调节滑台将叶背夹具、叶尖夹具、前缘夹具与尾缘夹具移动到与涡轮叶片各区域相对应的位置；通过控制与之相对应的气缸实现对涡轮叶片叶背、叶尖、前缘与尾缘的封堵，保证只有叶盆区域的气膜孔能够被光整加工。
3、启动工作液输运机构，通过向榫头区域的进液口注入磨料工作液，从而对叶盆区域的气膜孔进行光整加工。
4、保持光整加工一定时间，具体的加工时间根据涡轮叶片的型号通过实验确定；光整加工完成后，停止向榫头进液口进液。
5、根据第2、3、4步依次对涡轮叶片的叶背区域、叶尖区域、前缘区域以及尾缘区域的气膜孔进行光整加工。
6、关停磨料工作液输运机构，松开榫头夹具取出已经加工好的涡轮叶片；重新回到第一步，进行下一个涡轮叶片的光整加工。
7、如果该型号的涡轮叶片已经加工完成，可以更改替换件1、替换件2后，重新回到第一步，进行另一型号涡轮叶片的批量加工。
所述的光整加工过程不仅仅是对涡轮叶片的四个区域进行封堵后光整加工未封堵区域气膜孔，而是可以根据实际要求对若干个区域封堵后对剩余区域气膜孔进行光整加工。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以对涡轮叶片气膜孔进行分区批量光整，光整效率高而且有利于降低对工作液流量的要求，成本低；此外，也可以根据涡轮叶片气膜孔尺寸及分布情况，设计分区光整策略，以保证气膜孔光整加工的一致性。
2、针对不同型号的涡轮叶片，只需要更换榫头夹具就可以在上述的装置上实现气膜孔的光整加工，通用性强。
3、水基磨粒流采用自来水供液，工艺简单、安全环保。
附图说明
图1是本发明所述的装置的结构示意图。
图2是本发明所述的磨料工作液输运机构的结构示意图。
图3是本发明所述的榫头夹具的结构示意图。
图4是本发明所述的叶盆顶块的结构示意图。
图5是本发明所述的叶盆区域光整加工时装置的局部示意图。
图中：1、废液收集箱；2、工作台；3、叶盆顶块；3.1、手轮调节滑台II；3.2、防护罩I；3.3、防护罩II；3.4、橡胶膜；3.5、叶盆夹具；3.6、气缸；3.7、手轮I；4、榫头夹具；4.1、进液口；4.2、夹具I；4.3、替换件I；4.4、替换件II；4.5、夹具II；4.6、防护罩；4.7、手轮I；4.8、手轮调节滑台I；5、前缘顶块；6、叶背顶块；7、涡轮叶片；8、叶尖顶块；9、尾缘顶块；10、夹具座；11、输液泵；12、工作液箱；13、搅拌器；14、稳压器；15、管道；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1至图4所示。
一种基于水基磨粒流的涡轮叶片气膜孔分区光整装置，它包括工作台2、废液收集箱1、夹具座10、榫头夹具4、叶盆顶块3、叶背顶块6、叶尖顶块8、前缘顶块5、尾缘顶块9以及磨料工作液输运机构等，如图1所示。废液收集箱1可以通过购买现有的产品，工作台2以及夹具座10采用不锈钢作为原材料，通过自行设计制造。榫头夹具4包括夹具I、夹具II、替换件I、替换件II以及手轮调节滑台4.8，如图3所示。榫头夹具4除手轮调节滑台可购买外，其余的所有部件都应该选着不锈钢为原材料经过自行设计制造。叶盆顶块3包括手轮调节滑台3.1、两侧的手轮调节滑台防护罩3.2与3.3、橡胶膜3.4 、叶盆夹具3.5、气缸3.6，如图4所示。手轮调节滑台3.1、导轨防护罩3.2与3.3和气缸3.6均可以在市场上订购，叶盆夹具3.5的表面经由涡轮叶片的叶盆区域反拷贝制造而成，厚度约为5mm的橡胶模3.4经由高压与叶盆夹具紧密贴合。其中导轨防护罩(风琴式)用来防止水基磨料的溅射到导轨，橡胶膜用来更好的封堵涡轮叶片上的气膜孔。磨料工作液输运机构包括工作液箱12、搅拌器13、稳压器14、以及管道15，如图2所示。
榫头夹具4中的夹具I通过底部的螺栓固定在夹具座10，夹具II通过螺栓与手轮调节滑台相连，替换件I通过螺栓与夹具I固定，替换件II与夹具II通过螺栓固定。通过调节手轮4.7带动夹具2移动，从而实现不同型号的涡轮叶片的夹紧与松开。
叶盆顶块3可以在X、Y两个方向上移动，在Y方向上通过调节手轮调节滑台3.1实现叶盆顶块位置的调整，在X方向上通过调节气缸实现叶盆区域气膜孔的夹紧，叶盆顶块如图4所示。其余的四个顶块都可以在两个方向上移动，其中一个方向的移动由手轮调节滑台控制，用于调节顶块的位置；另一个方向的移动由气缸驱动，用于将顶块压紧涡轮叶片上所对应的区域。
涡轮叶片7通过榫头夹具4沿X轴卧式装夹在夹具座10上，夹具座10安装在工作台2上。顶块分别与涡轮叶片7的叶盆、叶背、叶尖、前缘与尾缘五个区域相对应。工作液体采用自来水，自来水与磨料在工作液箱12充分混合后经输液泵11与稳压器14稳压后将水基磨粒流从榫头进液口注入，从气膜孔喷出，利用工作液中的磨料对气膜孔壁面的滑 擦作用，实现对气膜孔的光整加工。光整加工过程中的废液通过工作台2中心部位的四个孔洞流入废液收集箱1中，之后对废液收集箱中的废液进行集中处理或重新利用。
实施案例二。
如图1至图5所示。
一种基于水基磨粒流的涡轮叶片气膜孔光整的加工方法，本实施例中采用的涡轮叶片材质为高温合金，热障涂层材质为陶瓷；
本实施案例中在未进行光整加工时，装置中各顶块机构的位置关系如图1所示；在对叶盆区域的气膜孔进行光整加工时涡轮叶片与叶叶盆顶块、叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块与尾缘顶块的位置关系如图5所示。
本实施案例中以对涡轮叶片的叶盆区域的气膜孔的光整加工为例进行说明。
具体步骤如下：
1、将经过电火花制孔或激光制孔过的涡轮叶片或存在堵孔现象的涡轮叶片的榫头沿X轴卧式装夹在榫头夹具上，并通过转动手轮移动叶盆夹具将涡轮叶片榫头夹紧。
2、通过控制叶背顶块、叶尖顶块、前缘顶块以及尾缘顶块中手轮调节滑台的手轮将叶背夹具、叶尖夹具、前缘夹具与尾缘夹具移动到与涡轮叶片各区域相对应的位置；控制气缸的压力为5MPa，使叶背夹具、叶尖夹具、前缘夹具与尾缘夹具的橡胶膜与涡轮叶片充分接触，实现对涡轮叶片叶背、叶尖、前缘与尾缘的封堵，保证只有叶盆区域的气膜孔能够被加工。
3、启动磨料工作液输运机构，通过向榫头区域的进液口注入压力为5MPa的磨料工作液，从而对未被封堵的叶盆区域的气膜孔进行光整加工。
4、保持光整加工时间为1-5分钟，光整加工完成后，停止向榫头进液口进液，具体的加工时间根据涡轮叶片的型号而定。
5、根据第2、3、4步依次对涡轮叶片的叶背区域、叶尖区域、前缘区域以及尾缘区域的气膜孔进行光整加工。
6、关停磨料工作液输运机构，松开榫头夹具取出已经加工好的涡轮叶片；重新回到第一步，进行下一个涡轮叶片的光整加工。
7、如果该型号的涡轮叶片已经加工完成，可以更改替换件1、替换件2后，重新回到第一步，进行另一型号涡轮叶片的批量加工。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1. 一种涡轮叶片气膜孔分区光整装置，它包括工作台(2)、废液收集箱(1)、夹具座(10)、榫头夹具(4)、叶盆顶块(3)、叶背顶块(6)、叶尖顶块(8)、前缘顶块(5)、尾缘顶块(9)以及水基磨料工作液输运机构，其特征在于：涡轮叶片(7)通过榫头夹具(4)沿X轴卧式装夹在夹具座(10)上，夹具座(10)安装在工作台(2)上；叶盆顶块(3)、叶背顶块(6)、叶尖顶块(8)、前缘顶块(5)、尾缘顶块(9)分别与涡轮叶片(7)的叶盆、叶背、叶尖、前缘与尾缘五个区域相对应；水基磨料工作液输运机构与榫头部位的进液口(4.1)相连；进液口(4.1)通过冷却通道与气膜孔相连通，利用叶盆顶块(3)、叶背顶块(6)、叶尖顶块(8)、前缘顶块(5)、尾缘顶块(9)将涡轮叶片的若干个暂不需要光整的区域进行封堵，对涡轮叶片的剩余需要光整的区域进行气膜孔的水基磨粒流光整加工，光整加工过程中的废液通过工作台(2)流入废液收集箱(1)中；所述的榫头夹具(4)包括夹具I(4.2)、夹具II (4.5)、替换件I(4.3)、替换件II(4.4)、手轮II(4.7)、防护罩(4.6)以及手轮调节滑台I(4.8)；夹具I(4.2)是通过螺栓连接固定在夹具座(10)上，夹具II(4.5)与手轮调节滑台I(4.8)通过螺栓相连，通过调节手轮I(4.7)可以实现夹具II的移动，从而实现涡轮叶片的夹紧与松开；替换件1(4.3)以及替换件II(4.4)分别与夹具I(4.2)、夹具II(4.5)通过螺栓连接；更换替换件I(4.3)以及替换件II(4.4)并调节各顶块位置后，榫头夹具(4)能适用于不同榫头结构的涡轮叶片，从而提高通用性；所述的叶盆顶块(3)包括手轮调节滑台II(3.1)、手轮调节滑台两侧的防护罩(3.2，3.3)、橡胶膜(3.4) 、叶盆夹具(3.5)、气缸(3.6)以及手轮II(3.7)；叶盆顶块(3)沿X及Y向移动，通过调节手轮调节滑台II(3.1)的手轮II(3.7)实现叶盆夹具(3.5)沿Y向移动，利用气缸(3.6)实现叶盆夹具(3.5)沿X向夹紧从而对涡轮叶片叶盆区域进行封堵；橡胶膜(3.4)受力变形的特性更容易实现涡轮叶片气膜孔的封堵；水基磨料工作液输运机构包括工作液箱(12)、输液泵(11)、搅拌器(13)、稳压器(14)以及管道(15)；工作液体采用自来水，工作液与磨料在工作液箱(12)经搅拌器(13)充分搅拌混合后经输液泵(11)和稳压器（14）稳压后由榫头进液口注入涡轮叶片，对涡轮叶片各个区域的气膜孔进行光整加工。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：与所述的叶盆顶块(3)类似，叶背顶块(6)、叶尖顶块(8)、前缘顶块(5)、尾缘顶块(9)均能实现两个方向的移动，其中一个方向的移动通过调节手轮调节滑台的手轮实现，用于调节对应顶块的位置；另一个方向的移动由气缸驱动，用于将对应的顶块压紧涡轮叶片上所对应的区域；其中叶背顶块(6)能实现Y向移动，X向压紧;前缘顶块(5)能实现Y向移动，Z向压紧;尾缘顶块(9)能实现Y向移动，Z向压紧;叶尖顶块(8)能实现X向移动，Y向压紧。
3.一种基于权利要求1所述的涡轮叶片气膜孔分区光整装置的光整方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：将经过电火花制孔或激光制孔过的涡轮叶片(7)或存在堵孔现象的涡轮叶片(7)的榫头沿X轴卧式装夹在榫头夹具(4)上，并使夹具夹紧涡轮叶片榫头；
第二步：通过控制叶背顶块(6)、叶尖顶块(8)、前缘顶块(5)以及尾缘顶块(9)中手轮调节滑台的手轮将叶背夹具、叶尖夹具、前缘夹具与尾缘夹具移动到与涡轮叶片各区域相对应的位置；通过控制与之相对应的气缸实现对涡轮叶背、叶尖、前缘与尾缘的封堵，保证只有叶盆区域的气膜孔能够被光整加工；
第三步：启动水基磨料工作液输运机构，通过向榫头区域的进液口(4.1)注入磨料工作液，从而对叶盆区域的气膜孔进行光整加工；
第四步：保持光整加工一定时间，具体的加工时间根据涡轮叶片的型号通过实验确定；光整加工完成后，停止向榫头进液口进液；
第五步：重复第二、三、四步，依次对涡轮叶片的叶背区域、叶尖区域、前缘区域以及尾缘区域的气膜孔进行光整加工；加工对应区域时，使对应区域的对应顶块脱离封堵，将其它区域的对应顶块加载到位进行封堵；
第六步：关停水基磨料工作液输运机构，松开榫头夹具(4)取出已经加工好的涡轮叶片；重新回到第一步，进行下一个涡轮叶片的光整加工；
第七步：如果该型号的涡轮叶片已经加工完成，通过更换替换件I(4.3)、替换件II(4.4)后，重新回到第一步，进行另一型号涡轮叶片的批量加工。
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