CN115533231B - 一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，包括检查零件表面；夹具找正；装夹零件；采用电火花加工冷却孔；对补加工冷却孔的叶片进行检查和考核，具体包括：在加工后的叶片的首批叶片中选取1件，采用三坐标检查尺寸；用塞规检查补加工的冷却孔孔径；检查所加工的冷却孔的重熔层厚度；检查打孔过程中有无打到叶片内腔孔壁对面的内壁；对叶片补加工部位进行荧光检查；对叶片进行水流量检查；将补加工后的叶片装机试车考核；考核后的叶片进行外观及水流量检查。本发明对涡轮叶片在使用中的设计缺陷进行了弥补，通过机械加工的方法进行实现，加工工艺简单，可操作性强，可以对类似问题进行扩展应用。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，尤其涉及一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法。
背景技术
高压涡轮工作叶片为铸造、空心气冷式叶片，在高温、高压、高转速的环境下工作，经受冷热疲劳，是发动机中受力和受热最为严苛的零件之一。为了阻止冷却气流，叶片内腔有肋片、挡片和扰流器，冷却空气从叶片根部进入，通过叶片前缘的气道及挡片产生气旋，通过叶片内的涡流阵栅喷射到叶片的凸面，形成冷却气膜，然后流出叶片进入气流通道，如图1-图3所示。叶片内的各种扰流器，不仅可以加速热交换、增加接触面积、提高热交换效率，而且可以增强叶片刚度。叶尖开有凹槽，而叶根采用三齿枞树形榫头与涡轮盘固定，如图4所示。为了提高叶片的耐热性，在表面镀有防护层，前缘厚而后缘薄，喷镀后表面还要进行喷丸处理。此外，叶片内腔表面也要进行化学处理，其目的是抗氧化耐腐蚀。叶片榫头伸根段部分因壁厚较厚，无强化冷却换热结构，导致冷却效果较差，在高温、高转速的环境下工作，经受冷热疲劳，热应力集中在榫头兜口部位，如图5中C部所示，导致该部位出现密集型裂纹，无法正常使用。高涡叶片因工作在高温、高强度的恶劣工况中，导致叶片榫头延伸段集中出现裂纹，出现此类故障的叶片均要更换并做报废处理，造成成本增加。另外，发动机使用中如出现高涡叶片裂纹，就会大大降低机件的材料强度，严重的产生闭合掉块，影响发动机的安全可靠性。该现状下无补加工先例。为降低机件报废率，提高发动机的安全可靠性，从高涡叶片实际工况和工作机理出发，在裂纹出现集中的位置，即应力集中部位进行补加工冷却孔。目前补充加工冷却孔的方式为电火花打孔。但电火花加工成品叶片有两个问题，一是加工过程中会在孔边产生较厚的重熔层，致使零件金属表层质地变的不均匀以及微裂纹的存在，严重的情况会使机件断裂，影响使用，因此控制重熔层厚度是电火花加工急需解决的一个问题；二是成品叶片加工时，叶片的对壁位置每件有偏差，加工时容易损伤对壁，因此控制加工深度也是需研究解决的主要问题之一。
为使叶片满足高温、高强度的使用要求，减少叶片榫头延伸段集中出现的裂纹问题，采取在叶片热应力集中部位，设计过程中未采取有效冷却措施的部位补充增加冷却孔，使其满足发动机的使用要求，提高安全可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，通过理论分析、测绘和试验，确定叶片冷却孔位置、尺寸、补充加工工艺方法及参数、加工后的检查方法重要参数，并通过地面长期试车考核和飞行验证，满足发动机使用要求，叶片裂纹问题大大改善。
一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，具体包括以下步骤：
步骤1：检查零件表面，不允许存在碰划伤缺陷，对存在的问题进行描述记录；
步骤2：按照如下加工工艺路线进行加工：
步骤2.1：夹具找正；
步骤2.2：装夹零件；
步骤2.3：采用电火花加工冷却孔：补加工的冷却孔的位置为：榫头伸根段右侧的缘板挡板位置，具体为：补加工冷却孔至叶片中心轴线之间的距离L1为mm及补加工冷却孔至叶片基准面之间的距离L2为6±0.1mm，打孔深度为5mm；
步骤3：对补加工冷却孔的叶片进行检查和考核，具体包括以下步骤：
步骤3.1：在加工后的叶片的首批叶片中选取1件，采用三坐标检查尺寸；
步骤3.2：用塞规检查补加工的冷却孔孔径；
步骤3.3：检查所加工的冷却孔的重熔层厚度；
步骤3.4：检查打孔过程中有无打到叶片内腔孔壁对面的内壁：选取上述步骤3.3中解剖的叶片进行检查；
步骤3.5：对叶片补加工部位进行荧光检查，不允许有裂纹；
步骤3.6：对叶片进行水流量检查，应大于补加工前，确定冷却效果；
步骤3.7：将补加工后的叶片装机，参加700-750小时的地面长期试车考核；
步骤3.8：考核后的叶片进行外观检查，补加工部位不允许有烧蚀、裂纹和异常损伤；进行水流量检查，要符合图纸所标记的实际的技术要求；对补加工冷却孔边进行荧光检查，不允许有裂纹。
所述步骤2.1中，通过现有的叶片制造时采用的常规组合夹具进行找正：采用百分表进行夹具找正，使百分表沿夹具找正面滑动时的跳动量不大于0.02。
所述步骤3.1中检查补加工冷却孔至叶片中心轴线之间的距离L1及补加工冷却孔至叶片基准面之间的距离L2。
所述步骤3.2中塞规的检查标准是塞规通端通过、止端不过为合格。
所述步骤3.3中，对采取同种数控程序、工艺参数、工装、设备加工的一批叶片中，选取1片对补加工位置进行解剖，在显微镜下检测重熔层厚度，不允许大于0.05mm；如果重熔层厚度大于0.05mm，则该件报废，继续解剖并检测。
本发明的有益效果是：本发明在成品叶片的使用上是个成功的经验，在补加工工艺上，实现了电火花盲孔加工在空心气冷高压涡轮工作叶片上的应用。高涡叶片为高温合金件，电火花加工时在高温环境下产生硬质合金WC及C的化合物沉积在零件表面形成重熔层，重熔层厚度会直接影响机件的表面特性，本方法很好地控制了电火花加工的重熔层厚度。该方法可应用至发动机其他高温部件因设计缺陷导致机件报废率高的方面，同时电火花盲孔加工方法也可应用到其他类似结构的机件方面。
本发明对涡轮叶片在使用中的设计缺陷进行了弥补，通过机械加工的方法进行实现，加工工艺简单，可操作性强，可以对类似问题进行扩展应用。
本发明应用后，减少了因叶片榫头裂纹导致的报废率，大大降低采购成本。按叶片报废率5％，新品采购价格150000元，叶片补加工折旧50％，每年30台发动机计算：30台×90(单台件数)×5％×50％×15000＝101.25万。
附图说明
图1为高压涡轮工作叶片的内部结构示意图；
图2为图1中的A部放大图；
图3为图1中的B部放大图；
图4为高压涡轮工作叶片树形榫头及其固定方式示意图；
图5为高压涡轮工作叶片的外观示意图；
图6为采用本发明所提供的方法进行冷却孔补加工的工程图一；
图7为采用本发明所提供的方法进行冷却孔补加工的工程图二；
图8为冷却孔补加工前后的对比图；
其中，
1-冷却孔。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。
一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，具体包括以下步骤：
步骤1：检查零件表面，不允许存在碰划伤缺陷，对存在的问题进行描述记录。
步骤2：按照如下加工工艺路线进行加工：
步骤2.1：通过现有的叶片制造时采用的常规组合夹具进行找正：采用百分表进行夹具找正，使百分表沿夹具找正面滑动时的跳动量不大于0.02；
步骤2.2：通过现有的叶片制造时采用的常规组合夹具装夹零件，保证压紧并稳定可靠；
步骤2.3：采用电火花加工冷却孔1；
如图5所示的高压涡轮工作叶片，首先对叶片进行解剖，对叶片材料、内部型腔结构、内壁表面状态进行研究，并对叶片使用工况进行分析，确定冷却孔1加工部位和尺寸确定原则：对涡轮叶片使用后出现裂纹的位置进行统计，如图5中D部所示，都集中在榫头伸根段右侧的缘板挡板位置(即我们准备加工的部位)，裂纹面积约4平方毫米，裂纹起始部位主要集中在1平方毫米区域内。同时结合叶片榫头伸根段空腔的气冷结构，加工冷却孔1穿过伸根段，进入叶片中腔通道，这样叶片在工作中，就可以有冷气通过该冷却孔1为叶片缘板挡板进行冷却，从而避免裂纹的产生。因此补加工的冷却孔1的位置为：补加工冷却孔1至叶片中心轴线之间的距离L1为mm及补加工冷却孔1至叶片基准面之间的距离L2为6±0.1mm，打孔深度为5mm，如图6-7所示；本实施例中补加工的冷却孔1孔径为Ф1.0mm。同一批至少加工15件叶片，本实施例中同一批加工15件。
在加工过程中，确保事先编制好的数控加工程序正确，确保设定的具体加工参数能够保证孔径大小、打孔深度，不允许击伤对壁。
步骤3：对补加工冷却孔1的叶片进行检查和考核，具体包括以下步骤：
步骤3.1：在加工后的叶片的首批叶片中选取1件，采用三坐标检查尺寸：补加工冷却孔1至叶片中心轴线之间的距离L1及补加工冷却孔1至叶片基准面之间的距离L2，孔径、打孔深度由事先编制的经过批准认定和评审的数控加工程序即合格程序和加工电极保证；
步骤3.2：用塞规检查补加工的冷却孔1孔径，检查标准是塞规通端通过、止端不过为合格；
步骤3.3：检查所加工的冷却孔1的重熔层厚度：对采取同种数控程序、工艺参数、工装、设备加工的一批叶片中，选取1片对补加工位置进行解剖，在显微镜下检测重熔层厚度，不允许大于0.05mm；如果重熔层厚度大于0.05mm，则该件报废，继续解剖并检测；
步骤3.4：检查打孔过程中有无打到叶片内腔孔壁对面的内壁：选取上述步骤3.3中解剖的叶片进行检查；
步骤3.5：对叶片补加工部位进行荧光检查，不允许有裂纹；
步骤3.6：对叶片进行水流量检查，应大于补加工前，确定冷却效果；
步骤3.7：将补加工后的叶片装机，参加700-750小时的地面长期试车考核；
步骤3.8：考核后的叶片进行外观检查，补加工部位不允许有烧蚀、裂纹和异常损伤；进行水流量检查，要符合图纸所标记的实际的技术要求；对补加工冷却孔1边进行荧光检查，不允许有裂纹。冷却孔1补加工前后对比如图8所示。
本发明中，补加工的冷却孔1选取的具体位置、孔径、加工工艺方法及参数、检查手段和考核方式均是本方案的技术要点。
Claims (5)
1.一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：检查零件表面，不允许存在碰划伤缺陷，对存在的问题进行描述记录；
步骤2：按照如下加工工艺路线进行加工：
步骤2.1：夹具找正；
步骤2.2：装夹零件；
步骤2.3：采用电火花加工冷却孔：补加工的冷却孔的位置为：榫头伸根段右侧的缘板挡板位置，具体为：补加工冷却孔至叶片中心轴线之间的距离L1为及补加工冷却孔至叶片基准面之间的距离L2为6±0.1mm，打孔深度为5mm；
步骤3：对补加工冷却孔的叶片进行检查和考核，具体包括以下步骤：
步骤3.1：在加工后的叶片的首批叶片中选取1件，采用三坐标检查尺寸；
步骤3.2：用塞规检查补加工的冷却孔孔径；
步骤3.3：检查所加工的冷却孔的重熔层厚度；
步骤3.4：检查打孔过程中有无打到叶片内腔孔壁对面的内壁：选取上述步骤3.3中解剖的叶片进行检查；
步骤3.5：对叶片补加工部位进行荧光检查，不允许有裂纹；
步骤3.6：对叶片进行水流量检查，应大于补加工前，确定冷却效果；
步骤3.7：将补加工后的叶片装机，参加700-750小时的地面长期试车考核；
步骤3.8：考核后的叶片进行外观检查，补加工部位不允许有烧蚀、裂纹和异常损伤；进行水流量检查，要符合图纸所标记的实际的技术要求；对补加工冷却孔边进行荧光检查，不允许有裂纹。
2.根据权利要求1所述的一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，其特征在于：所述步骤2.1中，通过现有的叶片制造时采用的常规组合夹具进行找正：采用百分表进行夹具找正，使百分表沿夹具找正面滑动时的跳动量不大于0.02。
3.根据权利要求1所述的一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，其特征在于：所述步骤3.1中检查补加工冷却孔至叶片中心轴线之间的距离L1及补加工冷却孔至叶片基准面之间的距离L2。
4.根据权利要求1所述的一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，其特征在于：所述步骤3.2中塞规的检查标准是塞规通端通过、止端不过为合格。
5.根据权利要求1所述的一种高涡叶片榫头冷却孔补加工方法，其特征在于：所述步骤3.3中，对采取同种数控程序、工艺参数、工装、设备加工的一批叶片中，选取1片对补加工位置进行解剖，在显微镜下检测重熔层厚度，不允许大于0.05mm；如果重熔层厚度大于0.05mm，则该件报废，继续解剖并检测。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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