CN117226614B - 一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机涡轮叶片制造技术领域，具体涉及一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，包括以下步骤：将双层壁涡轮叶片固定在专用夹具上，对叶盆和叶背靠近叶根部位的气膜孔进行初次流体磨粒流倒圆抛光处理，先行去除一部分余量，并根据气膜孔最终尺寸预留孔径加工余量，再对双层壁涡轮叶片上全部的气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光处理，得到预定尺寸和表面粗糙度的气膜孔。本发明方法保证了气膜孔内腔孔边和气膜孔外部孔边倒圆尺寸一致，表面粗糙度相同，保证了双层壁涡轮叶片的长寿命服役性能。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片制造技术领域，具体涉及一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法。
背景技术
涡轮叶片是航空发动机的核心部件，服役后涡轮叶片上的裂纹绝大部分都起源于气膜孔，所以气膜孔孔边倒圆抛光质量严重制约着涡轮叶片的服役寿命。双层壁结构的涡轮叶片冷却效果可达20%～30%以上，被越来越多的型号所采用，但内部通道结构也更复杂，其孔边抛光可采用手工、传统挤压磨粒流、流体磨粒流进行处理。手工只能对气膜孔外部孔边进行抛光处理，内腔的孔边工具可达差，无法进行手工倒圆抛光处理；传统挤压磨粒流加工工艺进行孔边倒圆抛光时，磨料流动性差，磨料堆积在双层壁的半封闭结构内无法清理；流体磨粒流受复杂内部通道限制，气膜孔两个孔边的速度场和压力场不均匀，孔边倒圆抛光效果一致性差，尤其是叶盆和叶背靠近叶根部位气膜孔倒圆抛光最差，出现欠抛，而此处应力集中最大，严重影响双层壁涡轮叶片的使用寿命。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提供一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，采用该方法加工的双层壁涡轮叶片气膜孔孔边倒圆抛光质量高、一致性好；工程化应用程度高，同时保证了双层壁涡轮叶片的长服役寿命。
一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，包括以下步骤：
步骤1，加工双层壁涡轮叶片气膜孔内腔孔边
将双层壁涡轮叶片固定在专用夹具上，专用夹具的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片表面贴合、无空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔与气膜孔同轴；
步骤2，启动流体磨粒流设备，磨料从榫头流入，经过气膜孔，而后从叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔流出，单向运行，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔和叶背靠近叶根部位的气膜孔内腔孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光加工；
步骤3，加工双层壁涡轮叶片气膜孔外部孔边
气膜孔内腔孔边初次流体磨粒流倒圆抛光加工后，将气膜孔内腔孔边初次抛光后的双层壁涡轮叶片从专用夹具上拆卸下来，更换带有喇叭状引导孔的叶盆顶块和叶背顶块；将气膜孔内腔孔边初次抛光后的双层壁涡轮叶片再次安装到专用夹具上，专用夹具的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片表面间形成空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔与气膜孔同轴且最小直径端朝向气膜孔布置；
步骤4，启动流体磨粒流设备，磨料从叶盘顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔流入，经过气膜孔，而后从榫头流出，单向运行，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔和叶背靠近叶根部位的气膜孔外部孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光处理；
步骤5，双层壁涡轮叶片气膜孔外部孔边加工后，将双层壁涡轮叶片从专用夹具上拆卸下来，而后直接安装到流体磨粒流设备上，根据气膜孔最终尺寸预留孔径余量，对双层壁涡轮叶片叶身的全部气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光处理，流体磨粒流双向加工，正向时，磨料从榫头进入，经过气膜孔流出；反向时，磨料从气膜孔进入，而后从榫头流出，得到预定尺寸和表面粗糙度的气膜孔；
步骤6，最后用高压水和超声波对双层壁涡轮叶片零件内腔进行清洗。
所述专用夹具包括夹具体，在所述夹具体的叶盆顶块和叶背顶块上加工有与双层壁涡轮叶片气膜孔位置对应的引导孔，当加工双层壁涡轮叶片的气膜孔内腔孔边时，引导孔为等直径引导孔；当加工双层壁涡轮叶片的气膜孔外部孔边时，引导孔为喇叭状引导孔，且喇叭状引导孔的最小直径端朝向气膜孔布置，且最小直径与气膜孔直径相同。
所述喇叭状引导孔角度为5°～30°，专用夹具的叶盘顶块及叶背顶块与双层壁涡轮叶片的空隙为2mm～4mm。
步骤2中，加工气膜孔内腔孔边后预留孔径加工余量为0.02 mm～0.03mm；步骤4中，加工气膜孔外部孔边后预留孔径加工余量为0.01 mm～0.02mm。
所述磨料选用碳化硅、氧化铝、金刚石、立方氮化硼中的一种或多种，磨粒形状为三棱柱、圆柱、圆锥、金字塔形中的一种或多种。
加工气膜孔内腔孔边的磨粒流速度为100 m/s～150m/s，加工气膜孔外部孔边的磨粒流速度为150 m/s～200m/s，对双层壁涡轮叶片叶身的全部气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光的磨粒流速度为100m/s～150m/s。
本发明的技术效果为：
双层壁涡轮叶片气膜孔内腔孔边和气膜孔外部孔边倒圆抛光采用流体磨粒流单向加工，根据需要倒圆抛光的孔边所在位置不同，通过带有引导孔的专用夹具保证被加工孔边的速度场和压力场均匀一致，从而保证气膜孔内腔和外部孔边倒圆抛光尺寸一致，表面粗糙度相同，保证了双层壁涡轮叶片的长寿命服役性能。
本发明工艺方法质量一致性好、效率高、成本低。该发明在航空发动机、燃气轮机等复杂涡轮叶片气膜孔孔边处理上有广阔的市场需求和应用前景。
附图说明
图1 本发明双层壁涡轮叶片结构示意图；
图2 本发明叶盆和叶背靠近叶根部位的气膜孔位置；
图3本发明对气膜孔内腔孔边进行倒圆抛光的夹具原理图；
图4本发明对气膜孔外部孔边进行倒圆抛光的夹具原理图；
图5本发明倒圆抛光前后孔边效果对比；图5（a）是倒圆抛光前孔边毛刺示意图；图5（b）气膜孔内腔孔边倒圆抛光后示意图；图5（c）气膜孔外部孔边倒圆抛光后示意图；
1-气膜孔内腔孔边；2-气膜孔外部孔边；5-叶盆靠近叶根部位的气膜孔；6-叶背靠近叶根部位的气膜孔；7-双层壁涡轮叶片；8-专用夹具；9-等直径引导孔；10-喇叭状引导孔。
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详细说明。
双层壁涡轮叶片7固定专用夹具8采用公开号为CN115319646A的夹具，再此基础上在叶盆顶块和叶背顶块上加工有与双层壁涡轮叶片7气膜孔位置对应的引导孔，引导孔为圆孔，专用夹具8其余部分无引导孔；当加工双层涡轮叶片7气膜孔内腔孔边1时，叶盘顶块和叶背顶块上的引导孔为等直径引导孔9，叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔9为与气膜孔孔径相同且轴线与水平面件的夹角一致的孔；当加工双层涡轮叶片7气膜孔外部孔边2时，叶盘顶块和叶背顶块上的引导孔为喇叭状引导孔10，叶盆顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔10轴线与水平面间的夹角与气膜孔轴线与水平面间的夹角一致的孔，且喇叭状引导孔10的小孔端朝向气膜孔外部孔边2设置。
当加工气膜孔内腔孔边1时，通过外部夹具的结构控制气膜孔内腔孔边1处的速度场和压力场均匀，保证叶盆靠近叶根部位的气膜孔5以及叶背靠近叶根部位的气膜孔6内腔孔边加工质量均匀一致；当加工气膜孔外部孔边2时，通过夹具结构控制气膜孔外部孔边2处的速度场和压力场均匀，保证叶盆靠近叶根部位的气膜孔5以及叶背靠近叶根部位的气膜孔6外部孔边加工质量均匀一致。
一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，包括以下步骤：
其中双层壁涡轮叶片为单晶材料，结构如图1。叶盆和叶背靠近叶根部位的气膜孔位置如图2所示。
步骤1，加工双层壁涡轮叶片气膜孔内腔孔边1
将双层壁涡轮叶片7固定在专用夹具8上，专用夹具8的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片7表面贴合、无空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔9与气膜孔同轴，且叶盘顶块和叶背顶块的其余部位无引导孔，如图3所示；
步骤2，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔5和叶背靠近叶根部位的气膜孔6内腔孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光加工；
启动流体磨粒流设备，磨料从榫头流入，经过气膜孔，而后从叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔9流出，单向运行；
其中磨料材料选用碳化硅、形状为三棱柱，磨粒流速度为120 m/s，预留孔径加工余量为0.02mm；
步骤3，加工双层壁涡轮叶片气膜孔外部孔边2
气膜孔内腔孔边1初次流体磨粒流倒圆抛光加工后，将气膜孔内腔孔边1初次抛光后的双层壁涡轮叶片7从专用夹具8上拆卸下来，更换带有喇叭状引导孔10的叶盆顶块和叶背顶块；如图4所示，将气膜孔内腔孔边1初次抛光后的双层壁涡轮叶片7再次安装到专用夹具8上，专用夹具8的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片7表面间形成3mm空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔10与气膜孔同轴，喇叭状引导孔10最小直径端朝向气膜孔布置且最小直径与气膜孔直径相同，喇叭状引导孔10角度为10°；
步骤4，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔5及叶背靠近叶根部位的气膜孔6外部孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光处理；
启动流体磨粒流设备，磨料从叶盘顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔10流入，经过气膜孔，而后从榫头流出，单向运行；
其中磨料材料选用碳化硅、形状为三棱柱，磨粒流速度为180m/s，预留孔径加工余量为0.01mm；
步骤5，双层壁涡轮叶片7气膜孔外部孔边2加工后，将双层壁涡轮叶片7从专用夹具8上拆卸下来，而后直接安装到流体磨粒流设备上，根据气膜孔最终尺寸预留孔径加工余量，对双层壁涡轮叶片7叶身的全部气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光处理，流体磨粒流双向加工，正向时，磨料从榫头进入，经过气膜孔流出；反向时，磨料从气膜孔进入，而后从榫头流出；流体磨粒流倒圆抛光的磨粒流速度为120m/s，最后得到预定尺寸和表面粗糙度的气膜孔；
步骤6，最后用高压水和超声波对双层壁涡轮叶片7零件内腔进行清洗，加工前后孔边效果对比如图5所示，图5（a）是倒圆抛光前孔边毛刺明显；图5（b）气膜孔内腔孔边1倒圆抛光后圆滑、尺寸和粗糙度一致，无毛刺；图5（c）气膜孔外部孔边2倒圆抛光后圆滑、尺寸和粗糙度一致，无毛刺；倒圆抛光前孔边毛刺较多、较明显，倒圆抛光后气膜孔内腔孔边1和气膜孔外部孔边2圆滑，尺寸和表面粗糙度均匀一致，无毛刺，满足设计要求。
Claims (6)
1.一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，加工双层壁涡轮叶片气膜孔内腔孔边
将双层壁涡轮叶片固定在专用夹具上，专用夹具的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片表面贴合、无空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔与气膜孔同轴；
步骤2，启动流体磨粒流设备，磨料从榫头流入，经过气膜孔，而后从叶盆顶块和叶背顶块上的等直径引导孔流出，单向运行，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔和叶背靠近叶根部位的气膜孔内腔孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光加工；
步骤3，加工双层壁涡轮叶片气膜孔外部孔边
气膜孔内腔孔边初次流体磨粒流倒圆抛光加工后，将气膜孔内腔孔边初次抛光后的双层壁涡轮叶片从专用夹具上拆卸下来，更换带有喇叭状引导孔的叶盆顶块和叶背顶块；将气膜孔内腔孔边初次抛光后的双层壁涡轮叶片再次安装到专用夹具上，专用夹具的叶盆顶块和叶背顶块与双层壁涡轮叶片表面间形成空隙，此时应保证叶盆顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔与气膜孔同轴且最小直径端朝向气膜孔布置；
步骤4，启动流体磨粒流设备，磨料从叶盘顶块和叶背顶块上的喇叭状引导孔流入，经过气膜孔，而后从榫头流出，单向运行，对叶盆靠近叶根部位的气膜孔和叶背靠近叶根部位的气膜孔外部孔边进行初次流体磨粒流倒圆抛光处理；
步骤5，双层壁涡轮叶片气膜孔外部孔边加工后，将双层壁涡轮叶片从专用夹具上拆卸下来，而后直接安装到流体磨粒流设备上，根据气膜孔最终尺寸预留孔径余量，对双层壁涡轮叶片叶身的全部气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光处理，流体磨粒流双向加工，正向时，磨料从榫头进入，经过气膜孔流出；反向时，磨料从气膜孔进入，而后从榫头流出，得到预定尺寸和表面粗糙度的气膜孔；
步骤6，最后用高压水和超声波对双层壁涡轮叶片零件内腔进行清洗。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于：所述专用夹具包括夹具体，在所述夹具体的叶盆顶块和叶背顶块上加工有与双层壁涡轮叶片气膜孔位置对应的引导孔，当加工双层壁涡轮叶片的气膜孔内腔孔边时，引导孔为等直径引导孔；当加工双层壁涡轮叶片的气膜孔外部孔边时，引导孔为喇叭状引导孔。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于：所述喇叭状引导孔角度为5°～30°，专用夹具的叶盘顶块及叶背顶块与双层壁涡轮叶片的空隙为2mm～4mm。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于：步骤2中，加工气膜孔内腔孔边后预留孔径加工余量为0.02 mm～0.03mm；步骤4中，加工气膜孔外部孔边后预留孔径加工余量为0.01 mm～0.02mm。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于：所述磨料选用碳化硅、氧化铝、金刚石、立方氮化硼中的一种或多种，磨粒形状为三棱柱、圆柱、圆锥、金字塔形中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种航空发动机双层壁涡轮叶片气膜孔抛光方法，其特征在于：加工气膜孔内腔孔边的磨粒流速度为100 m/s～150m/s，加工气膜孔外部孔边的磨粒流速度为150 m/s～200m/s，对双层壁涡轮叶片叶身的全部气膜孔进行最终流体磨粒流倒圆抛光的磨粒流速度为100m/s～150m/s。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 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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