CN117655902A - 一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光选区熔化增材制造技术领域，具体涉及一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法及装置，该装置包括筒体、支架、安装座、第一电机、第二电机和振动器；筒体内部装填磨粒，第一电机与筒体驱动连接，用于驱动筒体绕自身中轴线转动；筒体内部固定设置若干个的支架，支架上设置用于固定安装涡流器的安装座，安装座通过第二电机驱动进行绕自身轴向的转动，安装座的转动轴线的指向与筒体的转动方向一致；振动器固定安装在筒体上，用于筒体驱动横向和纵向振动。光整中，涡流器轴向转速根据流道方向的变化进行周期性变化，实现涡流器流道内表面的均匀光整，同时对涡流器增加振动驱动，可以进一步提高涡流器流道表面质量和一致性。

Description

一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法和装置

技术领域

本发明属于激光选区熔化增材制造技术领域，具体涉及一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法和装置。

背景技术：

增材制造技术是集新材料、高能束、数字化等为一体的高新技术，被应用于航空发动机领域。增材制造技术种类较多，其中激光选区熔化增材制造工艺(以下简称增材制造)可以制造带有内腔的复杂结构零件，比如航空发动机涡流器。涡流器整体为环形流道结构，且流道由内腔均布的若干叶片组成。但增材制造技术属于净近成形，流道成形后表面质量差，粗糙度一般大于Ra6.3μm，且内表面粘连成形过程中的金属粉末，严重影响涡流器的流量性能，进而对航空发动机性能造成影响。

因此涡流器增材制造后需要对流道内表面进行光整处理，常用的方法有以下几种：(1)采用人工抛磨的方法对流道内表面进行抛磨，由于流道狭小，且叶片多为曲面结构，无法对所有内表面进行抛磨，人工操作还易对流道造成损伤，影响流道的一致性。(2)采用磨粒流加工的方法对流道内表面进行光整，可以通过设备参数对流道内表面的光整程度进行控制，但目前磨粒流加工工艺均是零件固定，磨粒沿固定方向进入流道，造成流道内表面光整不均匀，沿着磨粒进入流道方向的内表面加工量偏大，而其余内表面无法进行加工，同样影响流道一致性。(3)采用吹砂、振动光饰等方法对流道内表面进行光整，也很难控制磨粒进入流道的方向，且对流道内表面质量的改善作用有限，无法满足流道内表面要求，进而影响涡流器的流量性能。.

发明内容：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种航空发动机涡流器流道内表面光整装置，通过该装置的密闭圆形筒体的转动，带动筒体内磨粒以一定速度进行转动，磨粒运动进行对涡流器流道内表面进行光整，其中通过调节涡流器轴向转速控制磨粒与涡流器流道的相对运动角度，进而使磨粒按照需求方向进入涡流器流道，涡流器轴向转速根据流道方向的变化进行周期性变化，实现涡流器流道内表面的均匀光整，同时对涡流器增加振动驱动，通过调整振动频率和振幅，可以进一步提高涡流器流道表面质量和一致性。

本发明创造的目的是通过下述的技术方案实现的：

一种航空发动机涡流器流道内表面光整装置，包括筒体、支架、安装座、第一电机、第二电机和振动器；

所述筒体内部装填磨粒，第一电机与筒体驱动连接，用于驱动筒体绕自身中轴线转动；

筒体内部固定设置若干个的支架，支架上设置用于固定安装涡流器的安装座，安装座通过第二电机驱动进行绕自身轴向的转动，安装座的转动轴线的指向与筒体的转动方向一致；

振动器固定安装在筒体上，用于筒体驱动横向和纵向振动。

一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法，使用了前述的光整装置，包括以下步骤：

步骤一：将涡流器同轴安装在安装座上；

步骤二：转动光整装置的筒体，同时转动涡流器，其间，调节涡流器的转速根据叶片与涡流器径向的角度、筒体的转速、流道半径以及涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离进行确定。

步骤三：启动筒体振动，带动磨粒进行固定频率和振幅的振动；

步骤四：一段时间后，停止光整装置运行，取出涡流器，完成流道内表面光整。

进一步地，步骤二中，磨粒为流体弹性磨粒配方。

进一步地，步骤二中，根据不同的磨粒，调节光整装置筒体的转速ω₂。

进一步地，步骤二中，设流道半径r为流道外环与内环半径的平均值，若叶片与径向角度为90°，则采用最优涡流器转速ω₁＝0，若叶片与径向角度为α，流道半径为r，涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离为1，则采用最优涡流器转速ω₁＝ω₂l/rtanα。

进一步地，步骤二中，若叶片为异形曲面，叶片纵截面曲线函数为y＝f(x)，x方向为涡流器的径向，y方向为涡流器的轴向，原点(0,0)为磨粒进入流道的初始点，涡流器的转速则ω₁为周期性变化，变化范围为ω₂l/rf′(0)到-ω₂l/rf′(h)或-ω₂l/rf′(-h)，h为叶片沿涡流器径向的长度。

进一步地，在一个周期内，叶片上的每个角度不同的部分处于其最优ω₁的时间与该部分占叶片总长度的比例成正比。

与现有技木相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明优点是通过控制涡流器的转速，磨粒沿着流道方向进入，且沿流道结构进行随形光整。流道表面能够均匀地进行光整，去除流道内所有粘连金属粉末，且光整后所有表面粗糙度得到改善，满足涡流器的设计要求。提高了流道表面质量的一致性，进而提高航空发动机的性能。通过振动台产生不同频率和振幅的振动，带动磨粒振动，并与其转动进行复合，能够对狭小位置进行光整，有利于磨粒的流动，光整结束后流道狭小位置无磨粒残留。

本发明的工艺参数根据固有的装置结构和零件的尺寸确定，光整过程中的变量较少，通过简单的计算即可控制磨粒的速率和方向，光整系统简单，装置使用方便。

本发明装置适用性强，适用于航空发动机环形流道结构件，解决流道表面质量问题。

本发明为自动光整方法，避免了人工大量抛磨工作,进而提高零件合格率。

附图说明:

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例中的涡流器的俯视图。

图2为图1中A-A向的剖视图。

图3为本发明实施例中的涡流器叶片轴向截面曲线示意图。

图4为本发明实施例中的光整装置的结构示意图。

图5为本发明实施例中的涡流器安装结构示意图。

说明书附图中的附图标记啊包括：1-内环、2-叶片、3-外环、4-流道、5-筒体、6-支架、7-安装座、8-第一电机、9-第二电机、10-振动器、11-压板、12-螺栓、13-涡流器、14-磨粒。

具体实现方式:

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本例中的涡流器整体结构如图1、2所示，由内环1、叶片2、外环3组成，内部空腔形成了流道4。如图2和图3所示，与涡流器径向角度为90°的叶片部分长度为4mm，与涡流器径向角度为120°的叶片部分长度为10mm。

如图4所示，本例中涡流器流道内表面光整装置包括筒体5、支架6、安装座7、第一电机8、第二电机9、和振动器10。筒体5为中空圆柱结构，内部装填磨粒14，第一电机的输出轴与筒体5同轴连接，通过第一电机8驱动筒体5带动磨粒14进行转动。筒体5内部设置若干个的支架6(图中示例性的展示了其中一个支架)，该支架通过支撑结构固定安装，本例中如图中所示，支架6的固定端与一支撑杆固定连接，该支撑杆沿着筒体5的旋转轴固定设置；如图5所示，支架6上设置安装座7，用于涡流器13的安装固定。安装座7通过第二电机9驱动进行绕自身中轴线的转动，安装座7的转动轴线的指向与筒体的转动方向一致。调节第二电机9电流使得安装座7周期性地以变化速率进行转动。振动器10固定安装在筒体5上，可驱动同筒体5横向和纵向振动。

本例中涡流器流道内表面光整方法具体如下：

步骤一：采用压板11压紧的方式利用螺栓12将涡流器13安装在光整装置的安装座7上，压板可直接与零件接触，不用专门密封，压板为环形片状，压板中间穿过螺栓与安装座进行固定。压板避开流道位置，不干涉磨粒进出流道。

步骤二：以固定速度ω₂转动光整装置的筒体5，筒体5带动内部磨粒14以一定速率进行转动，从而运动的磨粒14进入涡流器流道4。磨粒14为流体弹性磨粒配方，主要包括基体、磨粒、溶剂油、增塑剂、软化剂、热稳定剂等材料，同时：转动涡流器13，磨粒14以一定方向进入涡流器流道4。根据不同的磨粒，调节光整装置筒体的转速ω₂。

期间：周期性调节涡流器13的转速；磨粒14进入涡流器流道4时，叶片2与涡流器径向角度为90°，此时涡流器转速优选的为0。当磨粒进入涡流器流道4后，叶片2与涡流器径向角度为120°，磨粒进入涡流器流道的最大速度V_max＝ω₂(l+r_max)，最小速V_min＝ω₂(1-r_max)，其中l为支架6的长度，即涡流器13的转动中心到转筒5的转动轴线的垂直距离，r_max为涡流器最大半径，由于涡流器结构较小，r_max远小于1，在计算过程中设磨粒进入涡流器不同位置的速度是相同的V＝ω₂l。

涡流器的转速根据叶片与涡流器径向的角度、筒体的转速、流道半径以及涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离进行确定。设流道半径r为流道外环与内环半径的平均值，若叶片与径向角度为90°，则涡流器优选的为转速ω₁＝0，若叶片与径向角度为α，筒体的转速为ω₂，流道半径为r，涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离为1，则涡流器转速优先的为ω₁＝ω₂l/rtanα。

若叶片为异形曲面，叶片纵截面曲线函数为y＝f(x)，x方向为涡流器的径向，y方向为涡流器的轴向，原点(0,0)为磨粒进入流道的初始点，涡流器的转速则ω₁为周期性变化，变化范围为ω₂l/rf′(0)到-ω₂l/rf′(h)或-ω₂l/rf′(-h)，h为叶片沿涡流器径向的长度。

速度变化曲线可以实匀速或者根据跟随曲线函数为y＝f(x)变化，进而使得在一个周期内，叶片上的每个角度不同的部分处于其最优ω₁的时间与该部分占叶片总长度的比例成正比。

本例中，l为支架6的长度，即涡流器13的转动中心到转筒5的转动轴线的垂直距离，r为流道4的半径。涡流器径向角度为90°的叶片部分长度为4mm，与涡流器径向角度为120°的叶片部分长度为10mm。因此涡流器的转速在0到间周期性变化，转速为的时间是转速为0的2.5倍，对应涡流器径向角度为90°的叶片部分长度与涡流器径向角度为120°的长度，可设涡流器转速变化周期为7s，转速为0时间为2s，转速为的时间为5s，进而对流道内表面进行均匀光整。

步骤三：启动振动器10，带动磨粒14进行固定频率和振幅的振动，提高磨粒的运动和光整效果。

步骤四：一段时间后停止光整装置运行，取出涡流器13，完成流道4内表面光整。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种航空发动机涡流器流道内表面光整装置，其特征在于，包括筒体、支架、安装座、第一电机、第二电机和振动器；

所述筒体内部装填磨粒，第一电机与筒体驱动连接，用于驱动筒体绕自身中轴线转动；

筒体内部固定设置若干个的支架，支架上设置用于固定安装涡流器的安装座，安装座通过第二电机驱动进行绕自身轴向的转动，安装座的转动轴线的指向与筒体的转动方向一致；

振动器固定安装在筒体上，用于筒体驱动横向和纵向振动。

2.一种航空发动机涡流器流道内表面光整方法，使用了如权利要求1所述的光整装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将涡流器同轴安装在安装座上；

步骤二：转动光整装置的筒体，同时转动涡流器，其间，调节涡流器的转速根据叶片与涡流器径向的角度、筒体的转速、流道半径以及涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离进行确定；

步骤三：启动筒体振动，带动磨粒进行固定频率和振幅的振动；

步骤四：一段时间后，停止光整装置运行，取出涡流器，完成流道内表面光整。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中，磨粒为流体弹性磨粒配方。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中，根据不同的磨粒，调节光整装置筒体的转速ω₂。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中，设流道半径r为流道外环与内环半径的平均值，若叶片与径向角度为90°，则采用最优涡流器转速ω₁＝0，若叶片与径向角度为α，流道半径为r，涡流器的旋转轴线与筒体的旋转轴线间的垂直距离为1，则采用最优涡流器转速ω₁＝ω₂l/rtanα。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中，若叶片为异形曲面，叶片纵截面曲线函数为y＝f(x)，x方向为涡流器的径向，y方向为涡流器的轴向，原点(0,0)为磨粒进入流道的初始点，则涡流器的转速ω₁为周期性变化，变化范围为ω₂l/rf′(0)到-ω₂l/rf′(h)或-ω₂l/rf′(-h)，h为叶片沿涡流器径向的长度。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在一个周期内，叶片上的每个角度不同的部分处于其最优ω₁的时间与该部分占叶片总长度的比例成正比。