一種航空發動機雙層渦輪葉片氣膜孔的加工方法與流程

本發明屬于微小孔特種加工技術領域，具體涉及一種航空發動機雙層渦輪葉片氣膜孔的加工方法。

背景技術：

渦輪是航空發動機中熱負荷和機械負荷最大的部件，渦輪葉片的工作環境尤為惡劣，在發動機循環中，它承受著燃燒后的高溫高壓燃氣沖擊，其制造技術也被列為現代航空發動機的關鍵技術。

由于渦輪葉片材料可承受的溫度是有限的，但是發動機性能很大程度取決于渦輪進口溫度的高低。因此，這就需要采用有效的冷卻方式來降低渦輪葉片的壁面溫度。渦輪冷卻主要依靠氣膜冷卻技術，氣膜冷卻技術是渦輪葉片具有代表性的重要結構改進之一，大大提高了發動機的性能同時也對氣膜孔加工技術提出了更高的要求。傳統的氣膜孔加工技術主要有激光打孔、電火花高速打孔、電化學打孔等方式。

為了提高渦輪葉片的性能，除了在氣膜冷卻技術上進行研究以外，也對渦輪葉片的結構進行了改進；現在研制出最新型的渦輪葉片包括兩層，如圖3所示，分別是工作面和背墻，工作面是和現在常規的單層的渦輪葉片需要打出氣膜孔的工作面一樣，而背墻則是與渦輪葉片的工作面之間具備一定的縫隙，且設置在渦輪葉片內層。

而對于這種雙層的新型渦輪葉片加工最重要的地方就是只能在工作面加工出氣膜孔，而不能對背墻造成損傷，而現在市面上的電火花加工氣膜孔的技術都是針對單層的渦輪葉片，因此，現有技術中沒有一種有效的方式來解決只打穿工作面而不損傷背墻的問題。

技術實現要素：

本發明目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種航空發動機雙層渦輪葉片氣膜孔的加工方法，具有能夠在渦輪葉片的工作面打出氣膜孔而不傷到背墻的優點。

為了實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種航空發動機雙層渦輪葉片氣膜孔的加工方法，其特征在于，包括以下加工過程：

（1）氣膜孔入口加工：

根據預設的加工位置和加工角度，數控機床定位電極與渦輪葉片工件之間的相對位置，采用中空高壓液電極旋轉方式的電火花加工，控制電極加工進給到預期設定的加工位置，加工氣膜孔；

系統控制電極向下進給，當系統檢測到入口加工信號時，系統將檢測到的電極位置數據清零，系統采用入口加工參數進行氣膜孔入口加工，直到系統檢測到加工中信號；所述入口加工信號是指電極進給速度大幅降低和電極的極間電壓大幅下降；所述入口加工參數包括入口加工深度、角度、位置、放電電源參數，所述放電電源參數包括脈寬、脈間、電流參數；

（2）氣膜孔加工中：

根據步驟（1），系統檢測到加工中信號，系統將入口加工參數切換成加工中參數，電極繼續進給，當系統檢測到出口加工信號，執行下述步驟（3），當系統檢測到第一穿透信號，執行下述步驟（4）；

所述加工中信號是指系統檢測到電極極間電壓、電極進給速度數據趨于穩定和入口加工深度達到系統預設值；加工中參數也包括加工中加工深度、角度、位置、放電電源參數；

出口加工信號是指電極進給速度低于最低閾值，第一穿透信號是指電極進給速度超過最高閾值，所述電極進給速度的最高閾值和最低閾值由加工中加工深度達到系統預設值后，系統自動生成；

（3）氣膜孔出口加工：

根據步驟（2），系統檢測到出口加工信號，系統將加工中參數切換成出口加工參數，電極繼續進給，直到系統檢測到第二穿透信號后，執行下述步驟（4）；所述出口加工參數包括出口加工深度、角度、位置、放電電源參數，所述放電電源參數包括脈寬、脈間、電流參數；

所述第二穿透信號是指系統檢測到出口加工深度達到系統預設值和電極進給速度超過最高閾值；

（4）系統控制電極停止進給，加工出氣膜孔。

進一步地，在上述步驟（1）前還包括電極修整過程：

系統執行電極修整程序，電極向下進給修整電極，達到系統預設的電極修整深度后，系統切換至加工狀態，進行加工過程；

進一步地，還包括去除重熔層過程：

根據上述步驟（4），電極停止進給，電極保持旋轉，系統切換至電解加工參數，控制在電極與氣膜孔之間的間隙內噴入高壓電解液，電解重熔層，當達到系統預設的電解時間，系統控制停止在電極與氣膜孔之間的間隙內噴入高壓電解液并退回電極。

具體地，入口加工深度的系統預設值、出口加工深度的系統預設值、加工中加工深度的系統預設值皆由三維軟件計算出后導入控制系統。

進一步地，在加工過程中，控制系統檢測到電極進給速度依次出現快變慢后變快、變快后又變慢波動時，控制系統控制發出警報表示背墻受到電極破壞。

進一步地，在加工過程中，控制系統對加工氣膜孔的時間進行儲存記錄，當控制系統檢測到此次加工氣膜孔時間與上個氣膜孔加工時間差距系統預設時間差時，控制系統控制發出警報表示背墻有受到電極破壞的風險，系統預設時間差為人工設定。

進一步地，所述控制系統通過安裝在數控機床上的氣膜孔加工裝置口控制向電極與氣膜孔之間的間隙內噴入電解液，所述氣膜孔加工裝置包括本體和進液管，所述本體上設有用于安裝電極的電極通道和用于工作液的工作液通道，工作液通道連通進液口和本體出口部，所述電極通道也連通本體出口部，所述本體出口部便于電極從本體中伸出和工作液從本體中噴出，所述本體出口部外部為錐形，所述本體出口部內設有供電極和工作液通過的豎直通道；所述進液管包括用于通入去離子水的去離子水管、用于通入電解液的電解液管和用于與本體進液口連通工作液管；所述去離子水管、電解液管皆與工作液管連通，所述去離子水管、電解液管上皆設有電磁閥，所述電磁閥皆由數控機床控制系統控制。

具體地，在加工過程中，控制系統控制啟動去離子水電磁閥，去離子水經過工作液通道和氣膜孔加工裝置出口噴向工件表面后控制系統控制電極開始進給打出氣膜孔。

具體地，在去重熔層過程中，控制系統控制關閉去離子水閥，啟動電解液閥門，電解液經過工作液通道和氣膜孔加工裝置出口噴向電極與氣膜孔之間的間隙，去除氣膜孔內的重熔層。

更具體地，所述本體還包括電極入口，所述電極通道與電極入口連通，電極入口呈喇叭形，便于安裝電極，所述電極通道頂部設有定位耐磨件，所述定位耐磨件內設有喇叭形通道，構成了上述電極入口，所述電極定位耐磨件的尺寸使得喇叭形通道的出口與電極之間的間隙不大于0.01mm，所述電極定位耐磨件為鎢鋼/陶瓷制成的電極定位耐磨件，所述電極通道的出口對應的電極通道壁為錐形。

本發明中，設計電極修整過程是由于電極加工完一個氣膜孔后，電機端部會發生損耗成尖頭，影響后續孔的加工精度以及加工效率和穿透信號準確性，因此對電極進行修整，使得加工效率高、效果好；現在市面上的電極修整方法，一般是是靠一個單獨的電極對加工電極進行修整，這樣修整出來的電極是一個單一的、固定的平面，而本發明使用的方法是采用零件待加工表面對電極進行修整，這樣修整出的電極與零件的表面完全貼合，可以修整出不同角度的平面，可以更加穩定、快速的加工以及對背墻更好的保護。現在市面上沒有任何技術采用這種方式對電極進行修整。

在本發明中，氣膜孔加工過程中，氣膜孔入口加工、氣膜孔加工中和氣膜孔出口加工的加工參數分別設置是因為氣膜孔絕大多數都是斜面加工，為了達到更高的效率及可靠性，所以需要設置不同的加工參數。

在電火花加工氣膜孔的過程中，氣膜孔表面會形成重熔層，降低渦輪葉片的壽命，因此必須去除氣膜孔的重熔層，在本發明中，可以在加工同時對重熔層去除，使得重熔層去除效果好。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

（1）本發明的氣膜孔加工方法使得能夠只在工作面打出氣膜孔。

（2）本發明的氣膜孔加工方法可以結合電火花和電化學的加工，去除加工氣膜孔過程中產生的重熔層。

說明書附圖

圖1為氣膜孔加工裝置的結構示意圖。

圖2為第二構件的結構示意圖。

圖3為雙層渦輪葉片的部分結構示意圖。

其中，附圖標記如下所示：1-本體，2-電極通道，21-電極通道的出口， 3-工作液通道，4-本體出口部，5-進液口，6-電極入口。

具體實施方式

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種航空發動機雙層渦輪葉片氣膜孔的加工方法。

下面結合實施例對本發明作進一步詳細說明。

實施例1

一種航空發動機的氣膜孔加工方法，包括以下過程：

（1）電極修整過程：

系統執行電極修整程序，電極向下進給修整電極，達到系統預設的電極修整深度后，系統切換至加工狀態，進行加工過程。

（2）氣膜孔加工過程：

（a1）氣膜孔入口加工：

根據預設的加工位置和加工角度，數控機床定位電極與渦輪葉片工件之間的相對位置，采用中空高壓液電極旋轉方式的電火花加工，控制電極加工進給到預期設定的加工位置，加工氣膜孔；

系統控制電極向下進給，當系統檢測到入口加工信號時，系統將檢測到的電極位置數據清零，同時系統切換參數為入口加工參數并開啟脈沖電源進行氣膜孔入口加工，直到系統檢測到加工中信號；所述入口加工信號是指電極進給速度大幅降低和電極極間電壓大幅降低；所述入口加工參數包括入口加工深度、角度、位置、放電電源參數，所述放電電源參數包括脈寬、脈間、電流參數；

（a2）氣膜孔加工中：

根據步驟（a1），系統檢測到加工中信號，系統將入口加工參數切換成加工中參數，電極繼續進給，當系統檢測到出口加工信號，執行下述步驟（a3），當系統檢測到第一穿透信號，執行下述步驟（a4）；

所述加工中信號是指系統檢測到電極極間電壓、電極進給速度數據趨于穩定和入口加工深度達到系統預設值；加工中參數也包括加工中加工深度、角度、位置、放電電源參數；

出口加工信號是指電極進給速度低于最低閾值，第一穿透信號是指電極進給速度超過最高閾值，所述電極進給速度的最高閾值和最低閾值由加工中加工深度達到系統預設值后，系統自動生成；

（a3）氣膜孔出口加工：

根據步驟（a2），系統檢測到出口加工信號，系統將加工中參數切換成出口加工參數，電極繼續進給，直到系統檢測到第二穿透信號后，執行下述步驟（a4）；所述出口加工參數包括出口加工深度、角度、位置、放電電源參數，所述放電電源參數包括脈寬、脈間、電流參數；

所述第二穿透信號是指系統檢測到出口加工深度達到系統預設值和電極進給速度超過最高閾值；

（a4）系統控制電極停止進給，加工出氣膜孔。

（3）去除重熔層過程：

根據上述步驟（a4），電極停止進給，電極保持旋轉，系統切換至電解加工參數，控制在電極與氣膜孔之間的間隙內噴入高壓電解液，電解重熔層，當達到系統預設的電解時間，系統控制停止在電極與氣膜孔之間的間隙內噴入高壓電解液并退回電極。

值得特別強調的是，述控制系統通過安裝在數控機床上的氣膜孔加工裝置口控制向電極與氣膜孔之間的間隙內噴入電解液。

還值得說明的是，由于執行電極修正程序，因此，電極修整過程與氣膜孔加工過程中電極之間的極間電壓的正負方向是相反的，使得電極修整過程是對電極加工，氣膜孔加工過程是對電極加工。

實施例2

本實施例與實施例1的區別在于，進一步地，所述氣膜孔加工裝置包括本體1和進液管，所述本體上設有進液口5、工作液通道3本體出口部4、電極通道2、電極入口6；所述進液口與工作液通道連通，所述電極入口與電極通道連通，所述工作液通道和電極通道皆與本體出口部連通。所述電極通道用于放置電極，工作液通道通入工作液。一般在電火花加工氣膜孔過程中，工作液為電解液和去離子水。所述進液管為三通管，所述三通管包括分別用于通入離子水的去離子水管、用于通入電解液的電解液管和用于與進液口連通的工作液管，所述去離子水管、電解液管皆與工作液管連通，所述去離子水管、電解液管上設有由數控機床的控制系統控制的電磁閥。

值得特別強調的是，所述電極通道為豎向通道，所述工作液通道也為豎向通道。所述電極通道設置在本體中心位置，所述工作液通道有四個，均勻的分布在電極通道四周。

所述電極入口呈現喇叭狀，便于電極的插入。

值得強調的是，所述電極入口由電極定位耐磨件構成，所述電極定位耐磨件設置在電極通道頂部形成電極入口，所述電極定位耐磨件內部設有喇叭形通道，使得電極入口呈現喇叭狀。

所述本體以其外部形狀來看，可以從上到下依次分為第一本體、第二本體、第三本體和第四本體；所述第一本體、第二本體、第三本體的外部形狀皆為圓柱形，所述第一本體的外徑小于第二本體的外徑，使得形成一個臺階構造，作為便于數控機床夾持的夾持部。

第三本體的外徑小于第二本體的外徑，這樣設計的原因是考慮到工作液的快速通入和節約工作液用量的原因，第二本體上對應的工作液通道的內徑要大于第三本體上對應的工作液通道的內徑，為了實現上述尺寸，第三本體外徑要小于第二本體的外徑。

第四本體由上至下，外徑依次減小，由于本體出口部是設置在第四本體上的，這樣就能夠使得本體出口部的外部為收斂狀，保證了最少的干涉，在很小的空間都能正常的加工。

本體出口部內部為豎直通道，這是由于本體出口部內部的豎直通道起到引流的作用，確保工作液（特別是高壓電解液）能充分的進入加工間歇，使得電解狀態穩定，以得到穩定的無重熔層小孔。

還需說明的是，為了使得電極能夠起到引流作用，工作液能夠匯聚的電極上，隨電極的伸出噴出到加工間隙，所述電極通道的出口21對應的電極通道壁也為收斂狀。

本實施例中，本體出口部內部的豎直通道的內徑大于電極通道的內徑。

本實施例中，電極定位耐磨件優選為鎢鋼/陶瓷制成的電極定位耐磨件。采用了電極定位耐磨件是由于電極在打孔的時候是旋轉的，容易產生磨損，為了確保氣膜孔加工裝置的使用壽命，設計了定位耐磨件。

值得特別強調的是，所述電極定位耐磨件的尺寸使得喇叭形通道的出口與電極之間的間隙不大于0.01mm，使得電極高速旋轉時而沒有太大的跳動。

本實施例設計的目的是為了實現在電火花加工氣膜孔后注入電解液對氣膜孔內壁因電火花加工的重熔層進行電解，從而實現產品無重熔層的效果。而為了要很好的實現產品無重熔層，則必須保證電解液是跟隨電極均勻的注入了氣膜孔。因此在電極通道的出口收斂和本體出口部收斂就是為了保證這一點。

本實施例所述裝置是安裝在數控機床的夾頭上的，安裝方法按照常規方法即可，不做詳細描述。

本實施例中，所述電極通道是穩定電極的，使電極在旋轉時不會有太大的跳動；工作液通道與進液口和本體出口部連通，本體出口部的收斂形狀可以使工作液更好的匯聚，起到引流的作用，使工作液能充分進入加工間歇。

本實施例中，所述收斂狀可以理解為錐形結構。

在開始加工前，數控機床的控制系統控制電磁閥接通去離子水，去離子水經過電磁閥到達進液口，經過工作液通道以及出口噴向工件表面，開始進行電火花放電加工，去離子水可以帶走放電產生的殘渣以及冷卻工件表面；數控系統控制電極向下送進；當深度到達設定值時，系統停止對電極的送進，并通過控制電磁閥關閉去離子水管道，打開電解液電磁閥，使高壓電解液經過電磁閥進入工作液入口以及工作液通道，經過出口高速噴向電極周圍的與氣膜孔之間的加工間歇，進行對小孔內壁進行電化學加工，當設定的電解時間達到時，系統關閉電解液并抬起電極，為加工下一個孔做準備。

從實施例的使用方法就能看出本實施例的結構的一個重要優點，本實施例的結構使得電極有引流作用，高壓電解液是跟隨電極噴出的，也就是說，在任何刁鉆的角度打孔，只要電極能夠打出氣膜孔，電解液就可以進入加工間歇電解重熔層，這也是本實施例非常重要的一個優點；由于本結構的高壓電解液完全包裹了電極的放電部分，故本裝置同樣也適用于電化學銑削加工，可以結合電火花放電加工加工出無重熔層的簸箕孔。

使用本實施例中所述的氣膜孔加工裝置可以大大的提高加工效率，其原因如下：一般的電火花打孔機為了盡可能的控制重熔層厚度（有些零件允許有重熔層的情況，一般航空標準下，重熔層厚度最大不能超過0.05mm，有的必須要小于0.03mm)而必須在普通電火花加工的基礎上減小放電功率，這樣加工效率就會大幅下降；而應用本實施例的電火花加工的時候完全不用考慮重熔層的問題，反而可以在普通電火花加工的基礎上提高放電功率，使電火花加工的效率得到很大提高，就算是算上電解消耗時間也比之前的普通電火花加工效率高出很多；而且電解加工只是去除重熔層，所以電解的時間是很短的。

本發明的內容不限于實施例數所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。