一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法技术

本发明专利技术属于微小孔电加工技术领域，特别涉及一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法。本发明专利技术分为四个步骤，首先，对燃气轮机镍基高温合金叶片，按设计要求利用中空电极内冲液电火花加工出所需尺寸的圆孔；然后使用同一电极在外冲液的电解液环境中对已加工圆孔进行电解，去除重熔层；接着抬起电极，利用电火花伺服扫描、铣削加工工艺加工出气膜孔的簸箕形孔口；最后使用该电极端部对簸箕形孔口进行电解铣削加工，去除孔口重熔层，提高表面质量。本发明专利技术可以解决电火花加工气膜孔残留的重熔层和微裂纹问题，以及避免二次装夹定位误差，提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微小孔电加工
，特别涉及。
技术介绍
涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片在发动机循环中承受着燃烧后的高温高压燃气冲击。涡轮前温度是发动机性能的重要指标，提高涡轮前温度是提闻每千克气体循环功、提闻发动机推力的有效措施。由于润轮叶片材料可承受的温度有限，这就需要采用有效的冷却方式来降低涡轮叶片的壁面温度。涡轮冷却主要依靠气膜冷却技术，气膜冷却是由壁面上的喷口喷出冷却空气来阻隔主燃气流对壁面加热的一种热防护措施，气膜冷却兼有隔热和散热的双重作用，在航空发动机中得到广泛应用。气膜孔的材料、结构和技术要求特征，决定了传统机械加工方法难于满足微小气膜孔加工需求。为了达到气膜孔加工技术要求，激光加工、电火花加工、电解(电液束)加工等非接触式特种加工被研究并逐步应用于气膜孔加工，各技术具有其优势和局限性。激光加工速度快，材料适用范围广，但加工孔深受到限制，而且由于激光烧熔作用，孔内粗糙度不均匀且形成较厚的重熔层。电火花加工精度较高，利用旋转电极中空高压冲液的小孔加工工艺，可达到较高加工效率，加工孔深可达到150 _，孔内粗糙度较均匀，但也存在一定厚度的重熔层。电解加工根据工具电极不同可分为采用玻璃管内金属丝电极的加工和采用外壁涂有绝缘层金属管电极的加工两种方式，电解加工可实现无重熔层和微裂纹、无热影响区、表面精度高，但加工效率仍然远低于电火花加工小孔效率(朱海南，齐歆霞.涡轮叶片气膜孔加工技术及其发展.航空制造技术.2011，(13) : 7Γ74)0随着微小孔激光加工和电火花加工工艺的进步，气膜孔内重熔层的形态和厚度有所改善，但由于润轮用镇基闻温合金材料有着闻的热裂纹敏感性，在航空发动机的闻温闻压高转速环境下，气膜孔的重熔层和微裂纹将会导致气膜孔破裂、腐蚀从而致使叶片失效，威胁飞行体的安全。目前，除去激光、电火花加工微小孔重熔层的通用去除方法是采用磨粒流工艺，该工艺采用由聚合物载体和磨料组成的具有流动性的粘弹性材料对气膜孔表面进行抛光和去毛刺，可以获得较好的表面质量，但存在死角难以去除、对工件大小孔去除不均匀的问题。化学研磨是近期出现的气膜孔重熔层去除工艺，该工艺基于重熔层和叶片基体之间存在电位差的原理，通过化学溶液浸泡去除重熔层，对叶片进行大批量的后处理，特点是去除重熔层均匀、经济性好，但存在着通用性差、不同材料需配置不同化学溶液等问题(王茂才，谢玉江，王东生，张杰.镍基高温合金叶片无再铸层气膜孔快速制造方法.CN :200910012654. 5, 2009)。影响气膜冷却效率的因素有很多，如吹风比、气膜冷却表面曲率、气膜孔复合角和气膜孔几何结构等，其中气膜孔出口形状对冷却效率的影响最为显著。大量研究表明与常规圆柱形气膜孔相比，带复合角的气膜孔以及扇形气膜孔可获得更高的气膜冷却效率。目前加工气膜孔扇形孔口或簸箕形孔口的方法主要是采用带有一定角度的成形电极进行成型加工，该方法存在电极制造时间较长、电极损耗造成电极更换频繁和加工形状精度等问题。
技术实现思路
为解决带有复合角孔口(如扇形孔口、簸箕形孔口)的气膜孔的加工表面重熔层去除问题，以及簸箕形孔口的加工问题，本专利技术提供了。—种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法，其具体步骤如下(I)高频电火花穿孔加工过程即根据气膜孔加工要求的空间位置和角度，数控定位主轴头与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压冲液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到达预期设定的加工位置，加工出气膜圆孔； (2)电解加工去除重熔层过程保持同一电极与工件相对位置，使自适应密封机 构贴合在工件表面实现密封，采用高压环电极外冲液方式的电解加工去除预期厚度的重熔层，并实现气膜孔内壁的抛光；(3)电火花伺服扫描加工过程采用中空高压冲液电极旋转的端部放电铣削加工方式，进行沿着簸箕形孔口方向的相对扫描运动加工；(4)电解铣削加工过程利用外冲液和电极端部电解扫描加工；通过上述四个步骤即完成单个气膜孔的加工，对叶片上气膜群孔重复上述自动化工艺过程，即可一次装夹完成叶片全部气膜孔的加工。所述步骤(I)中利用电极下端的常闭夹子实现电极的夹持进给，提高加工过程中细电极的伺服进给刚度；并通过电极下端常闭夹子与电极上端常开夹子的协调开闭和进给控制，实现电极损耗补偿；通过中空旋转电极高压内冲液，采用高频窄脉宽脉冲电源的放电加工，实现具有较薄重熔层的圆孔成形。所述步骤(2)中利用同一电极对圆孔已加工孔壁进行电解加工去除重熔层，采用自适应密封机构针对叶片不同角度壁面实现密封，在电极和工件间隙非常小的环境下采用高压冲液方式保证电极和孔壁之间充满工作液。所述步骤(3)中利用同一简单电极的电火花伺服扫描、铣削工艺，加工出所要求的形状孔口，通过对扫描路径、加工参数和电参数进行规划和优化，实现对孔出口的成形加工。所述步骤(4)中利用同一电极电解铣削加工工艺对已加工的孔口表面进行电解加工，去除重熔层和提高表面精度，电解液采用自适应密封机构喷射的方式进入电极和工件间隙。本专利技术的有益效果为I.本专利技术对气膜孔的圆孔和簸箕形孔口采用中空圆形截面的同一简单电极进行加工，降低电极制造难度，减小成形电极制造周期，节约成本；2.将气膜孔圆孔加工分为电火花加工和电解去除重熔层两个工序在同一工位进行，可以兼顾效率和精度，并能完全去除重熔层，从工艺上可以解决二次装夹中的定位误差;3.簸箕形孔口的加工由于采用简单电极进行扫描加工，可以解决电极损耗带来的补偿问题，通过伺服扫描加工和路径规划，实现簸箕形孔口的成形加工；4.采用步骤(I)和步骤(3)，即仅利用高频窄脉宽脉冲电源对圆孔和簸箕形孔口进行电火花加工，可以实现较薄重熔层的气膜孔成形；5.采用高频脉冲电源电解工艺对孔壁进行重熔层去除，基于重熔层和基体的不同电解加工特性实现重熔层去除，提高表面加工质量。附图说明图I为整个叶片多组气膜孔电火花电解组合加工工艺流程示意图；图2为单个气膜孔电火花电解组合加工工艺示意图，其中图2a为高频电火花穿孔加工工艺示意图，图2b为电解加工去除重熔层工艺示意图，图2c为电火花伺服扫描加工工艺示意图，图2d为电解铣削加工工艺示意图； 图3为簸箕形气膜孔及电火花伺服扫描加工孔口示意图，其中图3a为簸箕型气膜孔结构示意图，图3b为电火花伺服扫描加工孔口示意图。具体实施例方式本专利技术提供了，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。如图I所示，，主要包括高频电火花穿孔加工过程、电解加工去除重熔层过程、电火花伺服扫描加工过程和电解铣削加工过程。如图2a所示，圆孔电火花加工原理是在旋转的中空管状电极中通以高压工作液，冲走加工屑，保持稳定的极间环境，同时保持高电流密度连续正常放电。电极旋转可使端面损耗均匀，不致受高压工作液的反作用力而偏斜。加工中采用高频窄脉宽脉冲电源，既能通过高频窄脉宽放电减小重熔层生成厚度，又可以通过高频放电保证加工效率。加工中采取合理的电极进给深度，以补偿电极端部径向和轴向损耗给圆孔出口造成的形状误差，保证圆孔加工形状精度。如图2b所示，首先针对叶片壁面曲率的变化采用自适应密封机构对待加工圆孔入口区域进行密封，在机构中使用防腐蚀材料设计若干周向喷口，高压泵对电解液加压后通过管路和喷口注入电极与圆孔壁之间。然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）高频电火花穿孔加工过程：即根据气膜孔加工要求的空间位置和角度，数控定位主轴头与涡轮叶片工件之间的相对位置，采用中空高压冲液电极旋转方式的电火花加工，控制电极加工进给到达预期设定的加工位置，加工出气膜圆孔；（2）电解加工去除重熔层过程：保持同一电极与工件相对位置，使自适应密封机构贴合在工件表面实现密封，采用高压环电极外冲液方式的电解加工去除预期厚度的重熔层，并实现气膜孔内壁的抛光；（3）电火花伺服扫描加工过程：采用中空高压冲液电极旋转的端部放电铣削加工方式，进行沿着簸箕形孔口方向的相对扫描运动加工；（4）电解铣削加工过程：利用外冲液和电极端部电解扫描加工；通过上述四个步骤即完成单个气膜孔的加工，对叶片上气膜群孔重复上述自动化工艺过程，即可一次装夹完成叶片全部气膜孔的加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：佟浩，李勇，王志强，孔全存，周凯，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：