原位复合的磨削与高速电火花加工装置、机床以及方法

技术领域

本发明涉及航空发动机制造技术领域，特别是涉及一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置、机床以及方法。

背景技术

在航空发动机工作状态下，涡轮叶片需要承受高温高压燃气的冲击，而涡轮叶片的承载高温环境的能力在很大程度上影响发动机的性能和使用寿命。目前，航空发动机涡轮叶片普遍采用先进的高温合金、耐高温热障涂层和气膜冷却孔来保证发动机长期可靠的工作。但随着发动机性能的提升，涡轮前温度的同步提升，造成涡轮叶片服役环境更加严峻，耐温性能要求提高，然而材料的耐受温度提升较为困难。因此，为了更好保护热端部件不发生烧蚀，高温涂层和气膜冷却孔冷却是降低表面温度的有效途径。

随着设计能力和加工技术的提升，可以充分利用气膜孔中气体在叶片表面的流动分布特性，异形孔逐渐成为发动机叶片气膜孔的主流方向。因此，越来越多的发动机热端部件气膜冷却孔从圆形孔逐渐演变成了异形孔，从电火花加工后再涂层逐渐演变成了先涂层后打孔。这将带来以下后果，首先，通常异形孔加工先通过高速电火花小孔加工，再进行气膜孔口扩张异形槽的电火花成型加工，但是此工艺造成效率低下、加工精度有待提升等问题；其次，由于高温涂层不导电，很难进行电火花加工，因为施加电火花加工前必须先去除待加工孔位处的非导电涂层。

纵观当前的气膜孔加工方法，尽管其他加工方法(如机械加工、电化学加工，激光加工)也能够加工气膜冷却孔，但是电火花加工仍旧是从经济性、可靠性和有效性上最为合适的一种加工方法。因此，如何高效、高精准地加工出带有非导电高温涂层特征的异形叶片气膜孔是电火花加工研究人员的关注焦点。

因此，提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置、机床以及方法，以解决现有技术中所存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置、机床以及方法，能够避免重复定位带来的加工误差，提高加工精度，同时解决了非导电高温涂层限制高速电火花加工无法进行的问题，改善了电火花加工气膜孔口扩张异形槽后再铸层和微裂纹严重的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置，包括：

Z轴运动机构，所述Z轴运动机构用于安装于机床主体上；

S轴运动机构，所述S轴运动机构安装于所述Z轴运动机构上，所述Z轴运动机构能够带动所述S轴运动机构沿Z轴移动；

电火花主轴，所述电火花主轴安装于所述S轴运动机构上，所述S轴运动机构能够带动所述电火花主轴沿S轴移动，所述电火花主轴安装有电极，所述电火花主轴能够带动所述电极绕C轴转动；其中，所述S轴与所述Z轴平行。

旋转导向盘，所述旋转导向盘安装于所述Z轴运动机构上，并能够绕W轴转动，所述Z轴运动机构能够带动所述旋转导向盘靠近或远离所述机床主体上安装的工件；所述旋转导向盘上安装有导向器和磨削主轴，所述磨削主轴上安装有磨削件，所述旋转导向盘能够带动所述导向器和所述磨削主轴转动，使所述导向器或所述磨削主轴处于工作位置；

所述磨削件处于工作位置时，所述磨削主轴能够带动所述磨削件转动，去除所述工件的加工部位的非导电涂层；所述导向器处于所述工作位置时，所述S轴运动机构能够带动所述电极移动，以使所述电极穿过所述导向器对所述工件进行电火花加工，或者带动所述电极从所述导向器抽出。

优选的，所述Z轴运动机构通过Z轴运动机构连接板安装于所述机床主体上。

优选的，所述电极为圆柱电极，所述圆柱电极内开设有沿轴向贯穿的通孔。

优选的，所述磨削件采用磨削棒，所述磨削棒内开设有沿轴向贯穿的通孔。

本发明还提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工机床，包括机床主体以及上述的原位复合的磨削与高速电火花加工装置，所述原位复合的磨削与高速电火花加工装置安装于所述机床主体上。

优选的，所述机床主体上安装有机床主体运动机构，所述原位复合的磨削与高速电火花加工装置安装于所述机床主体运动机构上；所述机床主体运动机构包括X轴运动机构和Y轴运动机构，能够带动所述原位复合的磨削与高速电火花加工装置沿X轴运动以及沿Y轴运动。

优选的，所述工件通过工件夹具安装于所述机床主体上，所述机床主体上安装有机床主体旋转机构，所述工件夹具安装于所述主体旋转机构上；所述主体旋转机构包括B轴旋转机构和C轴旋转机构，能够带动所述工件沿B轴转动以及绕C轴转动。

本发明还提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工方法，采用上述的原位复合的磨削与高速电火花加工机床，包括以下步骤：

S1：在所述机床主体上安装工件；

S2：转动所述旋转导向盘，切换所述磨削件至工作位置，执行机械磨削程序，去除所述工件上用于加工气膜孔口扩张异形槽处表面的非导电涂层；

S3：转动所述旋转导向盘，切换所述导向器至工作位置，进给所述电极，使所述电极穿过导向器并伸出，执行电火花铣削程序，加工出留有余量的所述气膜孔口扩张异形槽；

S4：执行电火花磨削程序，在所述气膜孔口扩张异形槽上减少表面缺陷层，加工结束或等待后续工序。

优选的，在所述步骤S1之前还包括步骤：

S11：通过三维模型，分别生成气膜孔口扩张异形槽机械磨削、电火花铣削以及电火花磨削的自动化加工代码；

S12：通过所述电极和所述磨削件分别碰边确定工件坐标系的原点位置。

优选的，所述步骤S3中，所述电火花铣削程序采用第一电能执行；所述步骤S4中，所述电火花磨削程序采用第二电能执行；且所述第一电能大于所述第二电能；

所述步骤S2中，执行所述机械磨削程序时，开启外充液，所述外充液采用的工作液为去离子水。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明能够在同一台设备上实现多道工序复合加工，首先能过通过机械微磨削去除工件表面尽可能少的非导电高温涂层，为高速电火花放电加工异形孔提供基础，其次通过大能量高速电火花铣削快速加工气膜孔口扩张异形槽，和成型加工相比显著提高加工效率，再者，通过小能量电火花磨削加工改善在再铸层等缺陷，同时能旋转导向盘切换工具电极导向器和空心磨削棒，消除重复装夹和重复定位带来的误差，提高了加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的实施例提供的加工机床的部分结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的进行机械磨削去除涂层的示意图；

图3为本发明的实施例提供的进行大能量电火花铣削加工气膜孔口扩张异形槽的示意图；

图4为本发明的实施例提供的进行小能量电火花磨削去除改善再铸层的示意图；

图中：1-Z轴运动机构、2-S轴运动机构、3-主轴连接板、4-电火花主轴、5-空心圆柱电极、6-旋转导向盘、7-磨削主轴、8-工件、9-空心磨削棒、10-联轴器、11-Z轴运动机构连接板、12-工件基体、13-非导电高温涂层、14-工件再铸层、15-导向器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置、机床以及方法，能够避免重复定位带来的加工误差，提高加工精度，同时解决了非导电高温涂层限制高速电火花加工无法进行的问题，改善了电火花加工气膜孔口扩张异形槽后再铸层和微裂纹严重的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图4所示，本实施例中提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工装置，包括：

Z轴运动机构1，Z轴运动机构1用于安装于机床主体上；

S轴运动机构2，S轴运动机构2通过主轴连接板3安装于Z轴运动机构1上，Z轴运动机构1能够带动S轴运动机构2沿Z轴移动；

电火花主轴4，电火花主轴4安装于S轴运动机构2上，S轴运动机构2能够带动电火花主轴4沿S轴移动，电火花主轴4安装有电极，电火花主轴4能够带动电极绕C轴转动；其中，S轴与Z轴平行。

旋转导向盘6，旋转导向盘6通过转轴转动安装于Z轴运动机构1上，并能够绕W轴转动，Z轴运动机构1能够带动旋转导向盘6靠近或远离机床主体上安装的工件8；旋转导向盘6上安装有导向器15和磨削主轴7，磨削主轴7上通过联轴器10安装有磨削件，旋转导向盘6能够带动导向器15和磨削主轴7转动，使导向器15或磨削主轴7处于工作位置；

磨削件处于工作位置时，磨削主轴7能够带动磨削件转动，去除工件8的加工部位的非导电涂层；导向器15处于工作位置时，S轴运动机构2能够带动电极移动，以使电极穿过空心的导向器15对工件8进行电火花加工，或者带动电极从导向器15抽出。

其中，需要说明的是本发明实施例中高速电火花加工指的是高速电火花小孔加工，而高速电火花小孔加工为行业中专有加工工艺。

在本实施例中，Z轴运动机构1通过Z轴运动机构连接板11安装于机床主体上，能够跟随机床的X轴和Y轴运动；具体地，机床主体上安装有机床主体运动机构，Z轴运动机构连接板11安装于机床主体运动机构上；机床主体运动机构包括X轴运动机构和Y轴运动机构，能够带动原位复合的磨削与高速电火花加工装置沿X轴运动以及沿Y轴运动。

在本实施例中，工件8通过工件夹具安装于机床主体上，机床主体上安装有机床主体旋转机构，工件夹具安装于主体旋转机构上；主体旋转机构包括B轴旋转机构和C轴旋转机构，能够带动工件8沿B轴转动以及绕C轴转动。

在本实施例中，电极为空心圆柱电极5，优选为中空圆柱电极，中空圆柱电极内开设有沿轴向贯穿的通孔，可以实现高压内充液，即中空圆柱电极的通孔内充入高压工作液，高压工作液从加工端冲出，冲刷加工界面的形式；且中空圆柱电极可以在电火花主轴4的带动下高速旋转，能够在进给轴(S轴运动机构2)的带动下实现和导向器15之间的相对位置进给。

进一步地，空心圆柱电极5的材料为黄铜或紫铜，高速电火花铣削和高速电火花磨削的加工极性均为正极性。

在本实施例中，磨削件采用空心磨削棒9，空心磨削棒9内开设有沿轴向贯穿的通孔；空心磨削棒9在磨削主轴的带动下能够实现高速旋转，从而实现机械磨削去除非导电高温涂层13。

在本实施例中，安装在旋转导向盘6上的导向器15和磨削棒经过校准，工作位置垂直于XOY平面，旋转导向盘6可以精确切换位置。

在本实施例中，还提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工机床，包括机床主体以及上述的原位复合的磨削与高速电火花加工装置，原位复合的磨削与高速电火花加工装置安装于机床主体上；其中，机床主体为现有成熟技术，可以根据具体工作需要进行选择。

在本实施例中，原位复合的磨削与高速电火花加工机床为7轴高速电火花复合加工机床，可动轴包括了移动轴X、Y、Z、S轴，旋转轴B、C、W轴以及两个主轴；进一步地，7轴高速电火花复合加工机床包括了数控系统、工作液循环和去离子过滤系统、工作台、7个伺服轴和两个主轴、机床主体以及各辅助系统。其中，数控系统、工作液循环和去离子过滤系统等均为成熟现有技术，可以根据具体工作需要进行选择。

进一步，需要说明的是，本发明实施例中C轴为中心线与电火花主轴4平行的旋转轴，W轴为中心线与旋转导向盘6的转轴平行的旋转轴，一种情况下，旋转导向盘6的转轴与Z轴平行，但不与电火花主轴4共线；另一种情况下，旋转导向盘6的转轴与Z轴具有夹角，以使得旋转导向盘6沿W轴旋转时可以切换不同的加工装置(磨削主轴或电极)对工件进行加工；B轴为中心线与Y轴平行的旋转轴；而Z轴和S轴均与C轴中心线平行，电火花主轴4沿Z轴运动时，能够实现靠近工件或远离工件，X轴、Y轴、Z轴为两两相互垂直的三维空间坐标轴。

本实施例中，首先通过机床的X、Y、Z、B、C轴实现加工位置空间定位，通过S轴实现空心圆柱电极5的伺服进给，通过旋转导向盘6实现加工位置切换，实现同一机床上先通过机械磨削去除非导电高温涂层13，再用高速电火花铣削工艺加工去除导电的基材，最后通过高速电火花磨削工艺加工改善再铸层等，实现带非导电高温涂层13的气膜孔口扩张异形槽的加工。

本实施例中，还提供一种原位复合的磨削与高速电火花加工方法，具体包括以下步骤：

S1：通过三维模型，分别生成机械磨削、电火花型腔铣削、电火花磨削的自动化加工代码，通过三维模型自动生成加工代码是本领域技术人员惯常采用的方法，本文中对此不再进行赘述。

S2：通过机床X、Y、Z的移动，利用空心圆柱电极5和空心磨削棒9分别碰边确定两个工件8坐标系的原点位置，其中，通过旋转导向盘6分别切换空心圆柱电极5和空心磨削棒9到工作位置。

S3：将工件8安装在专用夹具上，并将夹具安装在机床的工作平台上，工件8在平台上能够实现绕B轴和C轴的转动。

S4：如图2所示，转动旋转导向盘6，切换空心磨削棒9至工作位置，开启外充液(通过外部冲液管道对加工部位喷射工作液)，执行机械磨削加工程序，去除少量加工部位的非导电高温涂层13，露出工件基体12，直至加工完成，将空心磨削移动到远端，避免碰撞。

S5：如图3所示，转动旋转导向盘6，切换导向器15到工作位置，进给空心圆柱电极5，穿过导向器15并伸出一小段，开始执行大能量电火花铣削程序，利用空心圆柱电极5的圆环端面在工件基体12上加工出留有加工余量的气膜孔口扩张异形槽，直至加工完成，将导向器15移动到远端，避免碰撞。

S6：如图4所示，执行小能量电火花磨削程序，利用空心圆柱电极5的圆柱侧面在工件基体12上加工出工件再铸层14，改善表面损伤，直至加工完成，加工结束/等待后续工序。

其中，电火花铣削程序中的电能大于电火花磨削程序中的电能，即为大能量，电火花磨削程序则为小能量；电火花铣削一般在10A的电流以上，而电火花磨削加工一般在5-6A的电流以下。

在本实施例中，步骤S1中自动化加工代码通过CAM软件自动生成。

在本实施例中，步骤S2中空心圆柱电极5碰边使用短路接触感知信号判断接触。

在本实施例中，大能量高速电火花铣削工艺集成在数控系统中，包含了伺服控制、工具电极损耗补偿和I/O控制，I/O控制包含了高压内充液、外充液，主轴控制、脉冲电源控制等。

在本实施例中，小能量高速电火花磨削工艺集成在数控系统中，包含了伺服控制、工具电极损耗补偿和I/O控制，I/O控制包含了高压内充液、外充液，主轴控制、脉冲电源控制等。

在本实施例中，大能量高速电火花铣削工艺和小能量高速电火花磨削工艺集成在同一套数控系统中，在空心圆柱电极5可用长度足够时，加工使用同一根空心圆柱电极5。

综上，本发明能够综合利用机械磨削、大能量高速电火花铣削加工和小能量高速电火花磨削加工的优点，将三种方法同时集成于同一台设备装置，采用一次装夹，一次空间定位，三种加工工艺耦合方法的，避免重复定位带来的加工误差，提高加工精度，同时节省辅助时间，大幅度提升加工效率，同时解决了非导电高温涂层限制高速电火花加工无法进行的问题，改善了电火花加工气膜孔口扩张异形槽后再铸层和微裂纹严重的问题。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。