一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法。

背景技术

涡轮叶片气膜孔加工一直是航空发动机零部件生产中的重要坏节，其中涡轮工作叶片更加关键，一般涡轮工作叶片气膜孔在整个叶身分布100～300个，孔径Ф0.3mm～Ф0.5mm，角度为25°，深径比5～10。

随着新一代发动机性能需求提升，对涡轮叶片气膜孔加工质量和要求不断提高，同时新型单晶材料、新结构的应用，对气膜孔加工提出更严苛的挑战。目前涡轮叶片气膜孔的主流加工方式是放电加工，但是放电加工会产生重熔层缺陷，导致放电制孔方式在单晶材料新型涡轮叶片气膜孔加工中属于慎用技术。目前涡轮叶片气膜孔采用了电液束和超短脉冲激光形式实现了无变质层加工，但电液束和超短脉冲激光加工效率较低、人工依赖大不利于量产加工。放电制孔可实现对壁无损伤，并且成本低、成熟度高，主要是加工效率高，所以需要研制放电加工后变质层去除技术。机械扩、修孔方式是去除重熔层的一种方法，但是机械加工方式会残留毛刺和毛边孔口问题，特别在涡轮叶片角度斜孔加工中入口的放电加工中存在入口异型问题，影响机械去除效果，同时出口斜孔位置受到机械刀具挤压会出现毛边毛刺以及重熔层残留问题。

基于以上问题需要以放电制孔为基础，提出一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，在保障重熔层有效去除后能够不引入其他缺陷问题，提升材料疲劳性能。

发明内容

本发明目的是提供一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，采用该方法进行涡轮叶片气膜孔加工，达到无重熔层缺陷的目的，发挥技术优势实现高效率、成本低、高疲劳的工程化应用，满足型号单晶材料结构研制需求。

本发明提供了一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，首选需要控制放电制孔缺陷残留，即重熔层厚度。本发明采用基于DOE试验优化气膜孔重熔层厚度加工参数的方法，实现放电加工Ф0.3mm-Ф0.5mm的气膜孔的重熔层厚度稳定控制在≯0.015mm，步骤如下：

（1）确定重熔层厚度为响应变量，电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度为影响因子；

（2）在电火花加工试验过程中，实时记录电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的数据；

（3）利用Mintab软件进行分析。结合因子效应中的临界值，确定电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的影响显著性；

（4）将电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的实验数据分别进行方差分析，得到回归方程；

（5）将重熔层厚度约束≯0.015mm时，根据回归方程的最佳拟合度确定电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的最佳参数组合。

（6）将优化后的电火花加工的电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度数据再次进行试验，证明优化后的电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度数据的可靠性。

其次，采用了机械扩修孔方式于放电制孔在孔径和深度上进行衔接，将孔壁大部分重熔层有效去除。步骤如下：

（1）根据已加工孔测量出加工孔径，在多组钻头/铣刀中选择大于收口直径0.04mm的刀具（单边大于0.015mm），保证修孔去除余量大于重熔层厚度约0.05mm。

（2）通过坐标转换保证机械修孔刀具与已经加工底孔位置偏差不大于Ф0.05mm，该要求保证重熔层有效去除（修孔过程受到低孔引导作用，在刀具韧性的条件下，0.05偏差不会影响重熔层去除效果），同时减少刀具由于偏心问题折损。

（3）机械扩孔后需要保证刀具探出长度超过低孔深度，由于涡轮叶片存在不确定性厚度偏差，实际刀具孔底深度不确定，需要通过放电制孔的信号反馈技术识别孔底深度，该方法用到电极在入口端面记录碰到零件的初始H1，电极穿透后信号反馈点H2，以及电极在加工后孔边缘触碰点H3， ∣H1-H3∣为电极损耗长度，所以实际加工深度H=电极穿透点高度-电极初始点高度-电极损耗长度，即H=H2-H1-∣H1-H3∣。将深度H赋值到刀具深度中，实际需要进行再优化调整H。

再则，采用磨料流方式对孔壁和孔口进行光整加工，去除孔口重熔层和毛刺。步骤如下：

（1）采用仿真软件对气膜孔进行流场仿真，根据仿真结果调整磨料颗粒与磨液的比例以及颗粒大小、压力、流速分布，确定加工参数。

（2）采用磨料流加工参数对已加工叶片进行光整加工，已去除毛刺和孔口漏出金属光泽为限。

（3）采用高压水和超声的方式将残余磨料去除。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

本发明所述的涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，解决了放电制孔重熔层残留的问题，以及机械修孔毛刺和孔口异性的问题。提出了一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，保证单晶材料结构涡轮叶片气膜孔无重熔层加工需求。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为气膜加工演示图，包括放电制孔和机械扩孔示意图；

图中，H为加工深度，H1为电极第一个火花点位置，H3为加工后的位置，H2为电极穿透位置。

具体实施方式

下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明，说明书附图所绘示的结构、比例、大小，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

一种涡轮工作叶片气膜孔无重熔层制孔控制方法，首选需要控制放电制孔缺陷残留，即重熔层厚度。本发明采用基于DOE试验优化气膜孔重熔层厚度加工参数的方法，实现放电加工Ф0.3-Ф0.5的气膜孔的重熔层厚度稳定控制在≯0.015mm，步骤如下：

步骤一：确定重熔层厚度为响应变量，电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度为影响因子；

步骤二：在电火花加工试验过程中，实时记录电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的数据；

步骤三：将电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的试验数据输入到Mintab软件中进行因子设计与分析。采用部分因子试验，按因子的高-低水平值进行试验设计，共进行8次试验。结合因子效应中的临界值，确定电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的影响显著性。对响应变量的作用关系进行分析，寻找最佳因子配置组合。该步骤中的临界值为0.565。

步骤四：再利用Minitab软件，将电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的实验数据分别进行方差分析，得到回归方程。

步骤五：将重熔层厚度约束在0.015mm时，根据回归方程的最佳拟合度确定电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度的最佳参数组合。所述步骤四中重熔层厚度的最佳拟合度为0.9452。

步骤六：将优化后的电火花加工的电极间加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔时间、伺服进给速度数据再次进行试验，按以上步骤进行Ф0.3孔加工，分析优化得出加工工艺参数如下: 加工电流2A，脉冲宽度8µs，脉冲间隔时间25µs，伺服进给速度40%，经金相检查重熔层厚度为0.095mm。

采用了机械扩修孔方式于放电制孔在孔径和深度上进行衔接，将孔壁大部分重熔层有效去除。步骤如下：

步骤一：根据已加工孔测量出加工孔径，在多组钻头/铣刀中选择大于收口直径0.04mm的刀具（单边大于0.015mm），保证修孔去除余量大于重熔层厚度约0.05mm，以Ф0.3孔为例，钻头选择Ф0.34mm。

步骤二：通过零点定位系统完成两种工艺装备的坐标转换，已知零点定位系统误差在0.005以内，保证了位置精度≯Ф0.05mm，该要求保证重熔层有效去除（修孔过程受到低孔引导作用，在刀具韧性的条件下，0.05 mm偏差不会影响重熔层去除效果），同时减少刀具由于偏心问题折损。

步骤三：机械扩孔后需要保证刀具探出长度超过低孔深度，由于涡轮叶片存在不确定性厚度偏差，实际刀具低孔深度不确定，需要通过放电制孔的信号反馈技术识别底孔深度，该方法用到电极在入口端面记录碰到零件的初始H1，电极穿透后信号反馈点H2，以及电极在加工后孔边缘触碰点H3，∣H1-H3∣为电极损耗长度，所以实际加工深度H=电极穿透点高度-电极初始点高度-电极损耗长度，即H=H2-H1-∣H1-H3∣。将深度H赋值到刀具深度中，实际需要进行再优化调整H，见图1。

采用磨料流方式对孔壁和孔口进行光整加工，去除孔口重熔层和毛刺。步骤如下：

步骤一：采用仿真软件对气膜孔进行流场仿真，根据仿真结果调整磨料颗粒与磨液的比例以及颗粒大小、压力、流速分布，确定加工参数。

步骤二：采用磨料流加工参数对已加工叶片进行光整加工，已去除毛刺和孔口出明显的金属光泽，对比粗糙度样快，表面粗糙度由3.2提升到1.6。

步骤三：采用高压水和超声的方式将残余磨料去除。

经测试，以上方法发挥了各技术优势，实现了单晶材料涡轮叶片气膜孔无重熔层加工的需求。

本发明未尽事宜为公知技术。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。