一种高压涡轮导向叶片气膜孔激光加工方法与流程

本发明属于航空发动机制造技术领域，具体涉及一种高压涡轮导向叶片气膜孔激光加工方法。

背景技术：

涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，涡轮叶片的工作环境尤为恶劣，在发动机循环中，它承受着燃烧后的高温高压燃气冲击，其制造技术被列为现代航空发动机的关键技术。涡轮叶片气膜孔冷却技术是一种提高涡轮进口温度、保证涡轮叶片在高温环境下可靠工作的可行且高效的途径。气膜冷却技术的主要结构特点是在涡轮叶片叶身上沿叶型方向分布了n排冷却气膜孔，从气膜孔喷出的冷却气流在叶身表面形成气膜，阻隔高温的燃气，从而提高叶片材料的耐高温性能，为了保证从气膜孔喷出的冷却气流在叶身表面形成有效的气膜保护，所以对气膜孔的位置要求非常高，孔位置度±0.15mm。因而，气膜孔的加工技术成为涡轮叶片制造的关键技术之一。

某新型航空发动机高压涡轮导向叶片材料为镍基高温合金，叶身和内、外缘板采用无余量一体铸造，有两个空心型腔，结构复杂，在叶身和内、外缘板的曲面轮廓上分布着600多个孔径和空间角度各不相同的气膜孔。由于是铸造零件，零件型面一致性差，在激光加工气膜孔的过程中存在击伤内腔的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明供一种采用激光加工气膜孔的方法，减小涡轮叶片型面差异对气膜孔位置的影响，加工出合格的零件。

为达到上述目的，本发明所述一种高压涡轮导向叶片气膜孔激光加工方法，包括以下步骤：

步骤1、在机床工作台上安装用于固定叶片的夹具并找正；

步骤2、在金相试件上进行工艺试验，选择不同的工艺参数在试件上加工若干组气膜孔；

步骤3、对试件上的几组气膜孔进行金相检查，根据金相检测结果，选取加工气膜孔的工艺参数；

步骤4、叶片装夹，将高压涡轮导向叶片装夹在夹具上并夹紧；

步骤5、加工气膜孔，将高压涡轮导向叶片气膜孔按照位置，分为若干个部位进行加工，每个部位编制一个加工程序，然后调用不同的加工程序分别对高压涡轮导向叶片的气膜孔进行加工。

进一步的，步骤5中，将位于高压涡轮导向叶片叶身两侧的气膜孔分为两个部位进行加工。

进一步的，步骤5中，在对涡轮导向叶片编制加工程序时，采用自动编程结合手工点动示教编程的方法。

进一步的，步骤5中，涡轮叶片叶身上沿叶型方向分布有15排冷却气膜孔，每个加工程序的编制过程为：气膜孔理论坐标值由表示，其中x,y,z为气膜孔的理论空间坐标值，c是气膜孔矢量投影到xoy平面的矢量与x轴的夹角，d是气膜孔矢量与z轴的夹角；首先，从ug模型获得每个气膜孔的理论空间坐标值；然后，编制打点程序，将气膜孔理论坐标值输入到打点程序中，同时在1～3排气膜孔的坐标值中，输入c＝0°、d＝﹣180°；在4～9排气膜孔的坐标值中，输入d＝0°，c值按设计角度输入；在10～15排气膜孔的坐标值中，输入c＝﹣90°、d＝0°；根据加工程序中设置的点的坐标，用激光束在高压涡轮导向叶片表面上打上点；然后通过手工点动完成加工程序的示教返录，在示教返录过程中，将空间角度c值和d值更新为设计图的气膜孔的角度值，然后使用设备ccd成像系统将激光束焦点位置移动到零件表面打的点上，并记录当前点的实际坐标值，进而由这些当前点的实际坐标值的坐标信息生成加工程序。

进一步的，用激光束在高压涡轮导向叶片表面上打上点时，采用采用脉冲能量为0.25j-0.30j的激光束。

进一步的，步骤5中，加工叶身排气膜孔时，在高压涡轮导向叶片内腔插入防护板，对叶片内壁进行防护。

进一步的，防护板为聚四氟乙烯板。

进一步的，聚四氟乙烯板的厚度为1.5mm。

进一步的，步骤3中，选取的加工气膜孔的工艺参数为：涡轮导向叶片叶身部位气膜孔孔深度为0.8mm-1.1mm；涡轮导向叶片的内缘板、外缘板上气膜孔孔深度为1.8mm-2.5mm。

进一步的，步骤5完成后，对高压涡轮导向叶片表面和内腔吹砂，去除高压涡轮导向叶片内、外表面和气膜孔边缘的金属飞溅物。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:

1.相较于电火花加工，无需制作专用的电极，大大提高气膜孔加工效率和降低加工成本。

2.通过自动编程结合手工点动示教编程方法，用理论坐标值在零件表面打点，然后通过手工点动完成加工程序的示教返录，减小了涡轮叶片铸造型面差异和机床旋转轴运动误差对气膜孔位置的影响，保证了高压涡轮空心叶片气膜孔位置度。

3.在对涡轮导向叶片编制加工程序时，采用自动编程结合手工点动示教编程的方法，减小涡轮导向叶片型面差异和机床精度带来的误差。

4.采用聚四氟乙烯板内零件内腔进行防护，以及分部位加工，避免了空心叶片对壁击伤，极大地提高了气膜孔加工的表面完整性。

附图说明

图1是高压涡轮导向叶片气膜孔角向示意图；

图2是按理论坐标加工示意图；

图3是高压涡轮导向叶片表面小能量打点示意图；

图4是叶形轮廓对气膜孔位置的影响分析示意图；

附图中：20、涡轮导向叶片，图1至图3中，除坐标轴以外的带箭头的直线均为激光束。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

叶形轮廓对气膜孔位置度影响分析：如图4所示，ⅰ-ⅰ、ⅱ-ⅱ、ⅲ-ⅲ分别表示涡轮叶片理论型面位置、型面增厚位置、型面减薄位置。激光束j、k、l为平行光。当激光束j照射到涡轮叶片型面ⅰ-ⅰ、ⅱ-ⅱ、ⅲ-ⅲ时，分别会交于点o、o3、o4。相对于理论交点o，交点o3和o4与理论交点o之间的位置度公差为圆的半径r。表现在零件上，就是当涡轮叶片型面增厚到型面ⅱ-ⅱ时，按理论坐标值加工时，气膜孔和零件型面上的交点由理论点o移动到交点o3，气膜孔位置向后移动了距o1o3；当型面减薄到型面ⅲ-ⅲ，按理论坐标值加工时，气膜孔和零件型面上的交点由理论点o移动到焦点o4，气膜孔位置向前移动了距离o4o2。但是当激光束j旋转一个角度到j1位置，从涡轮叶片型面的法向方向照射到涡轮叶片型面上时，与型面ⅰ-ⅰ、ⅱ-ⅱ、ⅲ-ⅲ分别交于点o、o1、o2，用与激光束j平行且分别过交点o1、o2的激光束l、k照射到零件表面上，气膜孔的位置度公差只与零件的轮廓度有关，位置度公差由oo3、oo4变为oo1、oo2，大大缩小了公差值，更符合设计图技术条件。

以图1所示的高压涡轮导向叶片为例，对本发明的方法进行介绍，高压涡轮导向叶片上共有15排气膜孔，其中，1～3排气膜孔矢量投影到xoy平面的矢量与x轴的夹角与x轴正方向的夹角小于45°，4～9排气膜孔在xoy平面分布在圆周上且指向圆心，10～9排气膜孔位于叶盆部分，且与x轴正向的夹角均在60°～95°范围内。

一种高压涡轮导向叶片气膜孔激光加工方法，包括以下步骤：

步骤1、装夹夹具：在机床工作台上安装用于固定叶片的夹具并进行找正；

步骤2、加工金相试件：激光加工时，不同的工艺参数，对材料的去除效果不同，为满足高压涡轮导向叶片气膜孔加工要求，需要在金相试件上进行工艺试验，选择不同的工艺参数在试件上加工几组气膜孔。

步骤3、金相检查：对试件上的几组气膜孔进行金相检查，根据金相检测结果，选取一组合适的加工参数。涡轮导向叶片叶身部位气膜孔孔深在0.8-1.1mm，加工参数为：激光器类型：yag激光器、频率：30hz、脉宽：0.6ms、脉高：43.7％、脉冲能量：4.8-5.2j、切割速度：100mm/min、喷嘴气体压力：100-120psi；涡轮导向叶片内、外缘板上气膜孔孔深在1.8-2.5mm，加工参数为：激光器类型：yag激光器、频率：20hz、脉宽：0.8ms、脉高：41.6％、脉冲能量：8.1-8.3j、切割速度：40mm/min、喷嘴气体压力：100-120psi。

步骤4、叶片装夹：将高压涡轮导向叶片20装夹在夹具上并夹紧，用0.05mm厚塞尺检查零件定位面和夹具贴合面间隙不大于0.05mm，为完成高压涡轮导向叶片20的叶身和内、外缘板上气膜孔的加工，需要对零件进行4次装夹，每装夹一次，完成一个部位的加工。

步骤5、激光加工气膜孔：针对叶身1～9排气膜孔、叶身10～15排气膜孔、外缘板气膜孔和内缘板气膜孔编制4个加工程序，调用4个加工程序分别对叶身1～9排气膜孔、叶身10～15排气膜孔、外缘板气膜孔、内缘板气膜孔进行加工。

步骤6、吹砂：对高压涡轮导向叶片表面和内腔进行吹砂处理，去除高压涡轮导向叶片内、外表面和气膜孔边缘的金属飞溅物。

步骤5中，激光加工气膜孔过程为：涡轮叶片叶身上沿叶型方向分布了15排冷却气膜孔，如果用一个加工程序将全部气膜孔加工完的话，存在以下问题，首先，1～12排的气膜孔出口是向对的，如果要形成有效防护，需将零件整个型腔塞满防护材料；其次，如果整个型腔塞满防护材料，激光加工时金属飞溅物难以排出，会出现孔不通及孔成形质量差的问题；再者，聚四氟乙烯板经过激光束长时间照射，聚四氟乙烯板会被击穿，失去有效防护。所以将涡轮叶片叶身上的15排气膜孔和内、外缘板上的气膜孔分为四个加工部位，每一个部位单独编一个程序进行加工。1～9排的气膜孔分为第一部位，10～15排孔为第二部位，外缘板气膜孔为第三部位，内缘板气膜孔为第四部位，分4次完成涡轮叶片上所有气膜孔的加工。这样既可以对零件内腔做到有效防护；同时，防护材料和涡轮叶片型腔内壁之间形成空隙，有利于金属飞溅物排屑；其次，缩短防护材料受到激光束照射时间，避免了因防护材料被激光束击穿，造成防护失效。

其中，步骤5中，具体如下：涡轮叶片气膜孔为空间矢量小孔，每一个涡轮叶片气膜孔都可以由坐标表示，其中x,y,z为气膜孔的空间坐标值，c和d为气膜孔矢量的空间角度，c是气膜孔矢量投影到xoy平面的矢量与x轴的夹角，d是气膜孔矢量与z轴的夹角。涡轮叶片加工时要装夹在定位夹具上，定位夹具上有基准孔，涡轮叶片加工前先要找正定位夹具的定位面和基准孔，使编程的坐标系和零件建模的坐标系相一致。通过ug模型获得每个涡轮叶片气膜孔的坐标值，但是考虑到ug模型是基于理论数据建模，而涡轮叶片是铸造件，受铸造件轮廓公差及铸造工艺水平影响，铸件型面和ug模型之间存在差异，如果直接依据ug模型气膜孔理论坐标值编程，在加工时会产生孔位偏移。同时，由于受制造与装配精度影响，机床旋转轴的运动会引起误差，尤其当两个旋转轴同时运动时误差较大，所以在编程时还需考虑机床精度产生的误差。了解了以上两点，在对涡轮导向叶片编制激光加工气膜孔程序时，采用自动编程结合手工点动示教编程的方法，减小型面差异和机床精度带来的误差。首先，从ug模型获得每个气膜孔的理论空间坐标值。然后，编制打点程序，将气膜孔理论坐标值输入到程序中，同时在1～3排气膜孔的坐标值中，输入c＝0°、d＝﹣180°，使激光束同时平行于x-y平面和y-z平面，并指向y轴负方向；在4～9排气膜孔的坐标值中，输入d＝0°，c值按图纸角度输入，使激光束平行于x-y平面；在10～15排气膜孔的坐标值中，输入c＝﹣90°、d＝0°，使激光束同时平行于x-y平面和x-z平面，并指向x轴正方向。用激光束在零件表面上打上小点。然后通过手工点动完成加工程序的示教录返，在打点程序中，将c值和d值更新为设计图中的气膜孔的角度值，通过示教功能操作机床点动运动，用设备自带的ccd成像系统使激光束焦点到达零件表面上的小点，然后记录当前点的实际坐标值，进而由这些实际坐标值的坐标信息生成“加工程序”，坐标值是消除了机床旋转轴运动误差后的坐标值。采用同样的方式编制内、外缘板上气膜孔的加工程序，当加工内缘板上气膜孔时，将高压涡轮导向叶片20装夹在夹具上，使内缘板朝上，激光头竖直向下，编制打点程序，将气膜孔理论坐标值输入到程序中，用小能量激光束在内缘板表面上打上小点，工艺参数为：频率：100hz、脉宽：0.5ms、脉高：20.6％、脉冲能量：0.25-0.30j，脉冲数量1-2个。然后将图纸空间角度c值和d值输入到打点程序中理论坐标值后面，每一个点的坐标值就是，然后通过手工点动完成加工程序的示教返录，使用设备ccd成像系统将激光束焦点位置移动到内缘板表面上打的小点，并记录当前点的实际坐标值，进而由这些当前点的实际坐标值的坐标信息生成加工程序。虽然高压涡轮导向叶片铸件型面和ug模型存在差异，但是铸件的型面一致性较好，所以对首件加工时采用自动编程结合手工点动示教编程的方法编制加工程序，当加工程序编制好后，在对其余零件加工时直接调用程序进行加工，无需对每一件零件进行编程。优选的，步骤5中，进行叶片防护，具体为：高压涡轮导向叶片为空心结构，利用激光加工涡轮叶片冷却孔时，如没有有效防护措施，激光束会对另一侧的叶片内壁产生击伤，甚至击穿。高压涡轮导向叶片气膜孔激光加工时，需要进行两次防护。聚四氟乙烯板具有耐高温及容易裁剪的特点，在加工叶身1～9排气膜孔时，将厚度1.5mm的聚四氟乙烯板用裁纸刀裁成合适的形状插入零件内腔，对另一侧的叶片内壁进行防护，叶身1～9排气膜孔加工完后将使用过的聚四氟乙烯板拿出，重新插入未使用过的聚四氟乙烯板对另外一侧的叶片内壁进行防护，然后加工叶身10～15排气膜孔。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。