一种磨料水射流与电火花穿孔组合加工机床

本实用新型涉及一种用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的组合加工机床及其加工方法，尤其是一种用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的双主轴、双回转台、三工位组合加工机床及其加工方法，具体说是一种用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的磨料水射流与电火花穿孔组合加工机床。

背景技术：

电火花穿孔加工是高温合金涡轮叶片气膜冷却孔加工的一种成熟技术，加工孔型质量好、加工效率高。对于表面涂覆了热障涂层的高温合金涡轮叶片，由于热障涂层导电性差，导致带热障涂层涡轮叶片气膜孔的加工成为航空发动机制造中的一个难题。针对此难题，文献“电加工与模具，2020年第4期，《热障涂层冲蚀后的电火花制孔试验研究》，作者高长水，谢天海，赵凯，刘壮”提出了磨料冲蚀-电火花穿孔组合加工技术：首先利用磨料水射流去除工件表面的热障涂层，暴露出金属基体，形成热障涂层孔型，然后再将电火花穿孔电极沿着热障涂层孔型轴线进给，利用电火花加工进行制孔。显然，上述技术方案需要对每个气膜孔孔位依次进行磨料水射流冲蚀加工及电火花穿孔加工，增加了总体的加工时长，降低了加工效率。比如，若一个带热障涂层涡轮叶片上需要加工出100个气膜孔，每个气膜孔的热障涂层孔型需要1分钟的磨料水射流加工时长，则全部气膜孔加工时间将增加100分钟。有鉴于此，本实用新型提出一种双主轴、双回转台、三工位的磨料水射流及电火花穿孔组合加工机床方案：一个主轴为磨料水射流加工轴，另一个主轴为电火花穿孔加工轴；每个回转台上装夹两个工件，两个主轴同时对这两个工件进行磨料水射流加工和电火花穿孔加工，加工完成后回转台可以将两个工件在磨料水射流加工工位与电火花穿孔加工工位之间进行交换；三个工位中的一个工位为加工工位，另两个工位为准备工位，在加工工位进行零件加工时，准备工位可以完成零件的装夹。本实用新型可以显著提高带热障涂层涡轮叶片气膜孔的磨料水射流-电火花穿孔组合加工效率，自动化程度高。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有的带热障涂层涡轮叶片气膜孔的磨料水射流与电火花穿孔组合加工效率较低的问题，设计一种双主轴、双回转台、三工位的磨料水射流-电火花穿孔组合加工机床。本实用新型利用磨料水射流主轴与电火花穿孔主轴同时对所对应的工件进行加工，从而实现热障涂层孔型加工和金属基体电火花穿孔加工的同时进行；待这两种工艺加工完成后，通过数控系统控制旋转回转台，实现2个工件在磨料水射流与电火花穿孔加工位置之间的交换；通过数控系统控制xy平移工作台的平移，实现两个回转台在加工工位与准备工位之间交换，工件的装夹过程不影响组合加工过程。本实用新型可以有效提高带热障涂层涡轮叶片气膜孔的磨料水射流与电火花组合加工效率。

本实用新型的技术方案是：

一种磨料水射流与电火花穿孔组合加工机床，用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工，其特征在于它包括机床本体1、数控系统2、电火花主轴3、磨料水射流主轴4、电火花穿孔加工头5、磨料水射流加工头6、xy平移工作台7、电火花穿孔供液系统8、磨料水射流供液系统9、第一回转台10、第二回转台11；电火花主轴3和磨料水射流主轴4安装于机床本体1上，电火花穿孔加工头5安装于电火花主轴3上，磨料水射流加工头6安装于磨料水射流主轴4上。电火花穿孔加工头5与磨料水射流加工头6的加工轴线均垂直于xy平移工作台7。所述第一回转台10、第二回转台11均放置在xy平移工作台7上。电火花穿孔供液系统8通过输液管路与电火花穿孔加工头5相连接，磨料水射流供液系统9通过输液管路与磨料水射流加工头6相连接。

所述的第一回转台10与第二回转台11在尺寸、外观、功能上完全一致。第一回转台10上安装有第一夹具12.1及第二夹具12.2，所述第一夹具12.1与第二夹具12.2之间的相对位置和磨料水射流轴线与电火花穿孔电极轴线之间的相对位置一致。第二回转台11上也安装第三夹具12.3及第四夹具12.4，所述第三夹具12.3与第四夹具12.4之间的相对位置和磨料水射流轴线与电火花穿孔电极轴线之间的相对位置一致。所述第一回转台10和第二回转台11可以绕相应的回转轴做360度旋转。

所述的组合加工机床，其特征在于包含3个工位，加工工位15即电火花穿孔加工头5与磨料水射流加工头6下方所对应的区域；第一准备工位14与第二准备工位16分别位于加工工位15沿x方向的两侧。所述机床的数控系统2可以控制xy平移工作台7移动从而将第一回转台10和第二回转台11在这3个工位之间移动切换。

所述的xy平移工作台7、第一回转台10、第二回转台11、电火花主轴3、磨料水射流主轴4、电火花穿孔供液系统8以及磨料水射流供液系统9均通过数控系统2实现联动控制。

所述的第一回转台10在装夹了2个工件后具有2个工况，初始工况为第一回转台10未旋转时的状态，如图4（a）所示；旋转工况为第一回转台10旋转了180度后的状态，如图4（b）所示。与此同理，第二回转台11也具有上述特征。上述2个回转台的工况可以通过传感器被数控系统2识别。

本实用新型使用方法是：

一种磨料水射流与电火花穿孔组合加工方法，用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工，其特征在于包括以下步骤：

第一步，在初始状态，第一回转台10位于加工工位15且处于初始工况，第二回转台11位于第二准备工位16且处于初始工况；在第一回转台10上，第一夹具12.1上装夹了已完成磨料水射流加工的工件13.1，第二夹具12.2上装夹了未进行任何加工的工件13.2；在第二回转台11上，第三夹具12.3上装夹了已完成电火花穿孔加工的工件13.3，第四夹具12.4上装夹了已完成磨料水射流加工的工件13.4；上述4个夹具上的工件的装夹姿态一致；

第二步，针对第一回转台的初始工况，规划各个孔位的加工顺序，编制相应的数控加工代码文件1，因为第一回转台上2个工件之间的相对位置和电火花穿孔电极轴线与磨料水射流轴线之间的相对位置一致，因此当电火花穿孔加工第一夹具所装夹工件上某一个孔位时，磨料水射流可以加工第二夹具所装夹工件上相同孔位的热障涂层孔型；同理，针对第一回转台的旋转工况，编制相应的数控加工代码文件2；当第二回转台处于加工工位时，数控加工代码文件1及数控加工代码文件2也同样适用第二回转台初始工况及旋转工况的加工。

第三步，进入循环加工状态，此时加工工位（15）上的回转台既可能是第一回转台也可能是第二回转台。数控系统对处于加工工位的回转台的工况进行识别，若处于初始工况，则运行数控加工代码文件1，此时电火花穿孔加工将针对第一回转台的第一夹具（或者第二回转台的第三夹具）上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第一回转台的第二夹具上（或者第二回转台的第四夹具）所装夹的工件；若处于旋转工况，则运行数控加工代码文件2，此时电火花穿孔加工将针对第一回转台的第二夹具（或者第二回转台的第四夹具）上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第一回转台的第一夹具（或者第二回转台的第三夹具）上所装夹的工件。

第四步，移动xy平移工作台，将电火花穿孔电极对准所对应工件的第1个加工孔位，磨料水射流液束轴线也自然对准了所对应工件的第1个加工孔位；

第五步，开启电火花穿孔加工与磨料水射流加工，对加工工位上第一回转台（或者第二回转台）上的2件工件同时进行热障涂层孔型加工和金属基体孔型加工；若磨料水射流加工先完成，则等待电火花穿孔加工完成；若电火花穿孔加工先完成，则等待磨料水射流加工完成。

第六步，待电火花穿孔加工和磨料水射流加工均完成后，控制系统根据数控加工代码将工作台移动到下一个孔位，继续进行第五步的加工；与此同时，在第二准备工位（16）或者第一准备工位（14）上，将已完成了电火花穿孔加工的工件从相应的夹具上取下并将尚未进行任何加工的工件（13.5）装夹在这个夹具上。

第七步，待加工工位（15）上的2个工件上所有孔位的磨料水射流加工及电火花穿孔加工全部完成后，暂停磨料水射流加工及电火花穿孔加工，电火花主轴和磨料水射流主轴上移，将加工工位的回转台旋转180度，切换工况，将2个工件交换位置；将第一准备工位或者第二准备工位上的回转台也旋转180度，切换工况，将2个工件交换位置；数控系统控制xy平移工作台运动：若第一回转台处于加工工位，则将第一回转台移动到第一准备工位，此时第二回转台从第二准备工位移动到加工工位；若第二回转台处于加工工位，则将第二回转台移动到第二准备工位，此时第一回转台从第一准备工位移动到加工工位。

第八步，重复进行第三～第七步。与此同时，若第一回转台处于第一准备工位，则将第一回转台上的已完成了电火花穿孔加工的工件从相应夹具上卸下并将未进行任何加工的工件装夹在这个夹具上；若第二回转台处于第二准备工位，则将第二回转台上的已完成了电火花穿孔加工的工件从相应夹具上卸下并将未进行任何加工的工件装夹在这个夹具上。

如此循环，直至这批加工任务全部完成。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用的双主轴、双回转台、三工位设计方案可以实现磨料水射流加工热障涂层孔型和电火花加工金属基体孔型的同时进行；并且两个回转台可以将加工完热障涂层孔型后的工件转移到电火花穿孔加工工位；并且两个回转台可以在加工工位与准备工位之间来回切换，保证了磨料水射流加工与电火花穿孔加工的连续进行，有效提高了带热障涂层涡轮叶片气膜孔的磨料水射流-电火花穿孔组合加工加工效率。

附图说明

图1是本实用新型的用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的磨料水射流与电火花穿孔组合加工机床的示意图。

图2是第一回转台在加工工位、第二回转台在第二准备工位时加工示意图。

图3是第二回转台在加工工位、第一回转台在第一准备工位时加工示意图。

图4（a）为第一（或第二）回转台的初始工况示意图，图4（b）为第一（或第二）回转台的旋转工况示意图。

其中：1、机床本体，2、数控系统，3、电火花主轴，4、磨料水射流主轴，5、电火花穿孔加工头，6、磨料水射流加工头，7、xy平移工作台，7.1、x轴平移工作台，7.2、y轴平移工作台，8、电火花穿孔供液系统，9、磨料水射流供液系统，10、第一回转台，11、第二回转台，12.1、第一夹具，12.2、第二夹具，12.3、第三夹具，12.4、第四夹具，13.1、已完成磨料水射流加工的工件，13.2、未进行任何加工的工件，13.3、已完成电火花穿孔加工的工件，13.4、已完成磨料水射流加工的工件，13.5、未进行任何加工的工件，13.6、未进行任何加工的工件，14、第一准备工位，15、加工工位，16、第二准备工位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一。

如图1、图2、图3、图4（a）和图4（b）所示。

一种用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的磨料水射流与电火花穿孔组合加工机床，其特征在于它包括机床本体1、数控系统2（可利用现有技术加以设计实现）、电火花主轴3、磨料水射流主轴4、电火花穿孔加工头5、磨料水射流加工头6、xy平移工作台7（由x轴平移工作台7.1和y轴平移工作台7.2组成）、电火花穿孔供液系统8、磨料水射流供液系统9、第一回转台10、第二回转台11；电火花主轴3和磨料水射流主轴4安装于机床本体1上，电火花穿孔加工头5安装于电火花主轴3上，磨料水射流加工头6安装于磨料水射流主轴4上。电火花穿孔加工头5与磨料水射流加工头6的加工轴线均垂直于xy平移工作台7。所述第一回转台10、第二回转台11均放置在xy平移工作台7上。电火花穿孔供液系统8通过输液管路与电火花穿孔加工头5相连接，磨料水射流供液系统9通过输液管路与磨料水射流加工头6相连接。所述的第一回转台10与第二回转台11在尺寸、外观、功能上完全一致。第一回转台10上安装有第一夹具12.1及第二夹具12.2，所述第一夹具12.1与第二夹具12.2之间的相对位置和磨料水射流轴线与电火花穿孔电极轴线之间的相对位置一致。第二回转台11上也安装第三夹具12.3及第四夹具12.4，所述第三夹具12.3与第四夹具12.4之间的相对位置和磨料水射流轴线与电火花穿孔电极轴线之间的相对位置一致。所述第一回转台10和第二回转台11可以绕相应的回转轴做360度旋转。所述的组合加工机床，其特征在于包含3个工位，加工工位15即电火花穿孔加工头5与磨料水射流加工头6下方所对应的区域；第一准备工位14与第二准备工位16分别位于加工工位15沿x方向的两侧。所述机床的数控系统2可以控制xy平移工作台7移动从而将第一回转台10和第二回转台11在这3个工位之间移动切换。所述的xy平移工作台7、第一回转台10、第二回转台11、电火花主轴3、磨料水射流主轴4、电火花穿孔供液系统8以及磨料水射流供液系统9均通过数控系统2实现联动控制。所述的第一回转台10在装夹了2个工件后具有2个工况，初始工况为第一回转台10未旋转时的状态，如图4（a）所示；旋转工况为第一回转台10旋转了180度后的状态，如图4（b）所示。与此同理，第二回转台11也具有上述特征。上述2个回转台的工况可以通过传感器被数控系统2识别。

本实施例的工作原理是：开启组合加工机床电源，针对第一回转台10的初始工况，规划各个孔位的加工顺序，编制相应的数控加工代码文件1（可利用现有技术自行编制实现）；同理，针对第一回转台11的旋转工况，编制相应的数控加工代码文件2（可利用现有技术自行编制实现）。上述数控加工代码文件1及数控加工代码文件2也同样适用第二回转台初始工况及旋转工况的加工。数控系统2对处于加工工位15的回转台的工况进行识别，若处于初始工况，则运行数控加工代码文件1，此时电火花穿孔加工将针对第一夹具上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第二夹具上所装夹的工件；若处于旋转工况，则运行数控加工代码文件2，此时电火花穿孔加工将针对第二夹具上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第一夹具上所装夹的工件。在初始状态下，如图2所示，夹具上装夹好相应的工件，将第一回转台10移至加工工位15，第二回转台11移至第二准备工位16，2个回转台均处于初始工况。则首先运行数控加工程序1对加工工位15上的两件工件同时进行磨料水射流加工和电火花穿孔加工，当对具体一个孔位进行加工时，若磨料水射流先加工完成，则等待电火花加工完成，反之同理。与此同时，在第二准备工位16上，将第二回转台11上第三夹具12.3上已完成电火花穿孔加工的工件13.3取下，换上全新未进行任何加工的工件13.6。当具体一孔位的两种加工都完成后，控制系统继续运行数控加工代码文件1，加工下一孔位，依此方法将第一回转台10上两个工件的孔位全部加工完成。随后，电火花主轴3和磨料水射流主轴4上移，并控制第一回转台10和第二回转台11各自旋转180度，将2个回转台均切换成旋转工况,2个工件交换位置；接着控制xy平移工作台7移动，将第二回转台11移至加工工位15，将第一回转台10移至第一准备工位14，并将电火花穿孔电极对准所对应工件的第1个加工孔位，磨料水射流液束轴线也自然对准了所对应工件的第1个加工孔位，如图3所示。接着运行数控加工代码文件2对第二回转台11上的两个工件同时进行磨料水射流加工和电火花穿孔加工；同时在第一回转台10上，取下第一夹具12.1上已完成电火花穿孔加工的工件，换上全新未进行任何加工的工件13.5；随后的加工步骤与上述步骤相同，直至同一批工件全部加工完成。最后关闭组合机床电源，结束加工。

本实用新型的使用方法是：

如图1、图2、图3、图4（a）和图4（b）所示。

一种用于带热障涂层涡轮叶片气膜孔加工的磨料水射流与电火花穿孔组合加工方法，它包括以下步骤：

1.在初始状态，第一回转台10位于加工工位15且处于初始工况，第二回转台11位于第二准备工位16且处于初始工况。在第一回转台10上，第一夹具12.1上装夹了已完成磨料水射流加工的工件13.1，第二夹具12.2上装夹了未进行任何加工的工件13.2。在第二回转台上，第三夹具12.3上装夹了已完成电火花穿孔加工的工件13.3，第四夹具12.4上装夹了已完成磨料水射流加工的工件13.4。上述4个夹具上的工件的装夹姿态一致。

2.针对第一回转台10的初始工况，规划各个孔位的加工顺序，编制相应的数控加工代码文件1，因为第一回转台10上2个工件之间的相对位置和电火花穿孔电极轴线与磨料水射流轴线之间的相对位置一致，因此当电火花穿孔加工第一夹具12.1所装夹工件13.1上某一个孔位时，磨料水射流可以加工第二夹具12.2所装夹工件13.2上相同孔位的热障涂层孔型。同理，针对第一回转台10的旋转工况，编制相应的数控加工代码文件2。数控加工代码文件1及数控加工代码文件2也同样适用第二回转台初始工况及旋转工况的加工。

3.进入循环加工状态，此时加工工位（15）上的回转台既可能是第一回转台也可能是第二回转台，下面以第一回转台处于加工工位为例进行说明。数控系统2对处于加工工位15的第一回转台10的工况进行识别，若处于初始工况，则运行数控加工代码文件1，此时电火花穿孔加工将针对第一夹具12.1上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第二夹具12.2上所装夹的工件；若处于旋转工况，则运行数控加工代码文件2，此时电火花穿孔加工将针对第三夹具12.3上所装夹的工件，磨料水射流加工将针对第四夹具12.4上所装夹的工件。

4.移动xy平移工作台，将电火花穿孔电极对准所对应工件的第1个加工孔位，磨料水射流液束轴线也自然对准了所对应工件的第1个加工孔位。这时，如果第一回转台处于初始工况，则电火花穿孔电极对准的是夹具12.1上的工件的第1个加工孔位，磨料水射流液束轴线对准的是夹具12.2上的工件的第1个加工孔位；如果第一回转台处于旋转工况，则电火花穿孔电极对准的是夹具12.2上的工件的第1个加工孔位，磨料水射流液束轴线对准的是夹具12.1上的工件的第1个加工孔位。下面以第一回转台处于初始工况为例进行说明。

5.开启电火花穿孔加工与磨料水射流加工，对加工工位15上第一回转台10上的2件工件同时进行热障涂层孔型加工和金属基体孔型加工。若磨料水射流加工先完成，则等待电火花穿孔加工完成；若电火花穿孔加工先完成，则等待磨料水射流加工完成。

6.待电火花穿孔加工和磨料水射流加工均完成后，控制系统根据数控加工代码将工作台移动到下一个孔位，继续进行第五步的加工。与此同时，在第二准备工位16上，将已完成了电火花穿孔加工的工件13.3从相应的第三夹具12.3上取下，将尚未进行任何加工的工件13.6装夹在第四夹具12.4上。

7.待加工工位15上的2个工件上所有孔位的磨料水射流加工及电火花穿孔加工全部完成后，暂停磨料水射流加工及电火花穿孔加工，电火花主轴和磨料水射流主轴上移，将加工工位15的第一回转台10旋转180度，切换工况，将2个工件交换位置；将第二准备工位16上的第二回转台也旋转180度，切换工况，将2个工件交换位置。数控系统控制xy平移工作台运动，将加工工位15上的第一回转台10移动到第一准备工位14，将第二准备工位16上的第二回转台11移动到加工工位15。

8.重复进行第3-7步。与此同时，将第一准备工位14上的第一回转台10上的已完成了电火花穿孔加工的工件从相应的第一夹具12.1上卸下，再将未进行任何加工的工件13.5装夹在第一夹具12.1上。如此循环，直至这批加工任务全部完成。上述第3-7步是以第一回转台处于加工工位和初始工况为例的说明，对于第一回转台处于加工工位和旋转工况、或者第二回转台处于加工工位和初始工况、或者第二回转台处于加工工位和旋转工况的情况，均可依照上述第3-7步的工作原理进行执行。

本实用新型未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。