气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法
【专利摘要】本发明公开了一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，包括：根据气膜冷却孔的复合角出口形状尺寸要求，对所述气膜冷却孔的孔口进行模型设计和参数设置，根据所述气膜冷却孔的孔口进行模型设计和加工扫描参数设置规划扫描轨迹并生成加工数控代码；按照所述加工数控代码进行扫描。本发明具有如下优点：采用陶瓷热障涂层放电辅助化学加工扫描工艺，可兼容集成电火花加工、电解加工用脉冲电源和工作液循环系统，可实现与基体高温合金电加工的快速切换的组合工艺。
【专利说明】
气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法
技术领域
[0001] 本发明属于特种加工技术领域，具体涉及一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅 助化学加工扫描方法。
【背景技术】
[0002] 气膜冷却是通过壁面上形成的冷却气体气膜来隔热散热，已广泛应用于两机(航 空发动机和燃气轮机)的核心热端部件工作叶片(涡轮/透平叶片）中，以保证其在高于叶片 材料熔点的高温、高压下可靠工作。由于工作叶片在高温、重载、变应力条件下工作，气膜冷 却孔的质量直接影响叶片的成品率、冷却效率和工作寿命，其加工技术已成为两机先进制 造的关键技术之一。
[0003] 随着航空发动机/燃气轮机向高推重比、低耗油率发展，即使采用先进的气膜冷却 技术，叶片高温合金材料已接近使用温度极限。为进一步提高叶片耐高温能力和可靠性寿 命，下一代先进航空发动机/燃气轮机工作叶片设计为带有陶瓷热障涂层(厚度〇. 3-0.6mm) 的复合材料，严格要求热障涂层与高温合金基体间无界面损伤，且热障涂层表面无微裂纹 和无重熔层的微观缺陷。由于氧化钇(Y 2O3)稳定后的氧化锆陶瓷(ZrO2)的高熔点（2700°C) 和低热传导系数(2-3W · mlT1)，且热膨胀系数与高温合金匹配，使其成为国内外首选的热障 涂层材料。但ZrO2陶瓷高硬度(仅次于金刚石）、易脆性、不导电、耐高温、低导热率等特性， 其加工问题已成为无损伤气膜冷却孔加工的关键难题。
[0004] 考虑到工作叶片气膜冷却孔的严格无缺陷要求，从技术发展角度，集成电化学加 工原理（阳极溶解）的工艺过程是较好的解决方案，可实现高温合金气膜冷却孔三无加工 (无重熔层/无微裂纹/无热影响区）。综合考虑加工效率、工艺与装备成本、工艺过程集成 性，电火花加工与电解加工的组合或复合工艺，能较好地解决高温合金基体气膜冷却孔无 损伤加工问题。但对于绝缘的陶瓷热障涂层材料，不适用电火花加工和电解加工。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0006] 为此，本发明的一个目的在于提出一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学 加工扫描方法，放电辅助化学加工的最大优点在于:具有实现绝缘材料无重熔层、无微裂纹 的加工可行性。而且，对于复合材料（陶瓷涂层+高温合金基体)气膜冷却孔加工，可实现从 绝缘陶瓷放电辅助化学加工到基体高温合金电火花/电解加工的"无缝"、"快速切换"的组 合工艺。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电 辅助化学加工扫描方法，包括以下步骤:SI:根据气膜冷却孔的复合角出口形状尺寸要求， 对所述气膜冷却孔的孔口进行模型设计和参数设置，根据所述气膜冷却孔的孔口进行模型 设计和加工扫描参数设置规划扫描轨迹并生成加工数控代码;S2:按照所述加工数控代码 进行扫描，其中，步骤S2进一步包括:S2-A-1:在扫描过程中，通过传感器实时反馈冲液压力 和流量;S2-A-2:根据所述反馈冲液压力和流量以实现伺服控制工具电极进退来保持加工 间隙；或S2-A'-l:设定最佳加工间隙；S2-A'-2:根据所述最佳加工间隙完成第一层扫描加 工;S2-A ' -3:后续每个扫描层采用工具电极恒量进给方式且采用每层进给量等于前一层去 除深度进行扫描。
[0008] 根据本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，采 用陶瓷热障涂层放电辅助化学加工（SACE)扫描工艺，可兼容集成电火花加工、电解加工用 脉冲电源和工作液循环系统，可实现与基体高温合金电加工（电火花加工/电解加工）的快 速切换的组合工艺;通过管状电极中空冲液压力传感反馈加工间隙，可实现加工工艺中微 小加工间隙的实时伺服控制，有利于保持优化的加工状态，提高放电辅助化学加工效率和 精度;采用每层加工间隙为最佳加工间隙的电极进给策略，可使在给定加工参数条件下的 材料去除效率最大化，有利于提高加工效率和加工过程稳定性。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫 描方法，还可以具有如下附加的技术特征：
[0010] 进一步地，步骤S2还包括:S2-B-1:通过孔口侧向边界扫描轨迹关联无损伤的精确 能量参数输出控制，以避免陶瓷热障涂层孔口边界损伤;S2-B-2:采用慢速扫描速度以达到 工具电极端部规则的电解气泡，以避免扫描速度过快造成气泡变形引入的过加工和欠加工 误差。
[0011] 进一步地，步骤S2还包括:S2-C:通过关联所述气膜冷却孔的孔口陶瓷热障涂层底 面边界，调整管状工具电极的中空冲液压力来微调加工时的局部冷却条件和调整所述管状 工具电极的旋转速度来微调加工时局部的能量作用频率，以实现精确能量的微调控制来避 免陶瓷热障涂层与基体合金之间的界面损伤。
[0012] 进一步地，步骤S2还包括:S2-D:通过所述气膜冷却孔的孔口内部扫描轨迹关联能 量参数输出，以提高孔口内部材料去除效率，并采用快速扫描以提高每个扫描层表面材料 去除的平整度。
[0013] 进一步地，步骤S2还包括：S2-E:在陶瓷热障涂层与基体合金的交界层面，采用工 具电极每次微量进给的往复扫描方法，以保证所述气膜冷却孔的孔口处陶瓷热障涂层都进 入预设的加工间隙，进而实现孔口内陶瓷热障涂层全部被蚀除加工。
[0014] 进一步地，在步骤Sl中，使用CAD或CAM软件对所述气膜冷却孔口进行模型设计。
[0015] 进一步地，在步骤Sl中，所述加工扫描参数包括工具电极尺寸、分层厚度和轨迹跨 度。
[0016] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0017] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0018] 图1是本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法的 流程图；
[0019] 图2 (a)是本发明一个实施例的基于中空冲液压力反馈的加工间隙伺服控制方法 的不意图；
[0020] 图2(b)是本发明一个实施例的基于每层恒量进给的加工间隙控制方法的示意图；
[0021] 图3是本发明一个实施例的基于综合优化目标下的扫描轨迹、扫描速度和分层厚 度规划策略的示意图；
[0022] 图4是本发明一个实施例的热障陶瓷与基体高温合金的材料界面层加工策略的示 意图；
[0023] 图5是本发明一个实施例的陶瓷热障层扫描加工工艺系统构成示意图；
[0024] 图6是本发明一个实施例的陶瓷热障层扫描加工工艺过程示意图。
【具体实施方式】
[0025] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0026] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性。
[0027] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可 以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0028] 参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述 和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施 例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的 实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0029] 以下结合附图描述根据本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化 学加工扫描方法。
[0030]图1是本发明一个实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方 法的流程图。
[0031] 请参考图1，一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，包括以 下步骤：
[0032] SI:根据气膜冷却孔的复合角出口形状尺寸要求，对气膜冷却孔的孔口进行模型 设计和参数设置，根据气膜冷却孔的孔口进行模型设计和加工扫描参数设置规划扫描轨迹 并生成加工数控代码。
[0033]在本发明的一个实施例中，在步骤Sl中，使用CAD或CAM软件对气膜冷却孔口进行 模型设计。
[0034] 在本发明的一个实施例中，加工扫描参数包括工具电极尺寸、分层厚度和轨迹跨 度。
[0035] S2:按照加工数控代码进行扫描。其中，步骤S2进一步包括：
[0036] S2-A-1:在扫描过程中，通过传感器实时反馈冲液压力和流量；
[0037] S2-A-2:根据反馈冲液压力和流量以实现伺服控制工具电极进退来保持加工间 隙。
[0038] 具体地，如图2(a)所示，为实现扫描过程中微小加工间隙（ΙΟμπι量级)控制，本工艺 根据给定的最佳加工间隙，可以采用基于中空冲液压力反馈的加工间隙伺服控制方法。具 体为:根据给定的最佳加工间隙，此时其它工艺条件(工作液中空冲液流量Q、工作液流量动 力粘度μ、管状工具电极的内外径r，R)确定的情况下，利用压力传感器测量出压力传感反馈 转换信号值，其符合如下管内流体流经平行圆形小间隙S模型(管内流体压力Δρ):
[0039]
[0040] 扫描加工中，通过压力传感器实时采样反馈管状工具电极中空冲液压力传感反馈 信号，利用计算机控制系统进行模数转换为对应的数字信号，与给定的最佳加工间隙压力 转换信号进行比较判断，根据比较判断结果输出控制信号，控制主轴实现电极进给或回退 或保持位置不变，以实现给定的最佳加工间隙的伺服控制过程。在每个扫描层，都采用此伺 服控制方法，完成整个扫描过程。
[0041 ] 步骤S2还可以包括：
[0042] S2-A'_l:设定最佳加工间隙；
[0043] S2-A' -2:根据最佳加工间隙完成第一层扫描加工；
[0044] S2-A'-3:后续每个扫描层采用工具电极恒量进给方式且采用每层进给量等于前 一层去除深度进行扫描。
[0045] 具体地，如图2(b)所示，本工艺根据给定的最佳加工间隙，基于每层恒量进给的加 工间隙控制方法。具体为:根据给定的最佳加工间隙，以此最佳加工间隙作为第一扫描层初 始加工间隙，将工具电极进给到此初始加工间隙位置后进行扫描完成第一层加工;然后根 据第一层扫描加工实际深度，以此第一层加工深度作为第二扫描层工具电极进给量，进行 扫描完成第二层加工；以此类推，后续扫描层只要保证下一层的进给量为前一层去除深度， 即实现每层加工都为最佳加工间隙。在每个扫描层，都采用此工具电极恒量进给，完成整个 扫描过程。
[0046] 在本发明的一个实施例中，步骤S2还包括：
[0047] S2-B-1:通过孔口侧向边界扫描轨迹关联无损伤的精确能量参数输出控制，以避 免陶瓷热障涂层孔口边界损伤；
[0048] S2-B-2:采用慢速扫描速度以达到工具电极端部规则的电解气泡，以避免扫描速 度过快造成气泡变形引入的过加工和欠加工误差。
[0049] 具体地，如图3所示，轨迹类型可规划为环切轨迹和行切轨迹。通过孔口侧向的复 合角陶瓷边界扫描轨迹关联无损伤的精确能量参数输出控制，避免陶瓷热障涂层孔口边界 损伤;并且孔口侧向的复合角陶瓷边界轨迹采用慢速扫描速度，以达到工具电极端部均匀 环绕的规则电解气泡，避免扫描速度过快造成气泡变形引入的过加工和欠加工误差，实现 陶瓷热障层孔口的精确成形。通过孔口内部扫描轨迹关联大能量参数输出，提高孔口内部 材料去除效率，并采用薄分层厚度的快速扫描方式，均化扫描点工件材料去除量，提高每个 扫描层表面材料去除的平整度。
[0050]在本发明的一个实施例中，步骤S2还包括:S2-C:通过关联气膜冷却孔的孔口陶瓷 热障涂层底面边界，调整管状工具电极的中空冲液压力来微调加工时的局部冷却条件和调 整管状工具电极的旋转速度来微调加工时局部的能量作用频率，以实现精确能量的微调控 制来避免陶瓷热障涂层与基体合金之间的界面损伤。
[0051 ]在本发明的一个实施例中，步骤S2还包括:S2-D:通过气膜冷却孔的孔口内部扫描 轨迹关联能量参数输出，以提高孔口内部材料去除效率，并采用快速扫描以提高每个扫描 层表面材料去除的平整度。
[0052]在本发明的一个实施例中，步骤S2还包括:S2-E:在陶瓷热障涂层与基体合金的交 界层面，采用工具电极每次微量进给的往复扫描方法，以保证气膜冷却孔的孔口处陶瓷热 障涂层都进入预设的加工间隙，进而实现孔口内陶瓷热障涂层全部被蚀除加工。
[0053]具体地，步骤S2-C至S2-E的过程如图4所示，工具电极进给到临近陶瓷热障层与基 体高温合金的材料界面位置时，根据陶瓷热障层和高温合金二者稳定结合下的温度和压力 范围，通过关联孔口材料界面-边界扫描轨迹，调整管状工具电极的中空冲液压力来微调加 工时的局部冷却条件、调整管状工具电极的旋转速度来微调加工时局部的能量作用频率， 实现局部界面处精确能量的微调控制，来避免陶瓷热障涂层与基体合金之间的界面损伤。 对于陶瓷热障层与基体合金的整个交界层面，采用工具电极每次微量进给的往复扫描方 法，保证孔口处陶瓷热障层都进入合理的加工间隙，实现孔口内陶瓷热障层全部被蚀除加 工。
[0054]在本发明的一个示例中，图5为陶瓷热障层扫描加工工艺系统构成示意图。如图5 所示，陶瓷热障层扫描加工工艺系统主要有多轴数控系统、中空冲液压力/流量传感器、脉 冲电源、石墨辅助电极、主轴机构、管状工具电极、带有工装夹具的多维运动工作台和NaOH 电解液循环系统构成。根据图6所示工艺过程示意图，具体工艺流程为：（1)根据气膜冷却孔 复合角出口形状尺寸要求，利用CAD/CAM软件对气膜冷却孔口进行模型设计，进行工具电极 尺寸、分层厚度、轨迹跨度的参数设置，规划扫描轨迹并生成加工数控代码；（2)将管状工具 电极安装到主轴机构上，将带有陶瓷热障层叶片工件安装到工装夹具上，定位工具电极到 扫描轨迹起始点，数控系统打开脉冲电源、打开中空冲液和打开电极旋转运动，多维运动工 作台根据数控系统输出的扫描NC代码实现扫描运动；（3)扫描过程中通过传感器实时反馈 冲液压力/流量给数控系统，根据给定的最佳加工间隙，数控系统伺服控制加工间隙或者基 于每层恒量进给方法的控制每层加工间隙，对孔口陶瓷热障层进行分层逐层扫描加工；（4) 在扫描加工孔口侧向边界轨迹时，关联无损伤的精确能量参数输出，并采用慢速扫描以达 到规则的电解气泡，实现异形孔口的精确成形;在扫描加工内部轨迹关联大能量以实现去 除效率最大化，并采用快速扫描以提高每层去除的平整度；（5)在陶瓷热障层与基体高温合 金底面界面，调整管状工具电极的中空冲液压力来微调加工时的局部冷却条件、调整管状 工具电极的旋转速度来微调加工时局部的能量作用频率，实现精确能量的微调控制来避免 陶瓷热障涂层与基体合金之间的界面损伤。并且采用工具电极每次微量进给的往复扫描方 法，保证孔口处陶瓷热障涂层都进入合理加工间隙，实现孔口内陶瓷热障涂层全部被蚀除 加工。
[0055] 根据本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，采 用放电辅助化学加工原理是在电解液中利用电解过程在工具电极上形成气泡，绝缘气泡内 瞬间火花放电引导下的电解液内物理化学作用下的蚀除加工，可实现绝缘材料(石英、玻 璃、陶瓷等)的加工过程。因为具有化学蚀除作用，放电辅助化学加工的最大优点在于:具有 实现绝缘材料无重熔层、无微裂纹的加工可行性。而且，对于复合材料(陶瓷涂层+高温合金 基体)气膜冷却孔加工，放电辅助化学加工完全可利用电火花加工、电解加工的电源和工作 液循环系统，可实现从绝缘陶瓷放电辅助化学加工到基体高温合金电火花/电解加工的"无 缝"、"快速切换"的组合工艺。
[0056] 本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，具有以 下有益效果：
[0057]本发明的陶瓷热障涂层放电辅助化学加工(SACE)扫描工艺，可兼容集成电火花加 工、电解加工用脉冲电源和工作液循环系统，可实现与基体高温合金电加工（电火花加工/ 电解加工)的快速切换的组合工艺。
[0058]通过管状电极中空冲液压力传感反馈加工间隙，可实现加工工艺中微小加工间隙 的实时伺服控制，有利于保持优化的加工状态，提高放电辅助化学加工(SACE)效率和精度。 [0059]采用每层加工间隙为最佳加工间隙的电极进给策略，可使在给定加工参数条件下 的材料去除效率最大化，有利于提高加工效率和加工过程稳定性。
[0060]通过关联孔口边界扫描轨迹的能量输出、局部冷却条件、能量作用频率的策略，可 避免作用能量过大造成的陶瓷热障层加工中表面/界面损伤问题，提高叶片上气膜孔加工 质量和成品率。
[0061] 通过关联孔口边界扫描轨迹的慢速扫描策略，可减少或避免扫描速度过快造成气 泡变形引入的加工形状尺寸误差;通过关联孔口内部扫描轨迹的快速扫描策略，可提高材 料去除表面的平整度，有利于扫描层内材料进入最佳加工间隙，提高加工间隙伺服控制稳 定性和扫描加工效率。
[0062] 另外，本发明实施例的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法的 其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
[0063] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0064]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨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 发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其特征在于，包括以 下步骤： S1:根据气膜冷却孔的复合角出口形状尺寸要求，对所述气膜冷却孔的孔口进行模型 设计和参数设置，根据所述气膜冷却孔的孔口进行模型设计和加工扫描参数设置规划扫描 轨迹并生成加工数控代码； S2:按照所述加工数控代码进行扫描，其中，步骤S2进一步包括： S2-A-1:在扫描过程中，通过传感器实时反馈冲液压力和流量； S2-A-2:根据所述反馈冲液压力和流量以实现伺服控制工具电极进退来保持加工间 隙； 或 S2-A，-1:设定最佳加工间隙； S2-A，-2:根据所述最佳加工间隙完成第一层扫描加工； S2-A，-3:后续每个扫描层采用工具电极恒量进给方式且采用每层进给量等于前一层 去除深度进行扫描。2. 根据权利要求1所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，步骤S2还包括： S2-B-1:通过孔口侧向边界扫描轨迹关联无损伤的精确能量参数输出控制，以避免陶 瓷热障涂层孔口边界损伤； S2-B-2:采用慢速扫描速度以达到工具电极端部规则的电解气泡，以避免扫描速度过 快造成气泡变形引入的过加工和欠加工误差。3. 根据权利要求1所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，步骤S2还包括： S2-C:通过关联所述气膜冷却孔的孔口陶瓷热障涂层底面边界，调整管状工具电极的 中空冲液压力来微调加工时的局部冷却条件和调整所述管状工具电极的旋转速度来微调 加工时局部的能量作用频率，以实现精确能量的微调控制来避免陶瓷热障涂层与基体合金 之间的界面损伤。4. 根据权利要求1所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，步骤S2还包括： S2-D:通过所述气膜冷却孔的孔口内部扫描轨迹关联能量参数输出，以提高孔口内部 材料去除效率，并采用快速扫描以提高每个扫描层表面材料去除的平整度。5. 根据权利要求4所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，步骤S2还包括： S2-E:在陶瓷热障涂层与基体合金的交界层面，采用工具电极每次微量进给的往复扫 描方法，以保证所述气膜冷却孔的孔口处陶瓷热障涂层都进入预设的加工间隙，进而实现 孔口内陶瓷热障涂层全部被蚀除加工。6. 根据权利要求1所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，在步骤S1中，使用CAD或CAM软件对所述气膜冷却孔口进行模型设计。7. 根据权利要求1所述的气膜冷却孔出口处热障涂层放电辅助化学加工扫描方法，其 特征在于，在步骤S1中，所述加工扫描参数包括工具电极尺寸、分层厚度和轨迹跨度。
【文档编号】B23H9/00GK106041236SQ201610569463
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】佟浩, 何苏钦, 李勇, 梁威
【申请人】清华大学