CN113649658A - 一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法，其特征是它包括以下步骤：1）将加工好榫头的多个叶片和加工好榫槽的定位轮盘装配成一个完整叶盘；2）在电火花成形加工机床上利用成组电极依次对所有叶片的叶身进行电火花粗加工；3）利用成形电极依次对所有叶片的叶身进行电火花精加工；4）利用成形电极依次对所有叶片的进/排气边进行电火花精加工；5）采用磨粒流光整工艺对叶盘的所有叶间流道进行并行抛光；6）将叶盘从磨粒流机床上拆卸，对叶片拆卸、清洗和烘干，进行后续检测。本发明能实现复杂结构工作叶片的精密成形加工和多个叶片在同一抛光设备上的并行抛光，提高了压气机工作叶片加工的良品率和加工效率，同时降低加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空发动机压气机叶片加工技术，尤其是一种压气机工作叶片加工方法，具体地说是一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法。
背景技术
航空发动机压气机工作叶片普遍采用榫头装配在轮盘上对应的榫槽内。目前，航空发动机压气机工作叶片主要采用数控铣削完成单个叶片叶身的成形加工，然后采用砂带磨削完成单个叶片的抛光和进/排气边的成形加工，该加工方法的缺点是：1）叶身的成形加工依赖于数控铣刀，为了减小刀具的磨损必须牺牲切削速度，因而铣削效率较低；2）叶身的表面质量依赖于砂带磨削技术抛光，由于砂带的加工可达性有限，因此无法在同一加工设备上实现多个叶片的并行抛光，从而降低了叶片的加工效率；3）自由曲面叶缘的成形加工精度依赖于砂带磨削技术，由于砂带不具有仿形形态，因而降低了叶缘加工的良品率。
发明内容
本发明的目的是针对单个压气机工作叶片在数控铣销和砂带磨削中的叶缘尺寸精度难以保证以及砂带磨削抛光单个叶片时效率低下的加工难题，发明一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法，以保证叶片加工质量，提高加工效率，降低加工成本。
本发明的技术方案是：
一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法，其特征在于，先将加工好榫头的多个叶片和加工好榫槽的定位轮盘装配成一个完整叶盘，然后，采用电火花成形加工机床对装配后的叶盘的所有叶间流道和进/排气边依次进行成形加工，最后在磨粒流加工机床上同时对上述叶盘的所有叶间流道抛光，从而实现分体式叶片压气机叶盘的精密光整加工。
具体步骤包括：
S1，将加工好榫头的多个叶片和加工好榫槽的定位轮盘装配成一个完整叶盘；
S2，在电火花成形加工机床上采用成组电极依次对所有叶片的叶身进行电火花粗加工；
S3，利用成形电极依次对所有叶片的叶身进行电火花精加工；
S4，利用成形电极依次对所有叶片的进/排气边进行电火花精加工；
S5，采用磨粒流光整工艺对叶盘的所有叶间流道进行并行抛光；
S6，将叶盘从磨粒流机床上拆卸，对叶盘的各个叶片拆卸、清洗和烘干，进行后续检测。
进一步地，步骤S1中所述的叶片由锻造或者铸造成坯，经过机加工完成叶尖和榫头成形，装配后的叶盘具有贯通的叶间流道。
进一步地，步骤S1中所述的定位轮盘是为待加工叶片提供安装定位和对刀基准的辅助性夹具。定位轮盘为圆盘或者空心圆盘，采用金属材料制造，其一侧的端面上设置有对刀块。在圆盘的外圆面上均匀分布着与待加工叶片数量相同的榫槽，且榫槽与待加工叶片的榫头仿形。
进一步地，步骤S1中所述的装配是通过将所有待加工叶片的榫头装入定位轮盘的榫槽来实现，叶片和定位轮盘通过榫头榫槽的间隙配合来实现角向定位和径向定位，并通过榫头侧平面和定位轮盘对应端面的贴合实现轴向定位。
进一步地， 步骤S2中所述的成组电极由圆形阵列分布的若干成形电极组成，各个电极的材质、形状、尺寸和安装方式相同。所有电极安装在同一个底座上，并同时参与多个叶片叶身的粗加工。
进一步地， 步骤S2中所述的粗加工过程中在成组电极的进给方向上给电极施加振动辅助，以提高排屑性能，保证粗加工过程的稳定性。
进一步地，步骤S2中所述的不同叶片的粗加工顺序按照同一时针方向来确定，即每完成一组叶片叶身的粗加工，均沿顺时针（或逆时针）将叶盘绕中轴线旋转一定角度，实现相邻一组待加工叶片与成组电极的位置配对，然后继续加工，直至完成所有叶身的粗加工。
进一步地，步骤S3中所述的叶身按照加工可达性划分为若干个加工区域，不同的加工区域采用不同的电极工作表面来加工，所述的电极工作表面与对应待加工表面的目标形状仿形并偏移一个平均放电间隙。
进一步地，步骤S3中所述的不同叶片的精加工顺序按照（近似）对称分布原则来确定，即完成叶片A的叶身加工后，电极位置不变，沿顺时针（或逆时针）将叶盘绕中轴线旋转一定角度，实现叶片B（B与A的角向跨度最大）与精加工电极的位置配对，然后继续加工，直至完成所有叶片叶身的精加工，以此减小精加工后的工件变形。
进一步地，步骤S3中所述的精加工后的叶身表面线粗糙度控制为Ra3.0µm ~Ra1.0µm，加工表面的重铸层厚度为0.002mm~0.01mm，且精加工应该为后续磨粒流光整加工预留0.01mm~0.05mm的单边工序余量。
进一步地，步骤S4中所述的进气边和排气边加工分别采用不同结构的成形电极，成形电极的工作表面与对应进/排气边上待加工表面的目标形状仿形，并偏移一个平均放电间隙。其中，不同叶片进（排）气边的精加工顺序按照照同一时针方向来确定，即每完成一个进（排）气边加工，沿顺时针（或逆时针）将叶盘绕中轴线旋转一定角度，实现相邻一个进（排）气边与电极的位置配对，然后继续加工，直至完成所有进（排）气边的精加工。
进一步地，步骤S5中所述的磨粒流工艺抛光后叶盘叶间流道的单边工序余量0.01mm~0.05mm，光整加工后整个叶间流道的线粗糙度控制为Ra0.8µm~Ra0.4µm，彻底去除加工表面重铸层。
进一步地，步骤S5中所述的磨粒流抛光需要导流环来避免叶片进/排气边在磨粒流加工中由于过抛带来的尺寸精度超差。导流环包括进气边导流环和排气边导流环，细节如下：
导流环采用碳钢或不锈钢制造，每个导流环由一个空心圆盘及其外圆面上若干均匀分布的矩形横截面辐条组成，且辐条的矩形截面边线与空心圆盘的纵截面边线对应平行。
导流环的辐条数量与叶盘上的待加工叶片数量相同，且进（排）气边导流环的空心圆柱外径比定位轮盘上（下）端面圆外径小0~1.0mm。在装配中进（排）气边导流环与定位轮盘同轴放置，进（排）气边导流环的下（上）端面分别与定位轮盘的上（下）端面贴合。进（排）气边导流环上的辐条与叶片进（排）气边一一对应放置，导流环和定位轮盘通过若干轴向定位销实现角向定位和径向定位，并通过榫头侧平面和定位轮盘对应端面的贴合实现轴向定位。
进（排）气边导流环辐条的矩形截面宽度为2.0~5.0mm，每个辐条在其长度方向上的中轴线形状分别与对应的叶片进（排）气边的中心线形状相同，进（排）气边导流环辐条的长度比对应叶片进（排）气边大1.0~3.0mm，且辐条末端伸出叶尖外0.5mm~2.0mm。
导流环与叶盘装配后，进（排）气边导流环上的辐条中轴线与对应的叶片进（排）气边中心线互相平行，二者之间的水平距离为0mm~2.5mm，进（排）气边导流环上的辐条底面与进（排）气边中心线的竖直距离为2.0~5.0mm。
进一步地，步骤S6中所述的清洗包括顺序进行高压气体吹涤、清洗剂超声波清洗、水射流清洗、无水乙醇泡洗。
本发明的有益效果是：
1）叶身和进/排气边的成形加工采用电火花加工技术保证，工具损耗小，加工精度高，加工稳定性好，因而产品良品率高。
2）叶身和进/排气边的表面质量采用磨粒流加工技术保证，加工可达性好，加工稳定性好，自由曲面加工精度高。
3）相比单叶片加工的砂带磨削技术，磨粒流加工技术能够在一台设备上实现多个叶片同时抛光，因而加工效率高。
附图说明
图1是本发明应用的航空发动机压气机工作叶片结构示意图。
图2是本发明应用的与压气机工作叶片装配使用的定位轮盘结构示意图。
图3是本发明应用的压气机工作叶片和定位轮盘装配后的叶盘示意图。
图4是本发明应用的电火花粗加工成组电极和加工过程示意图。
图5是本发明应用的叶身电火花精加工电极和加工过程示意图。
图6是本发明应用的进气边精加工电极和加工过程示意图。
图7是本发明应用的磨粒流加工专用工装夹具装配示意图。
图8是本发明应用的实施例的叶片经过电火花精加工后的表面形貌和断面形貌。
图9是本发明应用的实施例的叶片经过磨粒流光整加工后的表面形貌和断面形貌。
图中：1-叶尖、2-排气边、3-进气边、4-榫头、5-榫槽、6-定位轮盘、7-电火花机床主轴、8-成组电极、9-叶身精加工电极、10-电极工作表面、11-进气边精加工电极、12-进气边导流环、13-排气边导流环14-进气边导流环辐条。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1-9所示。
一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法，以某航空发动机压气机为例，该航空发动机压气机叶盘由20个叶片和轮盘装配而成。带燕尾型圆弧齿榫头的压气机工作叶片材料为TC11，结构如图1所示，叶片加工后的面型精度要求±0.04，进气边3和排气边2的圆角半径0.2μm，叶片表面线粗糙度要求Ra0.8µm，榫头4已经加工完成。其加工方案为：
步骤S1，将加工好榫头的全部20个叶片和采用数控铣销加工好榫槽5的定位轮盘6装配成一个完整叶盘。图2所示为所使用的定位轮盘，采用304不锈钢铣削，具有20个榫槽，每个榫槽5与叶片的榫头4装配后为间隙配合，图3所示为装配完成的叶盘。
步骤S2，在电火花成形加工机床上采用成组电极8依次对所有叶片的叶身进行电火花粗加工。如图4所示为电火花粗加工成组电极和加工过程示意图，群组电极由10个粗加工电极组成，均匀分布于安装盘端面上，全部电极同时参与叶身粗加工，加工中通过机床为电极施加低频振动。20个叶片需要两组加工才能完成，第一组叶片加工完成后，将叶盘绕中心轴顺时针旋转180°，继续第二组叶片加工，经过两组加工即可完成全部叶片的粗加工。
步骤S3，利用成形电极依次对所有叶片的叶身进行电火花精加工。如图5所示为叶身电火花精加工电极和加工过程示意图，叶身精加工划分为叶盆和叶背两个区域，采用不同的精加工电极9和相同的电规准，峰值电流17A，脉冲宽度12.8μs。叶盆（或叶背）的加工顺序如下（数字代表按照逆时针方向的连续编号叶片的叶盆（或叶背））：1、11、20、10、19、9、18、8、17、7、16、6、15、5、14、4、13、3、12、2。叶身精加工完成后，叶片表面形貌和断面形貌如图8所示，由图可知，加工表面布满放电凹坑，断面可见明显重铸层，测量得到表面线粗糙度Ra1.573μm，重铸层厚度约3.61μm。叶身精加工后为磨粒流光整加工预留的单边工序余量约为0.04mm。
步骤S4，利用成形电极依次对所有叶片的进/排气边进行电火花精加工。如图6所示为进气边精加工电极和加工过程示意图，排气边精加工电极结构与进气边电极11相同。
步骤S5，采用磨粒流光整工艺对叶盘的所有叶间流道进行并行抛光。磨粒流光整加工采用36目碳化硅磨料，工作压力150bar，采用双向循环加工模式，单次循环的磨料用量4L，总加工时间72min。
如图7所示为磨粒流加工工装夹具示意图。所用导流环包括进气边导流环12和排气边导流环13，二者采用304不锈钢制造，结构和尺寸相同。进（排）气边导流环辐条14的矩形截面宽度为2.0mm，辐条的长度比对应叶片进（排）气边大1.5mm。导流环与叶盘装配后，辐条末端伸出叶尖外1.0mm，辐条中轴线与对应的叶片进（排）气边中心线之间的水平距离为0mm，进（排）气边导流环上的辐条底面与进（排）气边中心线的竖直距离为2.0mm。
步骤S6，将叶盘从磨粒流机床上拆卸，将叶盘的各个叶片拆卸、清洗和烘干，进行后续检测。如图9所示为叶片经过磨粒流光整加工后的表面形貌和断面形貌。由图可知，光整加工后叶片表面的电火花蚀坑消失，表面呈现规则的磨削纹路，线粗糙度Ra约0.308μm，断面图中未见重铸层组织，因而重铸层得到彻底去除。叶片的面型精度采用三坐标测量仪测量，精度±0.03，满足图纸要求。叶片进/排气边圆角采用圆角规测量，尺寸精度符合图纸要求。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种压气机工作叶片电火花+磨粒流组合加工方法，其特征在于，先将加工好榫头的多个叶片和加工好榫槽的定位轮盘装配成一个完整叶盘，然后，采用电火花成形加工机床对装配后的叶盘的所有叶间流道和进/排气边依次进行成形加工，最后在磨粒流加工机床上同时对上述叶盘的所有叶间流道抛光，从而实现分体式叶片压气机叶盘的精密光整加工。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将加工好榫头的多个叶片和加工好榫槽的定位轮盘装配成一个完整叶盘；
S2，在电火花成形加工机床上采用成组电极依次对所有叶片的叶身进行电火花粗加工；
S3，利用成形电极依次对所有叶片的叶身进行电火花精加工；
S4，利用成形电极依次对所有叶片的进/排气边进行电火花精加工；
S5，采用磨粒流光整工艺对叶盘的所有叶间流道进行并行抛光；
S6，将叶盘从磨粒流机床上拆卸，对叶盘的各个叶片拆卸、清洗和烘干，进行后续检测。
3.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S1中所述的叶片由锻造或者铸造成坯，经过机加工完成叶尖和榫头成形，装配后的叶盘具有贯通的叶间流道；所述的定位轮盘是为待加工叶片提供安装定位和对刀基准的辅助性夹具；定位轮盘为圆盘或者空心圆盘，采用金属材料制造，其一侧的端面上设置有对刀块；在圆盘的外圆面上均匀分布着与待加工叶片数量相同的榫槽，且榫槽与待加工叶片的榫头仿形；所述的装配是通过将所有待加工叶片的榫头装入定位轮盘的榫槽来实现，叶片和定位轮盘通过榫头榫槽的间隙配合来实现角向定位和径向定位，并通过榫头侧平面和定位轮盘对应端面的贴合实现轴向定位。
4.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S2中所述的成组电极由圆形阵列分布的若干成形电极组成，各个电极的材质、形状、尺寸和安装方式相同；所有电极安装在同一个底座上，并同时参与多个叶片叶身的粗加工；所述的粗加工过程中在成组电极的进给方向上给电极施加振动辅助，以提高排屑性能，保证粗加工过程的稳定性；所述的不同叶片的粗加工顺序按照同一时针方向来确定，即每完成一组叶片叶身的粗加工，均沿顺时针或逆时针将叶盘绕中轴线旋转一定角度，实现相邻一组待加工叶片与成组电极的位置配对，然后继续加工，直至完成所有叶身的粗加工。
5.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S3中所述的叶身按照加工可达性划分为若干个加工区域，不同的加工区域采用不同的电极工作表面来加工；所述的不同叶片的精加工顺序按照近似对称分布原则来确定，即完成叶片A的叶身加工后，电极位置不变，沿顺时针或逆时针将叶盘绕中轴线旋转一定角度，实现叶片B与精加工电极的位置配对，叶片B与叶片A的角向跨度最大，然后继续加工，直至完成所有叶片叶身的精加工，以此减小精加工后的工件变形；所述的精加工后的叶身表面线粗糙度控制在Ra3.0µm ~Ra1.0µm，加工表面的重铸层厚度为0.002mm~0.01mm，且精加工应该为后续磨粒流光整加工预留0.01mm~0.05mm的单边工序余量。
6.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S4中所述的进气边和排气边加工分别采用不同结构的成形电极，成形电极的工作表面与对应进/排气边上待加工表面的目标形状仿形，并偏移一个平均放电间隙。
7.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S5中所述的磨粒流工艺抛光后叶盘叶间流道的单边工序余量0.01mm~0.05mm，光整加工后整个叶间流道的线粗糙度控制为Ra0.8µm~Ra0.4µm，彻底去除加工表面重铸层；所述的磨粒流抛光需要导流环来避免叶片进/排气边在磨粒流加工中由于过抛带来的尺寸精度超差；所述的导流环包括进气边导流环和排气边导流环，采用碳钢或不锈钢制造，每个导流环由一个空心圆盘及其外圆面上若干均匀分布的矩形横截面辐条组成，且辐条的矩形截面边线与空心圆盘的纵截面边线对应平行；所述的导流环的辐条数量与叶盘上的待加工叶片数量相同，且进（排）气边导流环的空心圆柱外径比定位轮盘上下端面圆外径小0~1.0mm；
在装配中进排气边导流环与定位轮盘同轴放置，进排气边导流环的下上端面分别与定位轮盘的上下端面贴合；进排气边导流环上的辐条与叶片进排气边一一对应放置，导流环和定位轮盘通过若干轴向定位销实现角向定位和径向定位；所述的进排气边导流环上的每个辐条在其长度方向上的中轴线形状分别与对应的叶片进排气边的中心线形状相同，进排气边导流环辐条的长度比对应叶片进排气边大1.0~3.0mm，且辐条末端伸出叶尖外0.5mm~2.0mm；所述的进排气边导流环辐条的矩形截面宽度为2.0~5.0mm；所述的导流环与叶盘装配后，进排气边导流环上的辐条中轴线与对应的叶片进排气边中心线互相平行，二者之间的水平距离为0mm~2.5mm，进排气边导流环上的辐条底面与进排气边中心线的竖直距离为2.0~5.0mm。
8.根据权利要求书2所述的加工方法，其特征在于，S6中所述的清洗包括顺序进行高压气体吹涤、清洗剂超声波清洗、水射流清洗、无水乙醇泡洗。
9.根据权利要求书5所述的加工方法，其特征在于，所述的电极工作表面与对应待加工表面的目标形状仿形并偏移一个平均放电间隙。
10.根据权利要求书6所述的加工方法，其特征在于，不同叶片进排气边的精加工顺序按照照同一时针方向来确定，即每完成一个进排气边加工，沿顺时针或逆时针将叶盘绕中轴线旋转一个角度，实现相邻一个进排气边与电极的位置配对，然后继续加工，直至完成所有进排气边的精加工。
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2021
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