航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻氣膜孔加工去除重熔層技術(shù)

王 偉

(大連海洋大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

某型號高壓渦輪葉片采用了定向高溫鑄造合金，葉身精密無余量鑄造。榫頭采用了三對樅樹形榫齒，葉片內(nèi)腔采用了“U”型回流對流冷卻和葉片前緣、尾緣氣膜冷卻的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)[1]。冷卻空氣從葉片榫頭底部分成兩路進入葉片內(nèi)腔后，在內(nèi)腔經(jīng)“U”型通道分別從葉片前緣氣膜孔和葉片尾緣排氣縫排出，同時帶走熱量，降低了葉片自身溫度。而從葉片前緣氣膜孔排出的冷卻空氣經(jīng)過按規(guī)則排列的氣膜孔排出后，在葉片盆、背表面實施對流冷卻并形成了沿型面的一層氣膜，減少燃氣對葉片傳熱的冷卻葉片。葉片冷卻通道如圖1所示。

圖1 圖像邊緣檢測后的實驗對比

該渦輪葉片葉身上設(shè)計了9排共79個冷卻孔，其中Φ0.5孔39個、Φ0.3孔40個。葉片冷卻氣膜孔位置如圖2所示。

圖2 葉片冷卻氣膜孔位置示意圖

葉片在生產(chǎn)過程中，氣膜孔的加工一直是難點，其中最難控制的就是重熔層的厚度。通過對設(shè)備和加工參數(shù)的研究確定改進方法，使重熔層最薄，并通過磨粒流消除重熔層。

1 電火花加工冷卻氣膜孔去除重熔層的技術(shù)途徑

1.1 去除方法

重熔層的去除方法一直是難題，目前的去除方法有機械加工去除、手工拋修、化學(xué)腐蝕、吹砂、電化學(xué)加工、磨粒流等，但效果都不是很理想，機械加工去除效果較好，但受局限性較大，效率很低，對平面及易加工部位還是可行。手工進行拋修研磨，拋修后的零件表面質(zhì)量較差，而且尺寸不易保證。化學(xué)腐蝕是在目前生產(chǎn)過程中相對較好的方法，但在加工時需要對非加工部位進行保護，加工后還需要進行去腐蝕層，并且加工過程中不易控制。吹砂加工的效果不明顯。電化學(xué)加工利用電解法去毛刺的原理去除重熔層，但加工量較少，重熔層較薄時效果較好[2]。超聲波電加工是在電加工時機床主軸以一定的頻率震動，同時在機床的工作液中加入碳化硅等磨料，來實現(xiàn)重熔層去除，但效率很低。磨粒流加工是通過軟性介質(zhì)中混合磨料的粘性體，在壓力作用下流過零件被加工面，磨料與加工表面磨削而實現(xiàn)光整的。磨粒流中的磨粒類似大量的切削刀具，用磨料的棱角對工件表面進行切削，從而達到加工目的[3]。

1.2 擠壓磨粒流加工原理

磨粒流加工通常是有兩個對應(yīng)的磨粒缸容器，將零件和夾具固定在形成的通道中磨料來回流動。磨料流體與被加工面之間的磨削產(chǎn)生磨削作用[4]。磨粒在壓力作用下均勻地對通道表面或邊角進行磨削，起到去毛刺、拋光、倒角的作用。磨料在上活塞擠壓下經(jīng)過工件和夾具形成的通道進入下料缸，當(dāng)上活塞達到行程后，下活塞開始擠壓磨料經(jīng)過同樣的方式返回到上磨料缸，形成一個循環(huán)，完成加工目的，工作原理如圖3所示。

圖3 磨粒流原理圖

2 擠壓磨粒流加工工藝試驗

2.1 試驗條件及方案

試驗設(shè)備是中航工業(yè)北京航空制造工程研究所研制的MLL60D型磨粒流機床，根據(jù)該機床的性能和流動通到尺寸選擇使用的磨料。對于小于Φ1mm的小孔可選擇B500微粒度磨料，工作壓力位6～7MPa;Φ1mm左右的小孔，可選用B300微粒度磨料，工作壓力為7～8MPa。通過對高渦葉片故障情況分析及理化解剖的大部分葉片情況可知，通過控制磨料多少、工作壓力、磨料型號、磨削次數(shù)不能很好的保證重熔層去除質(zhì)量，但影響葉片孔徑磨粒流重熔層去除質(zhì)量的參數(shù)中，第3和第4項是很難受控的重要影響參數(shù)。

根據(jù)重熔層厚度，通過控制磨粒流孔氣膜孔孔徑增加量的方法，不僅可以避免“設(shè)備溫度；磨料的新舊程度”這兩項難控制參數(shù)的控制要求，又可極好的滿足重熔層去除質(zhì)量[5]。

2.2 磨粒流工藝去除重熔層效果

對Ф0.5孔孔徑增加量進行試驗。

(1)孔徑增加量0.02mm

按改造后確定的電加工參數(shù)：“電源能量15；加工電流1A；加工方式1；高壓電流1A；伺服進給60%～70%；內(nèi)沖水均采用高壓水壓力8MPa；外沖冷卻均采用沿導(dǎo)向器冷卻，最大水流；電極底部停頓20 S?！睂庸さ?80個Ф0.3孔的孔徑數(shù)值、數(shù)量及比例進行統(tǒng)計，試驗結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

圖4 孔徑值與孔徑數(shù)量對比圖

由表1和圖4可知，電火花加工氣膜孔孔徑≤0.36mm的孔徑數(shù)量占75%；孔徑超出0.36mm進行磨粒流加工孔徑超差風(fēng)險系數(shù)明顯增大。鑒于改造后電火花加工的葉片重熔層厚度不大于0.01mm，磨粒流孔徑增加量初次設(shè)定為0.02 mm。Ф0.3孔磨粒流后重熔層金相檢查結(jié)果如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)

由表2可知，當(dāng)Ф0.3孔磨粒流孔徑增加量0.02mm時，所有孔均未發(fā)現(xiàn)微裂紋，局部存在不連續(xù)的重熔層，試驗結(jié)果圖5所示。

圖5 孔徑增加量0.02mm的殘留重熔層金相圖片 X500

由圖5金相檢查圖片可知，所有殘留的重熔層均局部存在并且不連續(xù)。經(jīng)金相顯微鏡觀測，氣膜孔進出口處均不存在重熔層，且有一定的圓角，觀測結(jié)果圖6所示。

圖6 氣膜孔孔徑增加量0.02mm進、出口金相圖片 X500

根據(jù)表2統(tǒng)計結(jié)果，若孔徑增加量大于0.04mm，則Ф0.3+0.1氣膜孔孔徑將超出設(shè)計圖上限要求。

由此得出，Ф0.3孔磨粒流孔徑增加量0.02mm時，氣膜孔仍存在未完全去除的重熔層。重熔層局部存在并且不連續(xù)，經(jīng)金相顯微鏡觀測，氣膜孔進出口處均不存在重熔層，且有一定的圓角。

(2)孔徑增加量0.04mm

磨粒流孔徑增加量為0.02mm時100%氣膜孔局部存在不連續(xù)的重熔層。根據(jù)殘留的重熔層厚度及形貌，以及圖1氣膜孔直徑所占比例結(jié)果，將孔徑增加量調(diào)整到0.04mm進行試驗加工，Ф0.3孔磨粒流后重熔層金相檢查結(jié)果如表3所示。

表3 試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

實驗對電火花加工小孔時產(chǎn)生的重熔層進行磨粒流處理，取得了以下成果：

1)對重熔層的產(chǎn)生原理進行分析，確定主要影響因素是電流峰值和脈沖寬度。

2)利用擠壓磨粒流加工工藝去除重熔層，對磨粒流的加工過程進行分析、試驗，由原來控制循環(huán)次數(shù)變成控制孔徑的增加量。

3)確定了Φ0.3增加量為0.04，Φ0.5孔徑增加量為0.02，就可消除重熔層，滿足設(shè)計要求。

[1] 丁維育,汪煒．硅陣列通孔微細電火花加工試驗研究[J].電加工與模具,2009,(6).

[2] 石煜,李文卓.小波與分形論在電火花加工放電研究中的應(yīng)用[J].電加工與模具,2009,(1).

[3] 董志國,軋剛.磨料流加工中磨料黏彈性對磨削效果的影響分析[J].金剛石與磨料磨具工程,2010,(6).

[4] 王君明,葉人珍．單顆磨粒的平面磨削三維動態(tài)有限元仿真[J].金剛石與磨料磨具工程,2009,(5).

[5] 鄭洋,劉晰．GMR硬磁偏置層加工技術(shù)[J].功能材料與器件學(xué)報,2010,(3).