阅读说明：本技术 一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置及方法 (Air-cooled hollow blade air film hole inner wall sharp corner rounding device and method ) 是由 李青 马宁 李艳明 佟文伟 韩振宇 张亚雄 王全 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本申请属于发动机叶片加工技术领域,特别涉及一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置及装置,所述装置包括：电解液循环模块,包括电解液槽及工作液池,电解液通过喷射管自电解液槽引入至工作液池上方,并通过回流管回流,喷射管的喷嘴对准位于工作液池内的气冷空心叶片的气膜孔；电源回路,包括电源、电极棒,以及导电板,电极棒用于伸入气冷空心叶片的气膜孔内,并与气膜孔内壁之间预留间隙,电极棒表面除对应叶片气膜孔内加工区域以外的地方涂覆绝缘层,导电板设置在工作液池内,用于电连接气冷空心叶片。加工过程中,气膜孔内的尖叫与新鲜的电解液接触,导致尖角位置的金属溶解速度远大于阳极表面的其他部位,实现尖角被迅速溶解、去除。(The application belongs to the technical field of engine blade processing, in particular to air-cooled hollow blade air film hole inner wall closed angle radius device and device, the device includes: the electrolyte circulating module comprises an electrolyte tank and a working liquid pool, electrolyte is introduced to the upper part of the working liquid pool from the electrolyte tank through an injection pipe and flows back through a return pipe, and a nozzle of the injection pipe is aligned to a gas film hole of the air-cooled hollow blade in the working liquid pool; the power supply loop comprises a power supply, an electrode rod and a conductive plate, wherein the electrode rod is used for extending into a gas film hole of the air-cooled hollow blade and reserving a gap between the electrode rod and the inner wall of the gas film hole, an insulating layer is coated on the surface of the electrode rod except for a processing area corresponding to the gas film hole of the blade, and the conductive plate is arranged in the working liquid pool and used for being electrically connected with the air-cooled hollow blade. In the processing process, the scream in the gas film hole is contacted with fresh electrolyte, so that the metal dissolution speed at the position of the scream is far higher than that of other parts on the surface of the anode, and the scream can be quickly dissolved and removed.)

一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置及方法

技术领域

本申请属于发动机叶片加工技术领域，特别涉及一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置及方法。

背景技术

随着航空发动机对推重比的要求日益提升，发动机涡轮前温度也逐步提升，未来新一代航空发动机的涡轮前温度越来越高，目前高温材料和热障涂层的发展速度远远不能满足先进航空发动机的要求。因此，必须使用先进气膜冷却技术，才能提高涡轮叶片的耐温能力，实现长期可靠工作。我国已自行设计出多款成熟的气冷空心叶片，叶片表面分布有数十至数百个气膜孔，沿叶身方向规则排列，空间位置分布复杂。为使叶片表面形成完整的气膜，达到良好的冷却效果，每排气膜孔的轴线与叶片表面之间的夹角很小，形成斜孔气膜孔(这种轴线与叶片表面呈非垂直状态的孔称为交叉孔)，其孔径一般在0.2～0.8mm之间。现阶段，气膜孔加工主要采用激光、电火花和电液束等方式实现。

对涡轮叶片而言，气膜孔如同在叶片基体上人为布置大量“缺陷”，会引起局部的应力集中，降低叶片的抗疲劳性能。叶片常用的斜孔气膜孔会在孔边的一侧形成尖角，这些尖角的存在，会严重影响涡轮叶片的使用寿命。多型发动机均发生过由于涡轮叶片气膜孔尖角处萌生疲劳裂纹导致的发动机较大故障，造成经济财产损失。因此，亟须一种对叶片气膜孔尖角倒圆的方法，用于消除气膜孔尖角，降低或消除叶片气膜孔边局部的应力集中，提升叶片抗疲劳性能。

气膜孔尖角倒圆属于一种定位切削去毛刺工艺。普通零件倒圆一般通过机械法、磁力研磨法、磨粒流法、磨粒喷射法、化学法、电化学法等方法实现。涡轮叶片不同于普通零件，在气膜孔倒圆过程中不允许破坏、碰伤各个型面，尤其叶片内腔冷却通道结构复杂，实现对叶片气膜孔内壁处尖角去除非常困难。现阶段，气膜孔内、外壁表面尖角倒圆一般通过磨粒流法来实现，但磨粒流去除效率低，易发生内腔冷却通道或气膜孔堵塞等问题，无法满足先进发动机空心气冷叶片的制备需求。国内有多种关于零件去毛刺的发明专利，但没有适用涡轮叶片气膜孔内表面尖角倒圆的方法。

机械法是通过切削或材料表面塑形变形去除凸起部分达到表面光滑的目的，是应用最广泛的方法，主要有手工、滚磨、刷子、喷射等方法。公开号为108620675A的中国专利提供了一种机械零件表面毛刺去除设备，通过锉刀对零件表面的毛刺去除，同时通过活塞运动带动空气将毛刺去除时产生的碎屑吹掉，提高毛刺去除效率。机械法主要用于尺寸较大的零部件，刷子等工具无法进入空心叶片内腔，且无操作空间，无法去除涡轮叶片气膜孔内表面尖角；同时机械法控制精度差，不适用叶片精密加工。

磁力研磨法是在磁场作用下，将被磁化的磁性磨料吸引到一起，形成磁力研磨刷，对零件表面实现研磨加工，具有很好的柔性和自适应性。公开号为108581649A的中国专利提供了一种高效磁力表面处理方法，通过磁力研磨与超声波结合的方法，使磁性磨料在磁场作用下，对零件表面产生脉冲压力，多用于工件表面的整体去毛刺，使工件表面更加细密、均匀，提高工件的疲劳寿命。这种方法对于较大尺寸，无复杂冷却通道的涡轮导向叶片尚可使用，对叶片内腔整体进行抛光和去除气膜孔尖角，但倒圆效果无法控制。而对于内腔冷却通道结构复杂，空间狭窄的涡轮工作叶片无法实现。既不能选择尺寸过大的研磨针，防止取出困难，残留于叶片内腔；也不能选择尺寸过小的研磨针，防止磁针在研磨过程中钻入孔内，造成堵塞。而且由于磁针受叶片内腔空间限制运动范围小，运动速度低，与内腔表面发生碰撞时产生的力小，去除效果不佳。

磨粒流法是通过磨粒被来回挤压，利用磨粒的流动，不断对工件表面进行研磨，产生抛光和倒角的作用。现阶段国内主要应用磨粒流法对叶片内腔表面及气膜孔内壁尖角进行去除。公开号为104999379A的中国专利提供了磨粒流微孔抛光装置，在加压振动座的磨粒流通道下端设置超声振动器，通过超声振动器的高频振动给予磨粒流高的加速度能量，提高加工效率及加工表面质量。在叶片加工方面，磨粒流法主要是对叶片内腔整体进行去毛刺和抛光，并不只针对气膜孔尖角进行倒圆，由于磨粒流法属于整体处理工艺，无法考虑叶片气膜孔的差异性，对尖角的去除量及倒圆效果无法控制；其次，磨粒流法加工效率低；磨粒尺寸不好把控，选用较小的磨粒流粒子对气膜孔尖角去除效果不好，较大的磨粒流粒子易堵塞微小气膜孔；磨粒中含有一些物质会与叶片材料产生化学反应，对叶片产生未知的影响。

磨粒喷射法是磨粒流法的升级版，提升了磨粒流的加工效率和加工精度。它是利用微细磨粒、溶液介质和高压气体的高速混合流冲击工件从而达到除去毛刺的目的。公开号为105033870A的中国专利提供了一种气液固三相磨粒流供给装置，提高了磨粒流的混合流动、磨粒供给及抛光性能。该方法对于叶片内腔加工时同样存在堵塞气膜孔、与叶片基体发生化学反应、无法控制气膜孔尖角去除量及倒圆效果等问题。

化学抛光法是依靠化学试剂的化学浸蚀作用对样品凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平的一种方法，具有操作简单方便和成本较低等优点，但化学抛光效果不如电化学抛光。公开号为101555601B的中国专利本发明公开了一种精密零件机械加工中毛刺去除的方法。将零件放入配置好的专用化学溶液中，在一定温度下停留一段时间后取出，流水冲洗烘干即可达到去除零件孔、槽、沟等各处毛刺的目的。涡轮叶片一般采用铸造工艺制造，铸造合金会存在成分偏析，导致局部电位不同产生局部腐蚀。化学抛光主要用于不锈钢、铜及铜合金等，不适用于铸造高温合金。

传统电化学抛光法是以被抛光工件为阳极，不溶性金属为阴极，在电解槽中，以直流电离反应而产生阳极溶解，达到工件表面除去细微毛刺和光亮度增大的效果。加工过程无机械力，适用于复杂零件。公开号为109420810的中国专利提供了一种硬金属电化学去毛刺方法，通过在非毛刺区域与阴极头之间增加绝缘层，向工件的毛刺区域喷洒处理液，通过处理液的流动带走反应后的物质以去除毛刺。传统的电化学方法主要应用于大尺寸零件的去毛刺、改善零部件表面光洁度等方面，在发动机零部件加工中主要应用于发动机盘、轴、钛合金叶片等。

综上，现有的气膜孔尖角倒圆存在以下缺陷：

1、机械法主要用于尺寸较大的零部件，刷子等工具无法进入空心叶片内腔，且无操作空间，无法去除叶片气膜孔内表面尖角；同时机械法控制精度差，不适用叶片精密加工。

2、磁力研磨法对于较大尺寸、无复杂冷却通道的涡轮导向叶片尚可使用，对叶片内腔整体进行抛光和去除气膜孔尖角，但倒圆效果无法控制。而对于内腔冷却通道结构复杂，空间狭窄的涡轮工作叶片无法实现。既不能选择尺寸过大的研磨针，防止取出困难，残留于叶片内腔；也不能选择尺寸过小的研磨针，防止磁针在研磨过程中钻入孔内，造成堵塞。而且由于磁针受叶片内腔空间限制运动范围小，运动速度低，与内腔表面发生碰撞时产生的力小，去除效果不佳。

3、磨粒流法和磨粒喷射法主要是对叶片内腔整体进行去毛刺和抛光，并不只针对气膜孔尖角进行倒圆，由于磨粒流法属于整体处理工艺，无法考虑叶片气膜孔的差异性，对尖角的去除量及倒圆效果无法控制；磨粒尺寸不好把控，选用较小的磨粒流粒子对气膜孔尖角去除效果不好，较大的磨粒流粒子易堵塞微小气膜孔；磨粒流工艺中使用的添加剂中含有一些物质会与叶片材料产生化学反应，对叶片产生未知的影响。

4、化学法主要用于不锈钢、铜及铜合金等，且抛光效果不如电化学抛光。涡轮叶片一般采用铸造工艺制造，铸造合金会存在成分偏析，导致局部电位不同产生局部腐蚀。

5、传统的电化学方法主要应用于相对较大的不锈钢零件去毛刺、改善零部件表面光洁度等方面，应用于发动机盘、轴及钛合金叶片等零部件的加工。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置及方法，采用脉冲电化学方法对气冷空心叶片气膜孔内壁尖角进行倒圆，利用电能、化学能进行局部阳极溶解来达到倒圆角的目的。

本申请第一方面提供了一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置，包括：

电解液循环模块，包括电解液槽及设置在移动平台上的工作液池，电解液通过喷射管自电解液槽引入至工作液池上方，并通过回流管自工作液池回流至电解液槽，其中，所述气冷空心叶片位于所述工作液池内，所述喷射管的喷嘴对准所述气冷空心叶片的气膜孔；

电源回路，包括电源、自所述电源一极引出的电极棒，以及自所述电源另一极引出的导电板，其中所述电极棒用于伸入所述气冷空心叶片的气膜孔内，并与所述气膜孔内壁之间预留间隙，电极棒表面除对应叶片气膜孔内加工区域以外的地方涂覆绝缘层，所述导电板设置在工作液池内，用于电连接所述气冷空心叶片。

优选的是，所述电源采用脉冲电源，所述脉冲电源的电压设置为8～20V，脉冲频率设置为5000Hz～10000Hz。

优选的是，所述移动平台设置在平台架上，并通过控制系统控制其移动。

优选的是，所述导电板固定于所述工作液池内的样品台上，所述样品台通过所述控制系统控制其倾斜。

优选的是，所述电解液包括10～25％硝酸钠和5～10％的柠檬酸钠。

优选的是，所述电极棒为Cu-W/Cu电极。

优选的是，所述电极棒的直径设置为所述气膜孔孔径的1/4～3/4。

优选的是，所述绝缘层为环氧树脂绝缘层。

优选的是，所述电极棒通过电极夹具夹持，所述电极夹具固定在电极平台上，所述电极平台固定在所述移动平台上，且相对于所述移动平台高度可调。

优选的是，所述导电板为石墨导电板。

优选的是，石墨导电板接电源正极，电极棒接电源负极。

优选的是，工作液池材料为酚醛树脂，形状为上端开口的长方体。

优选的是，样品台及导电板采用螺栓固定。

优选的是，叶片通过榫头端面压紧连接在导电板上。

本申请第二方面提供了一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆方法，采用如上所述的装置进行气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆，所述方法包括：

使所述电解液循环模块内的电解液进行循环；

调整气冷空心叶片的位置及角度，以使所述电极棒垂直伸入气膜孔内，电极棒的工作部位对准气膜孔内壁尖角，并保持一定的加工间隙；

设置加工电源参数及加工时间，启动电源，进行气膜孔内壁尖角倒圆。

优选的是，工作完成后，进一步包括对叶片进行超声波清洗。

优选的是，所述的加工间隙约为0.05mm～0.1mm，加工时间为10～100s。

本发明通过对涡轮叶片每个斜孔气膜孔内壁尖角进行针对性倒圆，保证了每个气膜孔尖角的倒圆效果，消除叶片气膜孔尖角带来的应力集中，提高涡轮叶片的使用寿命；所提供的装置及其操作方法不受叶片内腔冷却通道的影响，可实现对叶片气膜孔指定位置倒圆；通过脉冲电压、加工距离和加工时间等参数的设定，保证加工精度和圆角表面质量；操作过程中不需要磨粒流动，消除了现有方法中堵孔、与叶片材料产生化学反应等对叶片疲劳性能不利的影响。本发明具有操作简单方便、稳定性高和安全可靠等优点。

附图说明

图1是本申请叶片气膜孔尖角倒圆装置结构示意图。

图2是叶片和电极相对位置关系示意图。

其中，1-电源，2-电极棒，3-气冷空心叶片，4-导电板，5-样品台，6-工作液池，7-电解液槽，8-电解液，9-压力泵，10-控制系统，11-平台架，12-移动平台，13-电极平台，14-电极夹具；

21-环氧树脂绝缘层，31-叶片外表面，32-叶片内表面。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请第一方面，一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆装置，如图1及图2所示，主要包括：

电解液循环模块，包括电解液槽7及设置在移动平台12上的工作液池6，电解液8通过喷射管自电解液槽7引入至工作液池6上方，并通过回流管自工作液池6回流至电解液槽7，其中，所述气冷空心叶片3位于所述工作液池6内，所述喷射管的喷嘴对准所述气冷空心叶片3的气膜孔；

电源回路，包括电源1、自所述电源1一极引出的电极棒2，以及自所述电源1另一极引出的导电板4，其中所述电极棒2用于伸入所述气冷空心叶片3的气膜孔内，并与所述气膜孔内壁之间预留间隙，电极棒2表面除对应叶片气膜孔内加工区域以外的地方涂覆绝缘层，所述导电板4设置在工作液池6内，用于电连接所述气冷空心叶片3。

本申请采用脉冲电化学方法对气冷空心叶片的气膜孔进行尖角倒圆，脉冲电化学在加工过程中不存在机械切削力，不会形成附加的应力和表面变质层，是倒圆加工的优选方案。脉冲电化学尖角倒圆的工作原理：它主要是利用电能、化学能进行局部阳极溶解来达到倒圆角的目的。加工时，叶片接直流电源正极，称为阳极；Cu-W/Cu电极接直流电源负极，称为阴极。如图2所示，Cu-W/Cu电极通过气膜孔从叶片外表面31伸入叶片内腔，至叶片内表面32一端，电极棒作用区域对准涡轮叶片内壁尖角部位，且两者之间保持适当的加工间隙，以便让循环的电解液顺利通过，将加工过程中产生的电解产物及热量冲离加工区，电极表面除加工区域均涂覆环氧树脂绝缘层。加工时，阳极发生溶解：宏观上看，叶片气膜孔内壁尖角部位距离Cu-W/Cu电极较近，电流密度大，尖角部位溶解并形成倒圆；微观上看，尖角部位表面波峰处氧化膜的厚度小于波谷处，波峰处金属溶解速度大于波谷，导致表面逐渐被整平，最终实现尖角被迅速溶解、去除，获取内壁无尖角、高质量的气膜孔，消除叶片气膜孔尖角带来的应力集中，提高涡轮叶片的使用寿命。该方法也可应用于其他零部件微小交叉孔的孔边倒圆，提高零部件的使用寿命。

在一些可选实施方式中，所述电源1采用脉冲电源，所述脉冲电源的电压设置为8～20V，脉冲频率设置为5000Hz～10000Hz。

在一些可选实施方式中，所述移动平台12设置在平台架11上，并通过控制系统控制其移动。

在一些可选实施方式中，所述导电板4固定于所述工作液池6内的样品台5上，所述样品台5通过所述控制系统控制其倾斜。

如图1所示，移动平台12通过支架连接在平台架11上，平台架11受控制系统10控制，带动移动平台12左右/前后移动，样本台5通过连接机构连接至平台架11内，同样受到控制系统10控制，连接机构连接样本台5的一端通过偏转带动通过样本台5实现倾斜功能。

本申请中，通过精密马达实现叶片气膜孔的精密定位，实现对不同角度气膜孔的电化学加工，控制系统10通过精细马达装置可以控制平台的移动和倾斜：移动平台可以向前、后、左、右、上和下六个方向移动，移动距离为10～20cm；倾斜平台可以控制被加工叶片向左和右两个方向倾斜，倾斜角度为-30°～60°，所有角度调整由电脑软件精确控制。

在一些可选实施方式中，所述电解液包括10～25％硝酸钠和5～10％的柠檬酸钠。电解液工作温度为20～25℃。

在一些可选实施方式中，所述电极棒2为Cu-W/Cu电极。

在一些可选实施方式中，电极直径依据气膜孔大小而定，一般情况下，电极棒2的直径设置为所述气膜孔孔径的1/4～3/4。

在一些可选实施方式中，所述绝缘层为环氧树脂绝缘层21。

在一些可选实施方式中，所述电极棒2通过电极夹具14夹持，所述电极夹具14固定在电极平台13上，所述电极平台13固定在所述移动平台12上，且相对于所述移动平台12高度可调。

在一些可选实施方式中，所述导电板为石墨导电板，石墨导电板接电源正极，电极棒接电源负极；工作液池材料为酚醛树脂，形状为上端开口的长方体，长为30～50cm，宽为15～50cm，高为10～30cm。样品台及导电板采用螺栓固定。叶片通过榫头端面压紧连接在导电板上。

本申请第二方面提供了一种气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆方法，采用如上所述的装置进行气冷空心叶片气膜孔内壁尖角倒圆，所述方法包括：

①分别组装各个仪器，准备待用；

②脉冲电源正极接阳极导电板，脉冲电源负极接阴极电极；

③配置硝酸钠和柠檬酸钠的混合电解液；

④打开压力泵9，使电解液进入工作液池，形成不断循环的电解液系统，循环液浇头对准被加工气膜孔；

⑤调整工作平台和倾斜平台，使阴极电极垂直伸入叶片气膜孔内部，电极的工作部位对准内壁尖角，两者保持一定的加工间隙；

⑥设置加工电源参数及加工时间，进行叶片内壁尖角倒圆；

⑦工作完成后，关闭电源，取出叶片，超声波清洗，烘干；

所述的样品台可实现六个方向移动及角度倾斜，实现叶片全角度可达，电极工作方向固定，可垂直升降。

所述的加工间隙约为0.05mm～0.1mm，加工时间为10～100s，依据材料种类而定。

本发明装置和方法具有操作简单、安全高效和实用性强等优点，可实现无应力对涡轮叶片斜孔气膜孔内壁尖角的精确定位倒圆，获取无尖角、高质量的气膜孔，消除叶片气膜孔尖角带来的应力集中，提高涡轮叶片的使用寿命。

该装置及方法不受叶片内腔冷却通道的影响，可实现小空间、复杂内腔冷却通道的叶片加工。

该装置及方法通过脉冲电化学方法，采用小的加工间隙，高频电流作用，使电解液更快的更新，解决了加工热量不易排除的问题，保证加工精度和圆角表面质量。

该装置及方法不需要磨粒流动，避免了现常用方法中的堵孔、与叶片材料产生化学反应等对叶片疲劳性能的不利影响。

该装置及方法对可试验精确定位，定点倒圆，避免了对无需加工表面进行加工的问题，加工过程中不存在机械切削力，不会产生附加的应力。

该装置实现半自动化操作，操作简单，通过调控电压、加工距离和加工时间等参数实现加工质量控制。

该装置及方法采用中性无机盐电解液代替传统的酸性电解液，腐蚀小，环境污染小。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。