[發(fā)明專利]一種精鑄渦輪葉片氣膜冷卻孔的參數(shù)化加工方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710548930.4
• 申請(qǐng)日: 2017-07-07
• 公開（公告）號(hào): CN107506519B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董一巍;尤延鋮;殷春平;李曉琳;趙奇;李效基;王爾泰;黃玥;王希
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué);廈門大學(xué)深圳研究院
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 廈門南強(qiáng)之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

一種精鑄渦輪葉片氣膜冷卻孔的參數(shù)化加工方法，涉及渦輪葉片。提供包括組件鑄造變形、裝夾定位誤差以及小孔加工過程中葉片的移動(dòng)及變形在內(nèi)的誤差，可實(shí)現(xiàn)空心渦輪葉片氣膜孔的參數(shù)化精確加工。通過求解與計(jì)算氣膜孔加工過程中的誤差傳遞與積累，對(duì)氣膜孔的設(shè)計(jì)參數(shù)修正，根據(jù)修正后的氣膜孔形位參數(shù)：氣膜孔的中心點(diǎn)，氣膜孔的法矢，與氣膜孔的孔深，對(duì)氣膜孔進(jìn)行加工，提高氣膜孔的加工精度，提高渦輪葉片的冷卻效率。對(duì)空心渦輪葉片的精確成形具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，避免了當(dāng)前氣膜孔加工領(lǐng)域由于僅根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)直接加工而造成的氣冷效率降低現(xiàn)狀，保證了保證了氣膜孔成形精度，可實(shí)現(xiàn)葉片氣冷效果與設(shè)計(jì)要求保持一致。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及渦輪葉片，尤其是涉及一種精鑄渦輪葉片氣膜冷卻孔的參數(shù)化加工方法。

背景技術(shù)

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件，為使其能夠長(zhǎng)期可靠服役在強(qiáng)烈熱沖擊與復(fù)雜循環(huán)熱應(yīng)力工況條件下，必須采用有效的冷卻措施。其中氣膜冷卻技術(shù)作為提高葉片承溫承載能力的有效手段得到了廣泛應(yīng)用。

氣膜冷卻是在空心葉片曲面輪廓上設(shè)計(jì)呈線性排列的大量微小孔，利用渦輪內(nèi)部釋放的冷空氣，通過數(shù)排直徑在0.3～0.8mm的微小孔在葉片表面形成薄層冷氣膜來達(dá)到隔離高溫燃?xì)饬鞅Ｗo(hù)葉片的目的。氣膜冷卻效率與氣膜孔的形狀與位置參數(shù)息息相關(guān)。通常，氣膜孔入口直徑公差范圍為±0.05mm。因此，保證氣膜孔的制造質(zhì)量與精度對(duì)于提高冷卻效率與葉片壽命至關(guān)重要。

目前，空心渦輪葉片氣膜孔的制造方式主要有機(jī)械加工、激光打孔、電火花打孔、電液束打孔等。然而，工程實(shí)踐表明，在當(dāng)前渦輪葉片氣膜孔的加工實(shí)踐中仍普遍采用人工試錯(cuò)與參數(shù)修正相結(jié)合的方法，氣膜孔的加工質(zhì)量難以預(yù)測(cè)和控制，形位精度及保持性差，氣冷效率損失嚴(yán)重。

產(chǎn)生此問題的原因主要有：首先，空心渦輪葉片一般采用定向結(jié)晶或單晶無(wú)余量精密鑄造，此過程是一個(gè)幾何、材料和邊界條件三重高度非線性耦合的復(fù)雜物理過程；且由于渦輪葉片為大量自由曲面和復(fù)雜內(nèi)腔組成的病態(tài)薄壁結(jié)構(gòu)(壁厚0.5～2mm)，使得葉片鑄件的型面精度低、壁厚尺寸漂移大、質(zhì)量不穩(wěn)、廢品率很高，一直是制約我國(guó)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的瓶頸。其次，葉片裝夾位置的不合理也導(dǎo)致鑄件固定在機(jī)床上時(shí)會(huì)產(chǎn)生定位誤差。另外，在氣膜孔加工小孔過程中由于工件的移動(dòng)與變形也會(huì)造成氣膜孔的形位偏差。由此，與氣膜孔的設(shè)計(jì)形位參數(shù)相比，氣膜孔的實(shí)際加工位置會(huì)產(chǎn)生形位偏差，致使加工過程中易出現(xiàn)盲孔、背面損傷及精度不穩(wěn)等一系列缺陷。

通過多年的發(fā)展，美、英等西方國(guó)家均已掌握高性能氣膜冷卻空心渦輪葉片的制造技術(shù)，如英國(guó)羅羅(RR)、美國(guó)普惠(PW)與美國(guó)通用(GE)三家公司均已實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的高精高效制造，但包括氣膜孔加工在內(nèi)的關(guān)鍵制造技術(shù)對(duì)我國(guó)嚴(yán)格“禁運(yùn)”與封鎖。

為打破國(guó)外技術(shù)封鎖，攻克渦輪葉片氣膜孔高精高效加工難題，國(guó)內(nèi)開展了大量科研工作，主要集中在對(duì)氣膜孔成形微裂紋與重鑄層等加工缺陷的預(yù)測(cè)上，進(jìn)而對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。北京航空材料研究院、中科院金屬所、西北工業(yè)大學(xué)等單位在此問題上做了大量研究工作，并取得豐碩成果。但是大部分研究者對(duì)氣膜孔的成形幾何精度控制方面的研究幾乎沒有涉及，在葉片氣膜孔的高精加工問題上，目前還未有理想的解決方案。

針對(duì)氣膜孔成形幾何精度控制，必須分析計(jì)算導(dǎo)致氣膜孔形位變化的誤差源與誤差積累。專利U.S.Pat.No.0,229,759.A1描述了一種適用于燃?xì)鉁u輪葉片的參數(shù)化加工方法，通過測(cè)量氣膜孔加工點(diǎn)的實(shí)際葉片壁厚以校正加工氣膜孔的孔深；專利U.S.Pat.No.0183,325.A1公開了一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部件微小孔的加工方法，在部件設(shè)計(jì)模型上確定確定微小孔的實(shí)際加工位置參數(shù)，進(jìn)而通過分析部件的整體變形計(jì)算每個(gè)氣膜孔的位置參數(shù)，從而提高加工質(zhì)量效率；專利U.S.Pat.No.6,339,879.B1則涉及到一種基于逆向疊加法提高微小孔成形精度的方法，通過測(cè)量微小孔成形過程中重鑄層的厚度，并將其厚度數(shù)據(jù)逆向疊加入小孔的加工孔徑中，以提高微小孔的幾何精度。然而這些研究都沒有涉及到對(duì)氣膜孔成形過程中的形位參數(shù)誤差分析，也未實(shí)現(xiàn)對(duì)孔形位參數(shù)的精確描述及參數(shù)化的加工方法。