扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法与流程

本发明涉及特种加工技术领域，特别是涉及一种扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法。

背景技术：

气膜冷却技术是沿壁面喷射气体形成气膜，从而起到隔热散热的作用，已广泛应用于航空发动机和燃气轮机的热端工作叶片，以保证其在高于叶片材料熔点的环境温度下可靠工作。气膜冷却技术实现的关键在于气膜冷却孔的加工。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，其加工技术已成为航空发动机和燃气轮机制造的关键技术之一。

气膜冷却孔的几何结构对冷却效率有明显影响，扩散型气膜冷却孔相对于圆柱孔有更高的冷却效率，近年来逐渐成为一种常用的孔型。一种扩散型气膜冷却孔的形状如图2所示。每个扩散型气膜冷却孔由圆柱形入口200和扩散形出口100组成。气体从圆柱形入口200进入气膜冷却孔，然后在扩散形出口100处不断扩散，最后喷射到被冷却表面。扩散形出口100可以减缓气体喷射而出的速度，从而使气体更好的覆盖在被冷却表面，提高气膜冷却的效率。

然而，扩散型气膜冷却孔形状复杂、数量多，并且叶片材料采用高强度、高硬度的材料，传统的机械加工方式不能满足扩散型气膜冷却孔的加工要求。电火花成形加工可加工高强度、高硬度材料，利用与气膜冷却孔形状相同的成形电极可加工出扩散型气膜冷却孔的复杂形状，是一种可行的加工技术。但电火花成形加工过程中成形电极会损耗，导致其形状改变，并且成形电极形状复杂，电极修复困难。因此，传统的电火花成形加工无法高效、低成本的加工出扩散型气膜冷却孔群孔，寻求一种加工效率更高、加工成本更低的工艺方法是十分必要的。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统电火花成形加工无法高效、低成本的加工扩散型气膜冷却孔的问题，提供一种加工效率高、成本低的扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法，包括以下步骤：

根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口的形状尺寸，将待加工区域分为若干个子区域；

利用细长型电极进行电火花加工，电极一次进给加工一个子区域，若干次进给加工出完整的待加工气膜冷却孔的扩散形出口。

在其中一个实施例中，根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口的形状尺寸，将待加工区域分为若干个子区域的步骤具体包括：

根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口的形状尺寸，将其形状扩展为一个倒四棱台，倒四棱台的底面为边长为l1的正方形，倒四棱台的顶面为长和宽均大于l1的长方形；

假设倒四棱台的顶面用n个边长为l1的正方形覆盖，将n个正方形分别与倒四棱台的底面进行放样，即形成n个子区域。

在其中一个实施例中，利用细长型电极进行电火花加工，电极一次进给加工一个子区域，若干次进给加工出完整的待加工气膜冷却孔的扩散形出口的步骤具体包括：

细长型电极的加工长度大于倒四棱台的高度；细长型电极沿着每个子区域所限定的路径进给，细长型电极的横截面为边长为l2的正方形，l2小于l1；细长型电极的每次加工的起始位为倒四棱台的顶面的其中一个正方形，每次加工的止位为倒四棱台的底面。

在其中一个实施例中，细长型电极的横截面的边长l2＝l1-2δ，其中δ是电火花加工的放电间隙。

在其中一个实施例中，利用检测电路实时检测反馈细长型电极与加工工件之间的电压。

在其中一个实施例中，在根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口的形状尺寸，将待加工区域分为若干个子区域的步骤之前，还包括以下步骤：

利用中空管状电极加工出待加工气膜冷却孔的圆柱形入口。

在其中一个实施例中，利用中空管状电极加工出待加工气膜冷却孔的圆柱形入口的步骤具体包括：

根据待加工气膜冷却孔的圆柱形入口的尺寸选用相应尺寸的管状电极进行电火花穿孔加工。

在其中一个实施例中，管状电极的横截面呈圆形。

在其中一个实施例中，管状电极的横截面呈正方形。

在其中一个实施例中，利用细长型电极进行电火花加工，电极一次进给加工一个子区域，若干次进给加工出完整的待加工气膜冷却孔的扩散形出口的步骤之后，还包括以下步骤：

利用电火花线切割工艺沿水平方向切割掉细长型电极端部的损耗部分。

上述扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法，采用分块式加工工艺，将待加工的区域分为若干区域以分别加工，因此可采用普通细长杆型电极加工出气膜冷却孔的扩散形出口，且加工完毕后电极修复简单，使得气膜冷却孔的加工效率有效提高，加工成本大大减少。这样，解决了传统的气膜冷却孔使用成本较高的成形电极进行加工而存在的低效率、高成本问题。

附图说明

图1是本发明实施例的扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法的流程图；

图2是现有的一种典型的扩散型气膜冷却孔在涡轮叶片上的分布示意图；

图3是图2中的典型的扩散型气膜冷却孔的结构示意图；

图4是本发明一实施例的管状电极加工气膜冷却孔的圆柱形入口的示意图；

图5是本发明一实施例的气膜冷却孔的扩散形出口扩展为倒四棱台的示意图；

图6a是本发明一实施例的倒四棱台的顶面用12个正方形覆盖的示意图；

图6b是本发明一实施例的倒四棱台被分为12个子区域的示意图；

图7a和图7b是本发明一实施例的气膜冷却孔的扩散形出口的加工第1次进给示意图；

图7c和图7d是本发明一实施例的气膜冷却孔的扩散形出口的加工第2次进给示意图；

图7e和图7f是本发明一实施例的气膜冷却孔的扩散形出口的加工第12次进给示意图。

其中：

100-扩散形出口；

200-圆柱形入口；

300-涡轮叶片；

400-管状电极；

500-细长型电极；

600-电极进给起始位；

700-电极进给止位；

800-倒四棱台边界。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

本发明的扩散型气膜冷却孔的电火花分块加工方法，主要用于加工如图2所示的一种典型的扩散型气膜冷却孔。但是，基于与本发明相同的加工思路，该电火花分块加工方法也能用于加工其他复杂形状的异形孔。

如图1至图3所示，扩散型气膜冷却孔包括圆柱形入口200和扩散形出口100，而本发明主要研究的是如何采用高效、低成本的加工方法加工出气膜冷却孔的扩散形出口100。

至于圆柱形入口200的加工，其在现有技术中也并不难实现。作为一种可实施的方式，加工气膜冷却孔的圆柱形入口200的步骤包括：

s100：利用中空管状电极400加工出待加工气膜冷却孔的圆柱形入口200。

具体地，一种方法是采用与圆柱形入口200尺寸相同的圆管电极进行电火花穿孔加工。其中，圆管电极是指横截面为圆形的电极，该圆管电极的管径与圆柱形入口200的直径相同，考虑到电火花的放电间隙，该圆管电极的管径应当略小于圆柱形入口200的直径。

另一种方法使采用与圆柱形入口200尺寸相应方管电极进行高速电火花穿孔加工。其中，方管电极是指横截面为正方形的电极，该正方形的对角线的长度等于圆柱形入口200的直径，考虑到电火花的放电间隙，该方管电极的横截面对角线的长度也略小于圆柱形入口200的直径。在方管电极高速旋转的加工过程中，形成圆柱形入口200。

另外在电火花加工领域，加工过程中在管状电极400内部通入高压工作液，用以快速排出加工产物，是本领域技术人员所熟知的技术，在此不做赘述。

本发明实施例的加工气膜冷却孔的扩散形出口100的步骤包括：

s200：根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口100的形状尺寸，将待加工区域分为若干个子区域。

s300：利用细长型电极500进行电火花加工，电极一次进给加工一个子区域，若干次进给加工出完整的待加工气膜冷却孔的扩散形出口100。

这样，采用本实施例的扩散型气膜冷却孔的加工方法，气膜冷却孔的圆柱形入口200和扩散形出口100均采用电火花加工工艺，可在一台设备上完成气膜冷却孔的加工；同时，采用电火花分块加工方法，可利用普通细长型电极500加工出气膜冷却孔的扩散形出口100，所用的细长型电极500易于批量生产。

进一步地，在s200的步骤中，具体包括：

s210：根据待加工气膜冷却孔的扩散形出口100的形状尺寸，将其形状扩展为一个倒四棱台，倒四棱台的底面为边长为l1的正方形，倒四棱台的顶面为长和宽均大于l1的长方形；

假设倒四棱台的顶面用n个边长为l1的正方形覆盖，将n个正方形分别与倒四棱台的底面进行放样，即形成n个子区域。

进一步地，在s300的步骤中，具体包括：

s310：细长型电极500的加工长度大于倒四棱台的高度；细长型电极500沿着每个子区域所限定的路径进给加工，细长型电极500的横截面为边长为l2的正方形，l2小于l1；细长型电极500的每次加工的起始位600为倒四棱台的顶面的其中一个正方形，每次加工的止位700为倒四棱台的底面。

其中，为了便于加工，可使待加工气膜冷却孔的轴向沿竖直方向设置，电极在加工过程中也始终为竖直状态。

较佳地，细长型电极500的横截面的边长l2＝l1-2δ，式中δ是电火花加工的放电间隙。这样，电极一次进给即可加工出一个子区域，使得加工效率更高。

以及s320：利用检测电路实时检测反馈细长型电极500与加工工件之间的电压。根据反馈电压以实现电极沿进给路径的进退，从而保证电极与工件之间的间隙符合火花放电的条件。

再进一步地，在s300的步骤之后，还包括步骤s400：

利用电火花线切割工艺沿水平方向切割掉细长型电极500端部的损耗部分。所用的普通细长型电极500损耗后，利用电火花线切割工艺切除电极的损耗部分，因此，电极的修复工序成本低、效率高。

下面结合各附图和实例具体说明如何在涡轮叶片上加工出如图2、3所示的典型的气膜冷却孔。

参见图4，利用中空管状电极400在涡轮叶片300上气膜冷却孔所在的位置加工出一个圆孔，圆孔的直径和角度与气膜冷却孔的圆柱形入口200相同，其中，圆孔的直径可以为0.3mm～0.8mm，本实例以加工的圆孔直径为0.4mm为例具体说明。圆孔的角度为该圆孔的轴向相对于涡轮叶片300表面的倾角，可选择地，该倾角为30°。加工后的圆孔的下半段即为气膜冷却孔的圆柱形入口200，上半段为气膜冷却孔的扩散形出口100的一部分，仍需进一步加工出气膜冷却孔的扩散形出口100。

根据图3所示的一种典型的扩散型气膜冷却孔的扩散形出口100的形状尺寸，该扩散形出口100的底部与上述圆柱形入口200连接，底部为正方形且自底部向顶部逐渐呈扩散状，其前侧面与圆柱形入口200的轴向平行，后侧面与圆柱形入口200的轴向之间的夹角为15°，称为后倾角；其两侧面与圆柱形入口200的轴向之间的夹角也为15°，称为扩散角。

为便于分析，将扩散形出口100的形状扩展为一个倒四棱台(为虚拟扩展，可通过成型软件实现)，如图5所示。扩展后的倒四棱台与基体材料(上述涡轮叶片300)没有交集，因此不会产生过加工。倒四棱台的底面是一个正方形，其边长l1＝0.4mm，该底面为圆柱形入口200和扩散形出口100的交界面，该正方形外切于上述的圆孔，因此该正方形的边长l1等于上述圆孔的直径。倒四棱台的顶面是一个长方形，其长为1.6mm，宽为1.2mm。

如图6a和6b所示，将倒四棱台空间进行分块，具体步骤是：将倒四棱台的顶面用n个正方形完全覆盖，优选覆盖方法使n最小，该n个正方形的边长等于倒四棱台的底面边长l1。在本实施例中，最少可用12个边长为0.4mm的正方形将倒四棱台的顶面完全覆盖。将每个正方形与倒四棱台的底面进行放样，形成12个放样实体，每一个放样实体均为一个待加工子区域。这些放样实体将倒四棱台分成12块，块与块之间有重叠，但可将整个倒四棱台区域完全覆盖。

如图7a至7f所示，选用细长型电极500进行加工，为便于加工，使气膜冷却孔轴线(等同于上述圆孔的轴线)沿竖直方向放置(即需要将涡轮叶片300表面与竖直方向呈30°倾斜地固定待加工的涡轮叶片300)，且用于加工的电极始终沿竖直方向进给。细长型电极500沿水平方向的横截面是一个正方形，其边长l2＝l1-2δ＝0.3mm，其中δ＝0.05mm，是电火花加工的放电间隙。细长型电极500的可加工长度要大于倒四棱台高度。

加工时，用细长型电极500分别加工成形出前述12个放样实体，电极的每次进给成形出一个放样实体，则12次进给可成形整个倒四棱台。

参见图7a和图7b，例如在第一次进给过程中，首先，起始时，细长型电极500的底面中心与倒四棱台的顶面的一个正方形的中心重合，且电极底面与倒四棱台的顶面重合(图中电极进给起始位600)。然后，电极沿着相应的正方形所对应的放样中心进给，进给过程中电极轴线保持竖直状态，直至电极底面与四棱台底面重合(图中电极进给止位700)，则一次进给结束，该次进给对应加工出如图6b中第一图(自左起)的第1个放样实体。

同样地，参见图7c和图7d，在第二次进给过程中，细长型电极500由图中电极进给起始位600运动至图中电极进给止位700，则该次进给结束，对应加工出如图6b中第二图(自左起)的第2个放样实体。

根据划分区域设置的进给路径依次加工出第3个放样实体、第4个放样实体、第5放样实体......，直至第12放样实体。

参见图7e和图7f，在最后一次进给的过程中，细长型电极500由图中电极进给起始位600运动至图中电极进给止位700，则该次进给结束，对应加工出如图6b中第三图(自左起)的第12放样实体。这样，即完成了在涡轮叶片300上加工出一个扩散型气膜冷却孔。

在进给过程中，可通过检测电路实时反馈电极与工件之间的电压。根据所述反馈电压以实现细长型电极500沿进给路径的进退，从而保证电极与工件之间的间隙符合火花放电的条件。

最后，在完成一个扩散型气膜冷却孔的加工工序后，细长型电极500端部损耗，形状改变，需进行电极修复工序。可利用电火花线切割沿水平方向去除电极的损耗部分，使电极端部恢复为正方形。

其中，可利用工业相机拍摄电极尖端形状，从而计算出电极损耗长度，即可得到需要去除的长度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。