渦輪葉片氣膜孔加工技術(shù)及其發(fā)展

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1、渦輪葉片氣膜孔加工技術(shù)及其發(fā)展渦輪是中熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷最大的部件，渦輪葉片的工作環(huán)境尤為惡劣，在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中，它承受著燃燒后的高溫高壓燃?xì)鉀_擊，其制造技術(shù)也被列為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)性能很大程度上取決于渦輪進(jìn)口溫度的高低，它受渦輪葉片材料的限制。對(duì)這些部件進(jìn)行連續(xù)不斷的冷卻，可以允許它們的工作環(huán)境溫度超過(guò)材料的熔點(diǎn)，這樣仍能安全可靠的工作，氣膜冷卻技術(shù)是具有代表性的重要結(jié)構(gòu)改進(jìn)之一，大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，同時(shí)也對(duì)氣膜孔加工技術(shù)提出了更高的要求。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，氣膜孔加工新技術(shù)也不斷出現(xiàn)，在傳統(tǒng)的激光打孔（Laser）、電火花高速打孔（EDM

2、）、電化學(xué)打孔（ECM）等加工方法的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了激光電火花復(fù)合打孔、電解電火花復(fù)合打孔等新工藝，去除重熔層技術(shù)在磨粒流的基礎(chǔ)上，又發(fā)展應(yīng)用了化學(xué)研磨技術(shù)、電解質(zhì)-等離子加工等新技術(shù)，為提高渦輪葉片氣膜孔加工質(zhì)量、技術(shù)水平和生產(chǎn)效率做出了重要貢獻(xiàn)。氣膜冷卻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計(jì)，渦輪前溫度平均每年升高25K，其中約15K是依靠冷卻技術(shù)的進(jìn)步取得的。在過(guò)去的三、四十年中，渦輪進(jìn)口溫度提高了大約450K。其中70%是由于渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片的高效冷卻設(shè)計(jì)取得的，而另外30%應(yīng)歸于高溫合金和鑄造加工工藝的改進(jìn)。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的渦輪葉片

3、冷卻技術(shù)，其發(fā)展趨勢(shì)如圖1所示。提高渦輪進(jìn)口溫度是增大和提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力與推重比的重要手段。在材料耐溫能力有限的前提下，渦輪葉片冷卻技術(shù)成為了提高渦輪進(jìn)口溫度、保證渦輪在高溫環(huán)境下可靠工作的可行且高效的途徑。為此，世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與制造商研究和開(kāi)發(fā)了大量的渦輪葉片冷卻技術(shù)，成功地驗(yàn)證和應(yīng)用了沖擊、對(duì)流、氣膜、復(fù)合冷卻、鑄冷和超冷等葉片技術(shù)，并且在提高渦輪進(jìn)口溫度（進(jìn)而提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能）方面取得了很好的效果。圖2為渦輪葉片及其內(nèi)部冷卻通道的形式圖。氣膜孔加工技術(shù)氣膜冷卻技術(shù)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在渦輪葉片前緣、葉身型面等部位設(shè)計(jì)了大量的氣膜孔，孔徑一般在0.2~

4、0.8mm，空間角度復(fù)雜。因而，氣膜孔的加工技術(shù)成為渦輪葉片制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，葉片氣膜冷卻孔的加工主要采用激光打孔、電火花打孔、電液束打孔等方法，各種方法均有各自的特點(diǎn)。激光打孔效率高，但重熔層較厚；電火花打孔重熔層相對(duì)較薄；而電液束打孔無(wú)重熔層，質(zhì)量好，但效率較低。1激光打孔激光打孔成形的工藝方法分為定點(diǎn)沖擊打孔和旋切打孔：（1）定點(diǎn)沖擊打孔：聚焦的面功率密度不低于106kW/cm2。其加工范圍為孔徑：0.01~1.0mm；孔深：5~15mm?？椎奶卣鳛槔瓤冢F度，不圓度，不直度，粗糙本文由碳晶地暖www.floorshine.cn氣動(dòng)隔膜泵ww

5、w.wanshunfeng.com聯(lián)合整理發(fā)布度Ra=6.3μm?？妆谝苯鹳|(zhì)量為有0.15mm的重熔層。（2）旋切打孔：激光束旋轉(zhuǎn)，工件旋轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)為孔壁冶金質(zhì)量好，孔形規(guī)矩，孔徑不受限制。其缺點(diǎn)為孔深受限。激光打孔的優(yōu)點(diǎn)是不論材料的種類(lèi)和硬度都可進(jìn)行，所以應(yīng)用范圍較廣，但因其精度較差，重復(fù)精度也較低，所以用量、規(guī)模都不是很大。但對(duì)一些特殊零件，采用激光打孔卻取得了很大效益，如渦輪葉片氣膜孔加工采用YAG激光旋切，僅在孔壁局部范圍尚存在重熔層，最大厚度小于0.05mm，個(gè)別孔存在微裂紋，但不進(jìn)入基體。另外激光打孔對(duì)高硬度、非導(dǎo)體材料的微小孔、孔數(shù)量很大的零件

6、進(jìn)行加工也很有優(yōu)勢(shì)，如發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)散器隔熱屏等結(jié)構(gòu)件的打孔加工。2電火花打孔高速電火花打孔加工原理是在旋轉(zhuǎn)的中空管狀電極中通以高壓工作液，沖走加工屑，同時(shí)保持高電流密度連續(xù)正常放電。電極旋轉(zhuǎn)可使端面損耗均勻，不致受高壓、高速工作液的反作用力而偏斜[1]。在氣膜冷卻孔主要打孔工藝方法中，電火花打孔工藝應(yīng)用的時(shí)間最長(zhǎng)，技術(shù)也最為成熟。電火花打孔工藝最突出的特點(diǎn)是，其重熔層厚度僅有激光打孔重熔層厚度的一半，可控制在0.02mm以下，能夠滿足所有發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冶金質(zhì)量要求。對(duì)于某些位于葉身型面的氣膜冷卻孔，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)允許有少量重熔層存在，且均使用高速電火花打孔機(jī)床，重熔

7、層厚度一般控制在0.04mm以內(nèi)。近年來(lái)隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些公司開(kāi)始裝備多軸、多通道數(shù)控電火花專(zhuān)用打孔機(jī)，其加工效率與激光打孔工藝已有可比性，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件正越來(lái)越多地采用電火花打孔加工工藝，這已成為近年來(lái)的新趨勢(shì)。電火花打孔工藝主要適用于以下4個(gè)方面：對(duì)重熔層厚度有嚴(yán)格要求的零部件；非圓異形孔的加工；加工路線不開(kāi)敞、無(wú)法用激光方法加工的氣膜冷卻孔；材料用電化學(xué)打孔工藝無(wú)法加工的零部件。電火花打孔工藝在國(guó)內(nèi)很早就應(yīng)用于航空零件加工，國(guó)內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠都擁有大量各型電火花機(jī)床。在80年代中期，發(fā)動(dòng)機(jī)廠將電火花打孔工藝用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)向葉片氣

8、膜冷卻孔的加工，加工設(shè)備為國(guó)產(chǎn)精密電火花機(jī)，直徑0.