一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法与流程

本申请涉及涡轮叶片加工，具体为一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法。

背景技术：

1、涡轮叶片是航空发动机、燃气轮机的核心高温承载部件，长期处于高温、高压、高速气流冲击的极端工况下工作，叶片的冷却性能直接决定整机的运行效率与使用寿命，为提升叶片散热效果、强化气流扰流冷却能力，现有高端涡轮叶片普遍采用竹节型冷却孔结构，该结构下段为光滑直孔，保障气流通畅流通，上段为直孔复合竹节凹凸结构，可扰动冷却气流，增大换热面积，大幅提升冷却效率。

2、目前竹节孔主流加工方式为整体一次电火花成型工艺，即采用成型电极直接一次性加工出全程竹节孔结构，但该工艺在实际生产中存在诸多缺陷：其一，叶片叶根至中段区域无需竹节结构，整体成型会导致下段直孔出现不规则凹凸，破坏孔壁光滑度，增大气流阻力；其二，一次成型加工余量不均，会造成上段竹节轮廓失真、节距不均、孔径偏移等问题，加工精度难以达标；其三，整体放电加工时长较长，叶片高温合金材质会出现孔壁烧伤、微裂纹等缺陷，产品良品率低；其四，无法实现分段差异化精度控制，下段流通直孔与上段扰流竹节孔的工艺需求无法兼顾，难以满足高端涡轮叶片的精密装配与高效冷却要求。

3、现有技术中尚无针对涡轮叶片分段式竹节孔的专项加工工艺，缺乏先精加工下段纯直孔、上段预留余量再成型竹节结构的分段加工方案，导致竹节孔加工质量稳定性差、工艺适配性低，无法实现批量高精度生产，因此，研发一种分段式、差异化的涡轮叶片竹节孔精密加工方法，是解决当前技术痛点的关键。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本申请提供了一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，解决了现有整体成型工艺存在的下段直孔不光滑、上段竹节精度差、孔壁缺陷多、同轴度低的问题。

2、为实现以上目的，本申请通过以下技术方案予以实现：

3、本申请提供一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，包括以下步骤：

4、对涡轮叶片待加工孔位进行清洗及烘干，随后校准叶片装夹基准并采用专用夹具完成装夹，保证叶根与叶身加工基准统一；

5、对涡轮叶片叶根至叶身中间部位进行贯通直孔加工；

6、延续上述步骤的加工基准，对叶身上段待加工区域进行直孔打底加工，预留径向加工余量；

7、将专用成型电极装夹至电火花成型设备，校准电极与叶片孔位同轴度，以工作液对叶身上段预留径向加工余量的直孔区域进行二次精加工成型；

8、加工完成后对孔内进行清渣处理，并对孔壁进行抛光处理。

9、进一步的，所述对涡轮叶片待加工孔位进行清洗及烘干，随后校准叶片装夹基准并采用专用夹具完成装夹的步骤包括：将所述涡轮叶片待加工孔位采用无水乙醇进行超声清洗，烘干后校准叶片装夹基准，采用叶片专用夹具完成刚性装夹，定位绝对误差控制在0至0.02mm内，所述涡轮叶片为镍基高温合金材质。

10、进一步的，所述对涡轮叶片叶根至叶身中间部位进行贯通直孔加工的步骤包括：采用电火花直孔机进行一次加工成型且无余量，设定放电电流为8至12a，脉冲宽度为20至30μs，加工进给速度为0.8至1.2mm/min。

11、进一步的，所述对叶身上段待加工区域进行直孔打底加工，预留径向加工余量的步骤包括：保持装夹状态并延续电火花直孔机加工基准，相较于最终成型目标孔径，均匀预留单边0.2至0.4mm作为径向加工余量。

12、进一步的，所述专用成型电极为高纯紫铜材质，所述专用成型电极的外表面具有连续的竹节凹凸轮廓，所述竹节凹凸轮廓的节距为3.1至3.5mm，单边凹凸深度为0.2至0.4mm。

13、进一步的，所述专用成型电极的制备步骤包括：将高纯紫铜棒材固定于多轴数控铣床的主轴卡盘上，按照目标竹节节距与单边凹凸深度生成精加工刀具轨迹，采用微型球头铣刀进行逐层微量切削，设定主轴转速为30000至40000r/min，进给速度为30至50mm/min，加工出具有连续竹节凹凸轮廓的电极初品；将所述电极初品置于抛光设备中进行抛光处理，使电极表面粗糙度达到0.05至0.1μm。

14、进一步的，将所述专用成型电极装夹至电火花成型设备，校准电极与叶片孔位同轴度，以工作液对叶身上段预留径向加工余量的直孔区域进行二次精加工成型的步骤包括：将所述专用成型电极装夹至电火花成型设备并校准同轴度，以异构十二烷为所述工作液，对叶身上段预留0.2至0.4mm径向加工余量的直孔区域采用多次分层腐蚀加工进行二次精加工成型，设定放电电流为5至8a，脉冲宽度为10至20μs，单次腐蚀深度为0.05至0.1mm。

15、进一步的，所述加工完成后对孔内进行清渣处理，并对孔壁进行抛光处理的步骤包括：采用高压气流对所述孔内进行清渣处理，并采用碳化硅微粉压制固化的细粒度磨棒进行所述孔壁抛光处理，完成成品加工。

16、本申请还提供一种用于上述涡轮叶片分段式竹节孔电火花精密加工方法的专用成型电极，所述专用成型电极由高纯紫铜材料制成，其外表面具有连续的竹节凹凸轮廓，所述竹节凹凸轮廓的节距为3.1至3.5mm，单边凹凸深度为0.2至0.4mm。

17、进一步的，所述专用成型电极的表面粗糙度为0.05至0.1μm；所述竹节凹凸轮廓的节距绝对误差控制在0.005至0.01mm内，单边凹凸深度绝对误差控制在0.005至0.01mm内。

18、本申请提供了一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法。具备以下有益效果：

19、1、本申请通过分段加工工艺，在叶根至叶身中间部位仅加工贯通直孔，在叶身上段预留加工余量并使用专用电极二次加工出竹节凹凸轮廓，这种结构避免常规全段竹节孔带来的极大沿程流体阻力，降低孔内气流的整体压降，同时保留叶身上段结构产生局部湍流以强化换热的能力，从而提升涡轮叶片冷却孔的气动流量系数。

20、2、本申请在叶身上段的二次精加工成型步骤中，采用低放电电流和窄脉宽参数进行多次分层微量腐蚀，并配合异构十二烷工作液，上述工艺参数严格控制电火花加工过程中的单次放电能量，减小孔壁的热影响区厚度，降低重铸层及微裂纹等表面缺陷的产生概率，保证叶片加工区域的结构强度与表面完整性。

21、3、本申请的专用成型电极预先经过高转速微细铣削与抛光处理，并在叶片孔位加工完成后配合高压气流清渣与碳化硅磨棒抛光，相关步骤与工具的配合保证上段竹节轮廓节距与深度的尺寸精度，彻底去除放电加工过程残留的金属废渣与孔壁毛刺，降低孔内表面的粗糙度，进一步改善冷却孔内部的气动流场特性。

1.一种涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述对涡轮叶片待加工孔位进行清洗及烘干，随后校准叶片装夹基准并采用专用夹具完成装夹的步骤包括：

3.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述对涡轮叶片叶根至叶身中间部位进行贯通直孔加工的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述对叶身上段待加工区域进行直孔打底加工，预留径向加工余量的步骤包括：

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述专用成型电极为高纯紫铜材质，所述专用成型电极的外表面具有连续的竹节凹凸轮廓，所述竹节凹凸轮廓的节距为3.1至3.5mm，单边凹凸深度为0.2至0.4mm。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述专用成型电极的制备步骤包括：

7.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，将所述专用成型电极装夹至电火花成型设备，校准电极与叶片孔位同轴度，以工作液对叶身上段预留径向加工余量的直孔区域进行二次精加工成型的步骤包括：

8.根据权利要求1所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述加工完成后对孔内进行清渣处理，并对孔壁进行抛光处理的步骤包括：

9.根据权利要求7所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述专用成型电极的外表面具有连续的竹节凹凸轮廓，所述竹节凹凸轮廓的节距为3.1至3.5mm，单边凹凸深度为0.2至0.4mm。

10.根据权利要求9所述的涡轮叶片分段式竹节孔结构加工方法，其特征在于，所述专用成型电极的表面粗糙度为0.05至0.1μm；所述竹节凹凸轮廓的节距绝对误差控制在0.005至0.01mm内，单边凹凸深度绝对误差控制在0.005至0.01mm内。