本發(fā)明涉及金屬材料試件加工制造，尤其是單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件氣膜孔的加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，渦輪前溫度越來越高，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片服役條件惡劣(高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、燃?xì)飧g等)，葉片材料承受著交變的機(jī)械載荷與熱載荷。為了使渦輪葉片能夠承受住高溫，當(dāng)前多采用帶氣膜孔的空心氣冷葉片。這種葉片冷卻效果顯著，但是由于氣膜孔的存在破壞了葉片結(jié)構(gòu)的完整性，使得葉片在氣膜孔附近產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響渦輪葉片的強(qiáng)度與壽命。因此十分有必要開展帶氣膜孔的葉片材料在復(fù)雜工況下的疲勞試驗(yàn)，研究氣膜孔對(duì)葉片材料性能的影響，研究成果可支撐先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與疲勞壽命預(yù)測(cè)。

由于單晶材料具有明顯的各向異性，不同取向的力學(xué)性能有明顯的差異，因此研究氣膜孔對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件性能的影響需要考慮到氣膜孔取向的影響，在加工氣膜孔的過程中不能隨意打孔，應(yīng)該過圓心對(duì)試件沿特定的取向打孔，即保證打孔點(diǎn)與圓棒試件圓心連線的方向是特定方向。

用于疲勞試驗(yàn)的單晶試件通常加工成圓棒狀或板狀。對(duì)于板狀試件，確定打孔點(diǎn)并測(cè)出打孔方向后，過打孔點(diǎn)沿著打孔方向打孔即可。這也是傳統(tǒng)的打孔方案。但是對(duì)于圓棒狀試件來說，由于圓棒試件的打孔方向要求是徑向，即打孔方向過圓心，如果仍采用傳統(tǒng)的打孔方案，確定打孔點(diǎn)并測(cè)出打孔方向后，該方向并不一定是過圓心的，因此傳統(tǒng)的打孔方案不適用于圓棒試件。一種解決辦法是找到圓心位置，在圓心處測(cè)出打孔取向，這樣打孔取向通過圓心并與試件外表面交于一點(diǎn)，過該點(diǎn)按打孔取向打孔，就能得到過圓心的特定取向的氣膜孔。但是空心圓棒試件圓心處并沒有材料，無法測(cè)出取向，因此這種方法對(duì)于空心的圓棒試件是不適用的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件特定取向徑向氣膜孔的獲取方法，實(shí)現(xiàn)過圓心對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件沿特定的取向打孔，以便研究氣膜孔對(duì)葉片材料性能的影響，支撐先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)與疲勞壽命預(yù)測(cè)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件特定取向徑向氣膜孔的獲取方法，能夠?qū)崿F(xiàn)過圓心對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件沿特定取向打孔，以便研究晶體取向氣膜孔對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件性能的影響，具體過程主要分為三步：

(1)在單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件任取一點(diǎn)作為基點(diǎn)，測(cè)定基點(diǎn)與圓心的徑向取向以及過基點(diǎn)的打孔取向，記錄兩者之間的夾角α，基點(diǎn)繞圓心旋轉(zhuǎn)角度α即可確定打孔點(diǎn)；當(dāng)打孔點(diǎn)不唯一時(shí)，在確定打孔點(diǎn)時(shí)可以測(cè)定基點(diǎn)與圓心的徑向取向以及多個(gè)過基點(diǎn)的打孔取向，記錄過基點(diǎn)的徑向取向及每個(gè)過基點(diǎn)的打孔取向之間的夾角α_i，基點(diǎn)繞圓心旋轉(zhuǎn)角度α_i即可同時(shí)確定多個(gè)打孔點(diǎn)。

(2)將單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件放置于夾具底座的槽中，基點(diǎn)豎直向上，參考夾具底座上刻好的量角器旋轉(zhuǎn)角度α，使打孔點(diǎn)豎直向上，然后用壓塊將單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件固定，限制其運(yùn)動(dòng)。工裝夾具由底座和壓塊兩部分組成。壓塊底座中心有半圓形槽，用于放置試件；一側(cè)端面用激光刻有量角器，用于確定旋轉(zhuǎn)角度。壓塊中部帶有圓弧形(小于半圓)槽，用于與底座的半圓形槽配合壓緊試件，壓塊與底座之間采用螺栓連接，擰緊螺栓壓塊壓緊在試件上。由于壓塊的圓弧形槽小于半圓，因此壓緊后壓塊兩側(cè)不會(huì)同時(shí)與底座接觸，這樣能夠保證壓塊壓緊在試件上而不會(huì)僅僅壓在底座上。

(3)采用制孔工藝(電液束、激光或電火花等)沿打孔點(diǎn)位置過圓心對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件沿設(shè)定取向打孔,即可得到特定取向的徑向氣膜孔。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)過圓心對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件沿特定取向打孔，以便研究不同取向的氣膜孔對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件性能的影響，從而得到適合加工氣膜孔的最優(yōu)取向，指導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片設(shè)計(jì)。

(2)本發(fā)明中確定打孔點(diǎn)的方法簡(jiǎn)單可靠，可同時(shí)確定多個(gè)打孔點(diǎn)，對(duì)空心單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件和實(shí)心單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件均適用。

(3)本發(fā)明中的工裝夾具容易加工、成本低，滿足單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件的穩(wěn)定夾持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便調(diào)節(jié)試件的旋轉(zhuǎn)角度。

附圖說明

圖1為單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件特定取向氣膜孔的獲取原理與方法，其中(a)為確定打孔點(diǎn)的原理；(b)為夾具固定單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件的示意圖；

圖2為未打孔的單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件示意圖；

圖3為打孔點(diǎn)的確定原理的示意圖；

圖4為本發(fā)明夾具的底座示意圖，其中(a)為外觀圖；(b)為俯視圖；(c)為正視圖；(d)為左視圖；(e)為后視圖；

圖5為本發(fā)明夾具的壓塊示意圖，其中(a)為外觀圖；(b)為正視圖；(c)為左視圖；(d)為俯視圖；

圖6為本發(fā)明中夾具與試件的裝配圖，其中(a)為外觀圖；(b)為后視圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明主要針對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件特定取向氣膜孔的獲取進(jìn)行了設(shè)計(jì)。單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件特定取向的氣膜孔的獲取原理與方法如圖1所示，核心工作是有兩個(gè)：一是在單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件(如圖2所示)的中心截面確定打孔點(diǎn)，二是加工特定的工裝實(shí)現(xiàn)試件的固定。

打孔點(diǎn)的確定方法如圖3所示，首先在單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件任取一點(diǎn)作為基點(diǎn)A，測(cè)定基點(diǎn)A與圓心O的徑向取向AO以及過基點(diǎn)A的打孔取向AA’，記錄AO與AA’之間的夾角α，根據(jù)基本幾何知識(shí)，α與α’為一對(duì)內(nèi)錯(cuò)角，所以兩者相等，因此過圓心O的打孔取向BO可由基點(diǎn)A繞圓心旋轉(zhuǎn)角度α確定，B點(diǎn)即為打孔點(diǎn)。

工裝夾具由底座(如圖4所示)和壓塊(如圖5所示)兩部分組成。壓塊底座中心有半圓形槽，用于放置試件；一側(cè)端面用激光刻有量角器，用于確定旋轉(zhuǎn)角度。壓塊中部帶有圓弧形(小于半圓)槽，用于與底座的半圓形槽配合壓緊試件，壓塊與底座之間采用螺栓連接，擰緊螺栓壓塊壓緊在試件上。由于壓塊的圓弧形槽小于半圓，因此壓緊后壓塊兩側(cè)不會(huì)同時(shí)與底座接觸，這樣能夠保證壓塊壓緊在試件上而不會(huì)僅僅壓在底座上，裝配效果如圖6所示。

具體過程主要分為三步：

(1)在單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件中心截面處任取一點(diǎn)作為基點(diǎn)A，測(cè)定基點(diǎn)A與圓心O的徑向取向AO以及過基點(diǎn)A的打孔取向AA’，得到AO與AA’之間的夾角α。當(dāng)打孔點(diǎn)不唯一時(shí)(例如2-6時(shí))，在確定打孔點(diǎn)時(shí)可以測(cè)定基點(diǎn)與圓心的徑向取向以及多個(gè)過基點(diǎn)的打孔取向，記錄過基點(diǎn)的徑向取向及每個(gè)過基點(diǎn)的打孔取向之間的夾角α_i，基點(diǎn)繞圓心旋轉(zhuǎn)角度α_i即可同時(shí)確定多個(gè)打孔點(diǎn)。

(2)將單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件放置于夾具底座的槽中，基點(diǎn)A豎直向上，參考夾具底座上刻好的量角器旋轉(zhuǎn)角度α，使打孔點(diǎn)B豎直向上，然后用壓塊將單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件固定，限制其運(yùn)動(dòng)。

(3)采用制孔工藝(電液束、激光或電火花等)沿B點(diǎn)向圓心O打孔即可得到特定取向的徑向氣膜孔。

從上述實(shí)施過程可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)過圓心對(duì)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件沿特定取向打孔，本發(fā)明中確定打孔點(diǎn)的方法簡(jiǎn)單可靠，可同時(shí)確定多個(gè)打孔點(diǎn)，對(duì)空心單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件和實(shí)心單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件均適用。工裝夾具容易加工、成本低，滿足單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件的穩(wěn)定夾持，并且借助端面上激光刻的量角器可以非常方便調(diào)節(jié)單晶標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件的旋轉(zhuǎn)角度。