涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法技术

本发明专利技术提供一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法，装备包括监控系统、五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片的旋转及在X向、Y向的移动，通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片进行加工；激光旋切装置用于对涡轮叶片进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层和微热影响区，实现气膜冷却孔的高效高质量加工。本发明专利技术为全自动加工，提高了加工质量和加工效率，可实现涡轮叶片气膜冷却孔的高效高质量加工。孔的高效高质量加工。孔的高效高质量加工。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法


[0001]本专利技术涉及涡轮叶片气膜冷却孔制备
，具体而言，尤其涉及一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法。

技术介绍

[0002]推重比是衡量航空发动机工作性能的一个最重要的指标，为了提升发动机的推重比，最常用的方式是升高涡轮前燃气温度，故涡轮叶片工作时需要承受极高的温度。目前推重比10的发动机涡轮前燃气温度约为1900K，而推重比15～20的战机发动机涡轮前燃气温度可达2100～2300K，均已超过用于制作涡轮叶片的高温合金的熔点，因此需要用特定方式对涡轮叶片进行隔热与冷却。隔热方式通常采用热障涂层技术，即在叶片表面涂覆热导率低的陶瓷涂覆层进行隔热；冷却方式通常采用气膜冷却技术，即通过大量的气膜孔将内部通道的冷空气释放到叶片表面形成一层气膜以达到冷却目的。一台高性能航空发动机的涡轮叶片上共有上万个气膜冷却孔，孔径一般在0.25～1.25mm，加工数量多且加工难度大。气膜冷却孔加工技术是航空发动机制造的关键技术，如何快速高效地获得孔壁质量好，无重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷的气膜冷却孔一直是涡轮叶片制造的难题之一。
[0003]目前，涡轮叶片气膜孔常用的加工方法有脉冲激光加工、电火花加工和电液束加工。带热障涂层的涡轮叶片气膜孔的加工，需要先穿透表面的陶瓷热障涂层，再穿透叶片的高温合金基体。电火花加工成本低、效率高、工艺成熟，是目前加工涡轮叶片气膜孔的主流加工方法，但由于其加工机理是通过电极放电去除材料，而陶瓷属于非导电性材料，因此无法加工带陶瓷涂层的涡轮叶片；电液束加工孔壁质量高，不存在重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷，但加工效率极低，实践生产中并不常用。脉冲激光加工是最常用的加工带陶瓷热障涂层的涡轮叶片气膜孔的加工方法，但由于陶瓷本身的热膨胀系数较低且与高温合金的热膨胀系数相差较大，加工过程中的热应力会导致热障涂层及涂层与基体的中间连接面产生裂纹。同时，基体金属在高温下熔化形成液滴，会形成重铸层及附着残渣等缺陷。中国专利“复合脉冲激光打孔方法及装置”，专利公开号为CN201511021452.9提出：将短脉宽脉冲和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成高重频复合脉冲，并通过引导整形装置将高重频复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。上述方法及装置吸取了纳秒脉冲列加工小孔熔留层较薄，而微秒脉冲补偿了纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量的特性，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外，可以有效地降低气膜孔最大重铸层厚度，但仍然会有重铸层及热影响区存在，且加工效率较低。因此，急需开发一种能够快速高效地获得孔壁质量好，无重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷的气膜孔的加工装备及方法。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的现有航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的技术问题，而提供一种涡轮叶片气膜冷却孔超声
射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法。本专利技术主要利用激光
‑
超声
‑
射流三者协同加工，耦合作用，从而实现涡轮叶片气膜冷却孔的高效高质量加工，并能够加工异型孔。且本专利技术装备可解决气膜冷却孔加工效率低、加工质量差的技术难题。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，包括：监控系统以及由监控系统控制的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，超声冲击装置、激光旋切装置和监控系统均安装在五轴联动数控平台上，磨料射流装置安装在激光旋切装置上，涡轮叶片安装在五轴联动数控平台上，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片进行旋转以及进行X向和Y向的移动，使涡轮叶片置于加工位置；通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片进行加工；
[0007]所述激光旋切装置用于对涡轮叶片进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层和微热影响区，实现涡轮叶片曲面上气膜冷却孔的高效高质量加工。
[0008]进一步地，所述五轴联动数控平台具有沿X向、Y向和Z向平动以及沿A轴和C轴转动的五个自由度，可进行五轴联动在涡轮叶片曲面上加工异型气膜冷却孔。
[0009]进一步地，所述五轴联动数控平台包括底座、立柱、X向滑台、Y向滑台、Z向滑台、A轴旋转工作台和C轴旋转工作台，立柱和Y向滑台均安装在底座上，Z向滑台安装在立柱上，X向滑台连接在Y向滑台上，A轴旋转工作台安装在X向滑台上，C轴旋转工作台安装在A轴旋转工作台上，涡轮叶片通过专用夹具固定在C轴旋转工作台上，超声冲击装置和激光旋切装置均安装在Z向滑台上；C轴旋转工作台用于实现涡轮叶片沿C轴方向进行转动，A轴旋转工作台用于实现C轴旋转工作台带着涡轮叶片沿A轴方向进行转动，X向滑台用于实现A轴旋转工作台进行X向的平动，Y向滑台用于实现X向滑台进行Y向的平动；Z向滑台用于实现超声冲击装置和激光旋切装置进行Z向的平动。
[0010]进一步地，所述磨料射流装置中设置有磨料射流喷嘴，磨料射流装置由监控系统的工控机控制，在激光旋切装置对涡轮叶片进行激光旋切打孔的同时，通过压缩空气在喷嘴处产生负压，高压气体与微纳磨粒混合形成气
‑
固两相射流从喷嘴处喷出。
[0011]进一步地，所述超声冲击装置为非接触式超声冲击设备，所述非接触式超声冲击设备具有非接触式超声冲击头，超声冲击头旁轴放置，用于在旁轴对加工区域施加超声波；其中，在激光旋切装置对涡轮叶片进行激光旋切打孔的同时，超声冲击头利用超声波驱动磨料射流装置产生的微纳磨粒对激光加工区域进行磨抛，实现气膜冷却孔的高效高质量加工；
[0012]所述非接触式超声冲击设备的额定功率为1～1.2kW，工作频率为20～50kHz。
[0013]进一步地，所述激光旋切装置包括飞秒激光器、光路整形系统和旋光发生系统，飞秒激光器产生的激光束进入光路整形系统整形后，再经过旋光发生系统变为旋切激光，以作用于涡轮叶片上对其进行激光旋切打孔。
[0014]进一步地，所述旋光发生系统由高速旋转电机、偏转模块及横向位移模块组成，高速旋转电机带动偏转模块和横向位移模块同步高速转动，以控制整形后的激光束的轨迹，经一系列偏移后使旋光发生系统实现旋切。
[0015]进一步地，所述飞秒激光器的额定功率为50～80W，脉冲宽度为40～60fs。
[0016]进一步地，所述监控系统包括高速相机和工控机，工控机安装在五轴联动数控平台的立柱上，高速相机放置在激光旋切装置的旋光发生系统上，倾斜放置，拍摄加工区域，用于对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，并将图像监测结果传输至工控机，以进行反馈调节。
[0017]本专利技术还提供了一种使用涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备加工涡轮叶片气膜冷却孔的方法，包括如下步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，包括：监控系统以及由监控系统控制的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，超声冲击装置、激光旋切装置和监控系统均安装在五轴联动数控平台上，磨料射流装置安装在激光旋切装置上，涡轮叶片(11)安装在五轴联动数控平台上，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片(11)进行旋转以及进行X向和Y向的移动，使涡轮叶片(11)置于加工位置；通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片(11)进行加工；所述激光旋切装置用于对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层(19)和微热影响区，实现涡轮叶片(11)曲面上气膜冷却孔的高效高质量加工。2.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述五轴联动数控平台具有沿X向、Y向和Z向平动以及沿A轴和C轴转动的五个自由度，可进行五轴联动在涡轮叶片(11)曲面上加工异型气膜冷却孔。3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述五轴联动数控平台包括底座(1)、立柱(2)、X向滑台(15)、Y向滑台(16)、Z向滑台(4)、A轴旋转工作台(14)和C轴旋转工作台(13)，立柱(2)和Y向滑台(16)均安装在底座(1)上，Z向滑台(4)安装在立柱(2)上，X向滑台(15)连接在Y向滑台(16)上，A轴旋转工作台(14)安装在X向滑台(15)上，C轴旋转工作台(13)安装在A轴旋转工作台(14)上，涡轮叶片(11)通过夹具固定在C轴旋转工作台(13)上，超声冲击装置和激光旋切装置均安装在Z向滑台(4)上；C轴旋转工作台(13)用于实现涡轮叶片(11)沿C轴方向进行转动，A轴旋转工作台(14)用于实现C轴旋转工作台(13)带着涡轮叶片(11)沿A轴方向进行转动，X向滑台(15)用于实现A轴旋转工作台(14)进行X向的平动，Y向滑台(16)用于实现X向滑台(15)进行Y向的平动；Z向滑台(4)用于实现超声冲击装置和激光旋切装置进行Z向的平动。4.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述磨料射流装置中设置有磨料射流喷嘴(10)，磨料射流装置由监控系统的工控机(5)控制，在激光旋切装置对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔的同时，通过压缩空气在喷嘴处产生负压，高压气体与微纳磨粒混合形成气
‑
固两相射流从喷嘴处喷出。5.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述超声冲击装置为非接触式超声冲击设备，所述非接触式超声冲击设备具有非接触式超声冲击头(3)，超声冲击头(3)旁轴放置，用于在旁轴对加工区域施加超声波(22)；其中，在激光旋切装置对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔的同时，超声冲击头(3)利用超...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，朱嘉旭，顾秦铭，孟凡宁，张富旭，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：