CN103008892B - 一种激光加工异型孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用飞秒激光在金属上加工异型孔的方法，保证圆孔与异型孔的加工位于同一工位上，与高精度控制系统配套保证了异型孔孔中圆孔的位置精度。利用微动二维平台的一个摆动轴与五轴平台的一个直线轴进行运动复合，再加上激光器快门的实时控制，由点成线，线成面，面成体的基本规则，可以精确地控制激光束刀具加工各种各样的异型形状。

Description

一种激光加工异型孔的方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光加工异型孔的方法。

背景技术

目前叶片气膜孔加工主要是采用机械加工、电火花方法、传统的纳秒激光及电液束流等方式进行加工，电液束流加工效率最低，孔的轮廓形状最不可控、加工粗糙度很差、不能加工异型孔，未能成为目前航空精密加工的主流加工方式。

1.机械加工：具有强冲击力和热效应，在加工小于200微米的微孔或者微槽的难度很大、而且产品合格率也很低。

2.电火花加工：这种加工方式具有难以克服的缺点：加工尺寸精度不可控，加工锥度不可控，这对于要求一致性良好的倒锥形的喷油孔，是难以克服的瓶颈问题；表面粗糙度低，毛刺多；加工效率不高；只能加工导体；热效应明显。传统的电火花加工由于要求加工工件必须具有导电性，所以对具有热障涂层的叶片无能为力。

3.长脉冲激光加工：其效率和尺寸控制精度都有极大地改善，但是加工表面粗糙度很低且有很大的热影响区，并出现如溅落物、微裂纹等许多缺陷，因此必然会对加工区域附近的材料性能产生负面影响，大大影响工件的使用寿命和冷却效果。因此，其应用领域只能集中在精细度要求不高的激光切割和激光焊接等领域，对于需要超精细加工的领域却无能为力。

根据目前的加工方式，提高发动机性能最急需解决的关键问题就是重铸层和再结晶加工过程热影响的问题，只有在此基础上提高孔尺寸的一致性问题才能进一步提高发动机的热效率。

飞秒激光冷加工技术是超精细冷加工制造工艺的典型代表，也是先进制造技术的新兴方向，该技术的开发和应用克服了传统激光、电火花加工和电液束流加工的缺点，突破了传统加工存在热效应、材料选择性以及精度低的技术瓶颈，在航空领域将极大的提高发动机的寿命和无故障运行时间、提高航空发动机的推重比且应用于燃烧室可以实现飞机的节能减排。

发明内容

针对目前新一代航空发动机异型气膜孔加工的存在精度低、加工效率低、有重铸层、有微裂纹、有再结晶等工艺瓶颈，本发明研究一种采用超快激光作为“特殊刀具”实现高效超精细异型孔冷加工的工艺手段和方法。针对上述问题，本发明提出了一种利用飞秒激光在金属上加工异型孔的方法，保证圆孔与异型孔的加工位于同一工位上，与高精度控制系统配套保证了异型孔孔中圆孔的位置精度。利用微动二维平台的一个摆动轴与五轴平台的一个直线轴进行运动复合，再加上激光器快门的实时控制，可以精确地控制激光束刀具加工各种各样的异型形状。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。具体如下：

1)驱动激光以直线方式扫描被加工工件表面，同时驱动工件沿着与所述直线垂直的方向前进；

2)随着工件的前进，根据预先设定，改变所述直线方式扫描的线段长度，形成不规则的切割面；

3)工件复位，重复步骤1)和2）；

4)多次重复所述步骤3)，直至工件表面的加工厚度达到预设值，形成不规则孔。

进一步地，所述步骤2)中，通过改变激光扫描时的振幅或激光开关快门时间来改变扫描的线段长度。

进一步地，通过PZT致动反射镜的方式来驱动激光振荡扫描。

本发明的有益效果是：

攻克传统加工存在热效应、材料选择性以及精度低的技术瓶颈，在航空领域将极大的提高发动机的寿命和无故障运行时间、提高航空发动机的推重比且应用于燃烧室可以实现飞机的节能减排。

附图说明

图1是异型孔加工实验装置原理图。

图2是变振幅复合加工运动原理图。

图3是单层异型面的控制流程图。

图4是异型孔的控制流程图.

图5是光束快门变振幅复合加工运动原理图。

图6所示为单层异型面通过光束快门时序控制方法控制流程图。

图7为异型孔激光加工的整体控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，实现本发明的加工异型孔方法激光加工设备主要由二维摆动光学微动平台1（如PZT致动微动平台）、45°平面反射镜2、平行平板玻璃3、聚焦镜4、以及被加工工件5组成。其中，二维摆动光学微动平台可以实现绕平面反射镜中心的一维、二维摆动，可以实现绕平面反射镜法线的二维摆动，从而对入射进来的激光光束实现螺旋运动、圆运动、直线运动。平行平板玻璃可以绕其中心轴做高速回转运动；聚焦镜对入射进来的平行光束进行能量汇聚，传导到被加工材料并被吸收，转化为温度场，从而熔化、气化材料，经过排屑，便形成了簸箕孔的加工。

航空叶片簸箕孔主要是由异型孔、圆孔组成。由点成线，线成面，面成体的基本规则，异型孔和圆柱孔加工问题的解决是簸箕孔加工的前提。如图1所示，二维摆动光学微动平台1作绕45°平面反射镜2法线的二维摆动，将形成一圆环轨迹，此时平行平板玻璃绕其自身轴线的旋转运动作为圆环轨迹运动的跟随运动，可以加工出深径达20：1、无锥度的微小孔。当二维扫描平台做一维扫描运动时，通过上图中的光学系统，将在被加工工件中生成一条长度可控的线段，这样便可以加工出形状同样可控制的异型面。通过改变焦点的位置，一层层以扫削的方式可以加工圆柱孔、异型腔，最终完成簸箕孔的激光加工。

加工时，工件放置于一五轴运动平台上，五轴运动平台分别有三个直线轴（X、Y、Z），及两个旋转轴（A、C），可以实现被加工工件的五自由度运动；另外二维摆动光学微动平台具有两自由度，分别是与平台直线X轴、Y轴平行的两个轴，其坐标通过垂直映射与工件坐系原点重合。

本发明异型孔的形成方法有两个具体实施例：

实施例一：

二维摆动光学微动平台变振幅复合加工方法

图2所示，激光扫描的路线轨迹是由二维摆动光学微动平台1的A轴与五轴平台X轴的复合运动轨迹，微动二维平台-A轴与五轴平台Y轴平行，点O为工件坐标系原点。

二维摆动光学微动平台1的A轴作直线扫削运动，五轴平台的X轴向前推进工件前进。为了在工件表面加工出不规则的削面，二维摆动光学微动平台1沿A轴的扫描距离，即其振幅随时间变化。例如，图2所示分别为：A1A11、A2A21、……、AnAn1，随着五轴平台的X轴向前推进工件，在工件表面形成了一层梯形的削面。根据不同的需求，改变所属扫描的振幅，即可加工出不同形状的削面。

按照上述切削过程，对工件进行层层扫描，通过多层的叠加，即可加工出不规则的异型孔。

图3是单层异型面的控制流程图，图4是异型孔的控制流程图。图4中，J值表示异型孔需要加工的层数，由给定深度及每层加工量确定；X轴的进给值取决于扫削直线的宽度；加工过程中统一控制程序过程中的初始、终止位置。

实施例二：

光束快门变振幅复合加工方法

如图5所示，线段AnA1和An1A11是异型面的两条轮廓线，与线段AnAn1、A1A11构成异型面。两条斜线由光束快门控制时序确定，也就是说，X轴对应在点X1位置时，光束快门在点A1处打开，在点A11处关闭，对应在点X2位置时，光束快门在点A2处打开，在点A21处关闭，依此类推。在此过程中，微动二维平台-A轴做匀速等振幅摆动。

如图6所示为单层异型面通过光束快门时序控制方法控制流程图；图7为异型孔激光加工的整体控制流程图。焦点进给量、X轴进给量取决于激光加工工艺参数。

从原理上来看，光束快门变振幅复合加工方法更简单适用一些，并且可以避免微动二维平台-A轴的非匀速运动引起工艺质量问题。

Claims (1)

1.一种激光加工异型孔的方法，其特征在于，包括二维摆动光学微动平台(1)、45°平面反射镜(2)、平行平板玻璃(3)、聚焦镜(4)、以及被加工工件(5)构成的激光加工设备；

方法包括如下步骤：

1)二维摆动光学微动平台(1)作绕45°平面反射镜(2)法线的二维摆动，将形成一圆环轨迹，此时平行平板玻璃绕其自身轴线的旋转运动作为圆环轨迹运动的跟随运动，可以加工出深径达20：1、无锥度的微小孔；

2)驱动激光以直线方式扫描被加工工件表面，同时驱动工件沿着与所述直线垂直的方向前进；

3)随着工件的前进，根据预先设定长度，改变所述直线方式扫描的线段长度，形成不规则的切割面；

4)工件复位，重复步骤2)和3)；

5)多次重复所述步骤4)，直至工件表面的加工厚度达到预设值，形成不规则孔；

所述步骤3)中，通过改变激光扫描时的振幅或激光开关快门时间来改变扫描的线段长度；

所述激光开关快门时间来改变扫描的线段长度，具体为：

线段AnA1和An1A11是异型面的两条轮廓线，与线段AnAn1、A1A11构成异型面；两条线由光束快门控制时序确定，X轴对应在点X1位置时，光束快门在点A1处打开，在点A11处关闭；对应在点X2位置时，光束快门在点A2处打开，在点A21处关闭，微动二维平台-A轴做匀速等振幅摆动。