CN105458530A - 一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法，包括飞秒激光器系统、光学导光系统、机械加工平台系统和控制系统，所述飞秒激光器系统的光路出口与光学导光系统的光路入口相对，光学导光系统的光路出口与机械加工平台系统的工作区域相对；所述机械加工平台系统与控制系统相连，控制系统调节机械加工平台系统的运动方向和运动速度。本发明通过飞秒激光加工系统能快速、高质量的完成航空发动机叶片气膜孔的加工，解决了目前航空发动机叶片加工过程中普遍存在的有重熔层、微裂纹、需后续加工、加工效率低、不能加工非导电材料等问题，为未来高质量的航空发动机叶片气膜孔的加工制造提供了一套很好的解决方案。

Description

一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法

技术领域

本发明属于激光微孔加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜冷却孔的装置及方法。

背景技术

现代先进的航空发动机普遍采用小孔气膜冷却式涡轮叶片，以增加涡轮前温度，从而提高发动机的推重比。航空发动机性能的好坏很大程度上取决于叶片上气膜冷却孔的形状和质量，气膜冷却孔因其对发动机的冷却有较明显的效果，故一直受到航空装备业的广泛关注。然而由于气膜孔的加工技术难度高，一直是航空装备制造业亟需解决的难题。

气膜冷却孔的直径通常为0.1mm～0.8mm，其空间分布复杂，且定位精度要求高，角度多为15°～90°的斜孔，孔的形状多为圆锥形或簸箕形等，这些要求大大增加了其制造的难度，决定了传统的机械加工方法已经很难满足大批量微小气膜孔的加工需求。目前航空发动机涡轮叶片气膜孔的加工一般采用电火花、电液束流、长脉冲激光加工等方式。电火花加工是利用导电零件材料和工具电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象将多余材料去除的方法。电火花加工主要缺点是电极损耗大，但制作和修复较困难，生产效率低，且只能加工导体，同时也会产生微裂纹和重熔层。尽管针对重熔层的问题，研究人员对此开展了很多研究，如使用高速电火花穿孔加工技术、优化电火花加工参数、使用新材料电极等，以减小重熔层厚度，但这并不能从根本上解决重熔层问题。电液束加工包括电射流加工、毛细管电解加工和喷射液束电解加工三种不同的加工方式。电液束加工气膜孔不会产生重熔层、微裂纹和热影响区，但电液束的加工效率极低，轮廓形状最不可控，尺寸精度重复性差，且只能加工一定尺寸范围的圆孔，很难加工异形孔及多角度斜孔，不能满足批量生产需求。长脉冲激光加工航空发动机叶片气膜孔的孔壁一般存在数十微米厚的重熔层，而且重熔层内通常也存在微裂纹，有的甚至进入基体。这些缺陷的存在直接影响了叶片的疲劳寿命，更严重的会导致叶片在工作中疲劳断裂，其后果不堪设想(张晓兵.激光加工涡轮叶片气膜孔的现状及发展趋势.应用激光.2002)。

随着激光技术的快速发展，高功率、高光束质量的超短脉冲出现，飞秒(10^-15秒)激光冷加工技术备受关注，在加工微孔、微槽和切割方面的质量远远优于其他加工方式。飞秒激光加工和传统长脉冲激光加工的机理不同，飞秒激光加工基本不产生热影响区，飞秒激光加工中激光脉冲同材料的作用时间极短，能够以极快的速度将全部能量注入到很小的作用区域，避免了激光能量的转移和扩散，能克服等离子体屏蔽，具有稳定的加工阈值，加工时的热量来不及传播，可视作无热影响区，无材料损伤。在整个加工过程中，材料的去除方式以蒸发和汽化的形式进行，无熔融相，因此没有重熔层的形成。飞秒激光超精细冷加工是对传统加工方式的革新，也是当今装备制造业的主要方式之一。同时随着材料科学的快速发展，未来航空发动机叶片必然会被陶瓷复合材料、碳硅复合材料等性能优良的新型材料所取代，而当前采用最多的电火花加工方式无法加工非导电材料。因此，飞秒激光加工是航空发动机涡轮叶片气膜孔加工的一种重要的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置及方法，具有加工效率高、无重熔层、对材料无选择性等优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，包括飞秒激光器系统、光学导光系统、机械加工平台系统和控制系统，所述飞秒激光器系统的光路出口与光学导光系统的光路入口相对，光学导光系统的光路出口与机械加工平台系统的工作区域相对，所述飞秒激光器系统输出的激光光束由光学导光系统进行处理，光学导光系统引导激光光束至机械加工平台系统工作区域的工件表面，光学导光系统对飞秒激光器系统输出的激光光束进行整形、均匀、扩束、准直和聚焦，保证加工工件表面获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度；所述机械加工平台系统与控制系统相连，控制系统调节机械加工平台系统的运动方向和运动速度。

所述飞秒激光器系统包括飞秒激光器，所述飞秒激光器由电源装置提供电源，所述飞秒激光器与冷却装置通过两根软管相连，冷却装置对使用中的飞秒激光器进行冷却；所述飞秒激光器与控制系统连接。

所述光学导光系统包括反射镜、波长转换器、光阑、光电快门系统、扩束镜、二向分色镜、扫描振镜；所述飞秒激光器系统输出的激光光束光路依次是反射镜、波长转换器、光阑、光电快门系统、扩束镜、二向分色镜的一面、扫描振镜、工件表面；在二向分色镜的另一面设有显微成像单元，显微成像单元与控制系统连接。

所述反射镜与激光光束光路的夹角为45°，更方便设置各部分部件的位置，同时更利于激光光束的传播。

所述光阑的通光孔径在1.2mm-12mm，过滤掉光束中不圆的部分，获得较好的圆形光斑，从而使光束聚焦后的光斑在径向的均匀分布，保证了聚焦光斑质量。利用可调通光孔径的光阑，可以在不同情况下选择合适的光阑通光孔径，来获得需要的光斑。

所述光电快门系统包括快门控制器和激光快门，所述快门控制器对激光快门进行控制，所述快门控制器与控制系统通信，控制系统控制快门控制器的通断时间，同时由控制系统对激光快门和机械加工平台系统进行协调控制，保证加工完成的结构完整。

所述扩束镜包括输入负透镜和输出正透镜，输入负透镜将一个虚焦点光束传送给输出正透镜，实现激光的扩束功能，从而压缩光束发散角，利于获得更小的聚焦光斑。

所述二向分色镜与激光光束光路的夹角为45°。

所述扫描振镜包括场镜和二维片转扫描反射镜，所述扫描振镜与控制系统连接，使激光光束经过由X轴反射镜后反射至Y轴反射镜，在控制系统控制下完成指定二维图形扫描。

所述显微成像单元包括CCD和镜头，对焦点基准位置进行微细调整，还可以对加工过程进行实时检测与观察。

所述机械加工平台系统包括五轴联动工作平台，所述五轴联动工作平台上设有夹具，五轴联动加工平台具有较高的精度参数，保证了加工过程中聚焦定位的高重复性，及微孔加工尺寸的高可靠性。

所述五轴联动工作平台的一侧设有吹气装置，吹气装置对五轴联动工作平台工件表面吹压缩氮气，将工件表面的去除材料及时吹除，保证加工工件的整洁，五轴联动工作平台处设置照明装置对五轴联动工作平台工作区域提供照明。

一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的的方法，包括以下步骤：

步骤1：确定叶片上气膜孔的形状和气膜孔之间的相对位置；

步骤2：将叶片置于机械加工平台系统的加工区域，并固定叶片的位置；

步骤3:调节激光光斑与叶片的相对位置,并保证初始激光焦点位置在叶片上表面；

步骤4：根据预加工轨迹确定机械加工平台系统的加工动作过程；

步骤5：由控制系统调节光学导光系统的加工参数，保证光学导光系统与机械加工平台系统同步运作；

步骤6：启动加工过程，光学导光系统将激光光束引导至机械加工平台系统加工区域的叶片表面，机械加工平台系统带动叶片动作，激光光束与叶片相对运动实现叶片上全部气膜孔的加工。

所述加工参数为扫描速度、激光功率百分比和重复频率等。

本发明的有益效果为：

本发明通过飞秒激光加工系统能快速、高质量的完成航空发动机叶片气膜孔的加工，解决了目前航空发动机叶片加工过程中普遍存在的有重熔层、微裂纹、需后续加工、加工效率低、不能加工非导电材料等问题，为未来高质量的航空发动机叶片气膜孔的加工制造提供了一套很好的解决方案。

附图说明

图1为本发明飞秒激光加工航空发动机气膜孔装置的示意图；

图中，1为飞秒激光器，2为反射镜，3为BBO倍频晶体，4为光阑，5为激光快门，6为扩束镜，7为二向分色镜，8为显微成像单元，9为扫描振镜，10为吹气装置，11为五轴联动加工平台，12为计算机控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，包括飞秒激光器系统、光学导光系统、机械加工平台系统、计算机控制系统、辅助加工系统五大部分。本发明是采用扫描振镜(负责气膜孔的形状)与五轴联动加工平台(负责气膜孔的位置)配合实现复杂曲面异形孔的加工，本发明方法的效率、精度更高。

飞秒激光器系统包括飞秒激光器1、电源装置、冷却装置等。其中飞秒激光器1是其中的核心部件，其作用是将电能转变成光能并发出所需要的激光光束用于加工。本发明所采用的钛宝石飞秒激光器可稳定输出中心波长800nm，重复频率1kHz，脉宽210fs，光束质量因子M²≤1.3、最大单脉冲能量2.5mJ的飞秒激光光束，稳定输出功率450mW。整个飞秒激光加工系统位于一间独立的超净室中确保处于无尘、恒温、恒湿度的环境中。

光学导光系统包括反射镜2、波长转换器(BBO倍频晶体3)、光阑4、激光快门5、扩束镜6、二向分色镜7、聚焦装置9等。光学导光系统是飞秒激光加工装置的主要组成部分，其作用是引导激光束至工件表面，对激光器输出光束进行整形、均匀、扩束、准直和聚焦，使在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。反射镜2为45°反射镜，反射镜2用于改变激光的传输方向。常见激光用反射镜有金属膜反射镜和介质膜反射镜，其中金属膜反射镜的反射率不受波长及入射角变化的限制，但反射率较低，通常在80％左右，而且膜表面易磨损，需定期更换。介质膜反射镜对特定波长的激光的反射率达到98％以上，而其他波长的光可以顺利通过，且具有较高的抗磨损能力，但激光入射角需在45°±3°范围内，若超出该范围则反射率会大大降低。本发明的光路传输过程中反射镜的入射角均为45°，故两个反射镜均采用800nm介质反射镜。二向分色镜7其实质是镀有400nm介质膜的反射镜，其可以很好的反射波长为400nm的激光，同时也允许可见光透过到达CCD的光敏感元件。从飞秒激光器1中输出的激光经过BBO倍频晶体3后能输出中心波长为400nm，脉宽350fs的激光束。光阑4对于提高激光加工质量起十分重要的作用，光阑4可以过滤掉光束中不圆的部分，获得较好的圆形光斑，从而使光束聚焦后的光斑在径向的均匀分布，保证了聚焦光斑质量。尤其是在孔的加工中，可以提高孔的圆度。另外，可以通过光阑4的定位来获得激光准确的传输方向，将除反射镜、倍频晶体之外的其余所有光学元件均安装在光阑之后，光路调整时让经过倍频晶体的光束照射到光阑孔径中，使激光光束准确的经过各光学元件的相应位置传输后照射到工件上，然后将光阑后的各光学元件以精确的位置、角度固定，光路无需后续调整，大大的节省了加工前的光路调节时间。本发明使用可调光阑，可实现通光孔径1.2mm～12mm的连续调节。激光快门5用以实现光路的通断以及与五轴联动平台的协调配合，对于整个系统而言，激光快门是十分重要的组成部分。如果快门的响应时间长或者精度低，会导致快门与五轴联动加工平台的协调精度差，如果快门的开闭与加工平台不能匹配，加工出的结构不完整或存在形位误差。另一方面由于飞秒激光器输出激光的最大重复频率为1000Hz，所以为了飞秒激光加工航空发动机气膜孔的高精度，必须保证通断时间的高精度，快门的分辨率需小于1ms。此外，激光快门还需具备与计算机进行通讯的功能以实现计算机对快门和五轴联动平台的协调控制。根据以上要求，本发明选择了美国StanfordResearchSystem公司生产的SR470快门控制器和SR475光学快门组成的光电快门系统。快门控制器可以向光学快门发送开、关指令，还可以向光学快门发送触发信号，通过设置每个周期的预延迟时间、通光时间、后延迟时间与触发个数，可以使激光快门按照一定时序进行开闭，这种方式可以实现根据飞秒激光加工的需要提前设置好相应的触发参数，在激光加工过程中实现光束自动开闭，使零件加工操作更加快捷，减少操作人员的工作量。快门控制器可以由控制器前面板按键进行控制、设置和调节，通过RS-232串行接口实现计算机与快门控制器的数据通讯。激光快门的响应速度为5ms,分辨率即最小通断时间为0.1ms。目前大多数激光加工系统中的快门响应速度和分辨率处于几十至几百毫秒，该快门的精度远远超过一般快门的精度，使系统加工的气膜孔的形位误差降至最低。扩束镜6(×3)由一个输入负透镜和一个输出正透镜做成，实现激光的扩束功能，从而压缩光束发散角，利于获得更小的聚焦光斑。扩束镜6将激光输出的光束直径D的平行光变为直径为3D的平行光，发散角相应减小到原来的1/3，降低传输过程中的光束发散程度。最小加工尺寸很大程度上取决于聚焦后的光斑直径，故光路传输结构需使聚焦后的光斑直径尽量小。由公式式中f——焦距(mm)，λ——波长(nm),D——聚焦前光束直径(mm)，M——光束质量因子，为常数。式中θ——发散角(rad)，λ——波长(nm)，D——聚焦前光束直径(mm)。可以看到，随着聚焦前光束直径的增大，聚焦后的光斑直径和激光远场发散角均减小。故在激光被聚焦前采用扩束镜进行扩束，一是为减小远场发散角，提高光束质量，使加工的结构锥度小，粗糙度低；二是光束直径被扩大后可以减小聚焦后的光斑直径，提高加工精度。值得注意的是，当聚焦前光束直径过大时，光束聚焦误差也会增加，一般聚焦前光束不应超过10mm，所以扩束镜的扩束倍数不应过大。本发明利用光阑获得3mm的光斑直径，经扩束后达到9mm。聚焦装置为扫描振镜9，扫描振镜9是激光加工系统中主要组件之一，具有速度快及灵活性高等优点。其主要配置是一个大尺寸的F-θ镜头(场镜)和二维片转扫描反射镜。其工作原理是激光光束经过由X轴反射镜后反射至Y轴反射镜，在计算机控制下完成指定二维图形扫描。F-θ透镜所起的作用是在进行大范围扫描的时候，使作用在物件表面的加工结构保持一致性，不随偏转角度的变化而变化。本发明装置采用北京世纪桑尼公司TSH8310A/D型号的高速扫描振镜，其标准输入光束直径≤10mm，场镜焦距f＝61mm，可将激光束聚焦成约为10μm的高能密度光斑，用于航空发动机叶片高质量气膜孔的加工。

机械加工平台系统主要包括五轴联动工作平台11、夹具及步进电机控制系统，保证叶片的夹紧、激光聚焦定位及位移精度。由于航空发动机叶片为曲面，且气膜孔尺寸较小要求精度高，这就对加工控制系统提出了保证平台极高的定位精度和位移精度要求。同时由于激光微加工的特点，加工控制系统还需有较大的调速空间，以保证与不同的激光强度、不同的激光脉冲频率、微器件加工深度相匹配，从而达到最佳加工工艺参数，实现最佳加工过程。因此需要对平台X、Y、Z、U、W五个方向的运动速度及运动方向的精确控制。本发明五轴联动精密加工平台11相关精度参数如下表1。五轴联动加工平台较高的精度参数保证了加工过程中聚焦定位的高重复性，及微孔加工尺寸的高可靠性。

表1五轴联动精密加工平台相关精度参数

与加工系统配套的计算机控制系统12主要用于对飞秒激光器1、激光快门5、五轴联动加工平台11、CCD相机8、扫描振镜9的控制和使用软件对加工零件图形的绘制及显微图像的显示。计算机控制系统12同时可以控制显微成像单元8。计算机控制系统12能够调节加工速度和加工路径，并与激光的重复频率配合实现高质量打孔加工。

辅助加工系统主要包括吹气装置、显微成像单元8、照明装置等。辅助加工系统能配合加工过程，让工作人员便于操作，使加工质量提高等。显微成像单元8是飞秒激光气膜孔加工系统中不可或缺的组成部分。精准的焦点位置对气膜孔加工精度起着重要作用，加工时必须要保证激光在瑞利范围内对工件进行加工。通过显微成像单元可以对焦点基准位置进行微细调整，还可以对加工过程进行实时检测与观察。显微成像单元由CCD和镜头搭建。CCD采用德国Basler公司生产的acA1600-20gc型号CCD，分辨率为1628×1236，镜头视场为9.2mm×6.9mm～1.5mm×1.1mm，通过视场和分辨率计算该成像单元可观测的最小尺寸小于1um。在飞秒激光与材料的相互作用过程中，加工区域附近内大量材料在逃离母材过程中，部分材料会遇冷迅速重凝，在加工区域附近形成残渣，所以需要在材料表面加以辅助气体，利用吹气装置10对工件表面吹压缩氮气，将去除材料及时从基体材料上吹除以保证加工结构的整洁，同时也能阻止加工表面被氧化和保护振镜清洁的作用。

飞秒激光加工航空发动机气膜孔的方法，包括使用设备预置的画图软件设计出叶片气膜孔的形状和相对位置；叶片的装夹及定位：将叶片置于机械加工平台系统的加工区域，并固定叶片的位置；根据预加工轨迹在自主开发的软件系统中编写数控程序，并通过控制卡以及RS232等接口与激光器、五轴联动数控平台、扫描振镜硬件进行通信，实现加工的同步化，预加工轨迹即为根据要加工的气膜孔的形状和气膜孔之间的相对位置确定的加工路线；由控制系统为飞秒激光加工系统输入扫描速度、能量密度、重复频率等加工参数(参数根据对不同叶片材料的多次加工实验优选而来)；聚焦扫描振镜、激光快门、五轴联动数控平台互相配合完成一片航空发动机叶片全部气膜孔的加工。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，包括飞秒激光器系统、光学导光系统、机械加工平台系统和控制系统，所述飞秒激光器系统的光路出口与光学导光系统的光路入口相对，光学导光系统的光路出口与机械加工平台系统的工作区域相对，所述飞秒激光器系统输出的激光光束由光学导光系统进行处理，光学导光系统引导激光光束至机械加工平台系统工作区域的工件表面，光学导光系统对飞秒激光器系统输出的激光光束进行整形、均匀、扩束、准直和聚焦；所述机械加工平台系统与控制系统相连，控制系统调节机械加工平台系统的运动方向和运动速度。

2.如权利要求1所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述飞秒激光器系统包括飞秒激光器，所述飞秒激光器由电源装置提供电源，所述飞秒激光器与冷却装置通过两根软管相连；所述飞秒激光器与控制系统连接。

3.如权利要求1所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述光学导光系统包括反射镜、波长转换器、光阑、光电快门系统、扩束镜、二向分色镜、扫描振镜；所述飞秒激光器系统输出的激光光束光路依次是反射镜、波长转换器、光阑、光电快门系统、扩束镜、二向分色镜的一面、扫描振镜、工件表面；在二向分色镜的另一面设有显微成像单元，显微成像单元与控制系统连接。

4.如权利要求3所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述反射镜与激光光束光路的夹角为45°；所述光阑的通光孔径在1.2mm-12mm；所述二向分色镜与激光光束光路的夹角为45°。

5.如权利要求3所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述光电快门系统包括快门控制器和激光快门，所述快门控制器对激光快门进行控制，所述快门控制器与控制系统通信，控制系统控制快门控制器的通断时间，同时由控制系统对激光快门和机械加工平台系统进行协调控制，保证加工完成的结构完整。

6.如权利要求3所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述扩束镜包括输入负透镜和输出正透镜，输入负透镜将一个虚焦点光束传送给输出正透镜。

7.如权利要求3所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述扫描振镜包括场镜和二维片转扫描反射镜，所述扫描振镜与控制系统连接。

8.如权利要求3所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述显微成像单元包括CCD和镜头。

9.如权利要求1所述的飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，其特征是，所述机械加工平台系统包括五轴联动工作平台，所述五轴联动工作平台上设有夹具；所述五轴联动工作平台的一侧设有吹气装置。

10.利用权利要求1-9任一项所述的装置加工叶片气膜孔的的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：确定叶片上气膜孔的形状和气膜孔之间的相对位置；

步骤2：将叶片置于机械加工平台系统的加工区域，并固定叶片的位置；

步骤3:调节激光光斑与叶片的相对位置,并保证初始激光焦点位置在叶片上表面；

步骤4：根据预加工轨迹确定机械加工平台系统的加工动作过程；

步骤5：由控制系统调节光学导光系统的加工参数，保证光学导光系统与机械加工平台系统同步运作；

步骤6：启动加工过程，光学导光系统将激光光束引导至机械加工平台系统加工区域的叶片表面，机械加工平台系统带动叶片动作，激光光束与叶片相对运动实现叶片上全部气膜孔的加工。