CN107841616A - 一种强化发动机叶片的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种强化发动机叶片的方法，所述方法包括：根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。该方法能够在强化发动机叶片过程中，降低表面的粗糙度并提升残余压应力的均匀性；本申请还公开了一种强化发动机叶片的系统、一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，具有以上有益效果。

Description

一种强化发动机叶片的方法及系统

技术领域

本发明涉及材料强化处理领域，特别涉及一种强化发动机叶片的方法、系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置。

背景技术

激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。与传统表面强化技术相比，激光冲击处理除了带来更优的表面强化效果，其非接触强化的特点，更可以显著降低表面强烈塑性变形导致的粗糙度变化。由于激光具有较好的可达性，激光冲击强化技术特别适用于壁薄且型面复杂的航空发动机叶片等零件。

发动机叶片结构复杂，其外表面为曲率面。现有技术中激光冲击强化技术是采用固定尺寸光斑对叶片进行扫描式冲击处理。采用单一尺寸激光光斑对叶片不同曲率表面进行加工，对叶片的整体塑性变形影响程度大，可导致零件表面粗糙度的提高和残余应力场分布的不均匀。例如，若采用较大尺寸激光光斑加工叶片的大曲率表面，会使得作用区域具有明显不同的激光光束入射角度，降低塑性变形与应力分布等在光斑作用区域的一致性，对零件的服役性能产生不利效果。

因此，如何在强化发动机叶片的过程中，降低发动机叶片表面的粗糙度并提升残余压应力的均匀性是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种强化发动机叶片的方法、系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，能够在强化发动机叶片的过程中，降低表面粗糙度并提升残余压应力的均匀性。

为解决上述技术问题，本申请提供一种强化发动机叶片的方法，该方法包括：

根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

可选的，在利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作前，还包括：

调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合。

可选的，还包括：

在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性。

本申请还提供了一种强化发动机叶片的系统，该系统包括：

路径确定模块，用于根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

光斑尺寸确定模块，用于测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

强化模块，用于利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

光斑尺寸更新模块，用于检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

可选的，还包括：

位置调节模块，用于调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合。

可选的，还包括：

去离子水喷洒模块，用于在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述方法执行的步骤。

本申请还提供了一种脉冲激光强化装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述方法执行的步骤。

本发明提供了一种强化发动机叶片的方法，根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

由于发动机叶片各个部位曲率是不同的，如果使用相同光斑尺寸的脉冲激光强化不同曲率的加工区域，会造成冲击强化后的发动机叶片各个部位的表面残余压应力不均匀且粗糙度较高。考虑到造成残余压应力分布不一致的根本因素是被强化部位的曲率与脉冲激光的光斑尺寸不匹配，因此本方法根据每一强化部位曲率的不同选择相应的光斑尺寸。本方法能够在强化发动机叶片的过程中，降低零件表面的粗糙度并提升残余压应力的均匀性。本申请同时还提供了一种强化发动机叶片的系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种强化发动机叶片的方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的另一种强化发动机叶片的方法的流程图；

图3为在实际应用中脉冲激光强化发动机叶片的示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种强化发动机叶片的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种强化发动机叶片的方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

其中，本方案的强化对象是发动机叶片且发动机叶片是具有一定曲率的，值得注意的是，本方案中的发动机叶片可以是航空发动机叶片，也可以是汽车的发动机叶片，当然也可以是应用于其他领域的发动机叶片(包括具有与发动机叶片相类似结构的装置)。

加工路径就是脉冲激光冲击强化操作时发动机叶片移动的路径，在此过程中脉冲激光的各项参数可能发生改变，但是由于发动机叶片的待加工区域属于固有的参考量，所以加工路径是不会发生改变的。

可以理解的是，各个领域的发动机叶片的形状构造是不尽相同的，同一领域不同型号的发动机叶片的形状构造也是不尽相同的。故对于同一种形状构造的发动机叶片来说，在确定加工路径后可以实现对相同发动机叶片的批量生产(即无需重复确定加工路径)。当先后对不同形状构造的发动机叶片进行冲击强化时，需要预先执行本步骤确定的加工路径。当然，在本步骤之前还可以存在调整发射出脉冲激光的激光器位置的操作，可以调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使脉冲激光与发动机叶片的待加工区域保持垂直(即法向重合)。在强化过程中，夹持固定待加工零件的机械臂不断变化位置以保证待加工零件接收到垂直入射的激光光束。

S102：测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

其中，本步骤的目的在于根据待加工区域的外表面曲率选择相应的光斑尺寸。由于发动机叶片各个部位曲率是不同的，如果使用相同光斑尺寸的脉冲激光强化不同曲率的加工区域，会造成冲击强化后的发动机叶片各个部位的表面残余压应力不均匀且粗糙度较高。本步骤基于外表面曲率选择相应的光斑尺寸，能够保证在进行脉冲强化操作后得到的发动机叶片具有较低的粗糙度以及均匀的残余应力场分布。

值得注意的是，每一种曲率都有一个最优选的光斑尺寸，但是考虑到在实际应用中的可操作性，可以为每一个曲率范围设置一个相对优选的光斑尺寸。当然，本步骤是默认存在有曲率关于光斑尺寸的对应关系，可以根据该对应关系查找发动机叶片各个部位曲率对应的光斑尺寸。一般来说，小曲率面采用大尺寸光斑，大曲率面采用小尺寸光斑，且在加工过程中保持搭接率一致。在本方案中激光的搭接率可以由操作人员在测试零件上进行测试后得到，本方法不对搭接率的具体数值和计算途径进行具体的限定。

该关于曲率与光斑尺寸的对应关系可以是在进行脉冲激光强化操作之前，由本领域技术人员进行大量论证、测试或根据实践经验得到的，当然可以存在多种得到该对应关系的方法，技术人员可以根据本方案实际应用的条件进行灵活选择，此处不进行具体的限定。

S103：利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

其中，本步骤是建立在S102已确定相应的光斑尺寸的基础上，当然脉冲激光还有其他的影响强化效果的脉冲参数(包括光斑形状、脉冲能量、脉冲宽度等一系列参数)，这些脉冲参数可以根据发动机叶片的材料属性进行选择，本步骤是默认上述脉冲参数已经调试到最优值。本步骤也不限定获取除光斑尺寸以外的其他脉冲参数的方法，本领域技术人员可以根据实际条件进行设定。

可以理解的是，本步骤使用机械臂携带待加工零件移动进行其他部位的脉冲激光强化，可以采用机械臂移动一下激光冲击一下的方式进行(即逐点加工)。

S104：检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

其中，通常来说，发动机叶片的曲率的变化是连续的，即不会出现相邻的两个区域之间的曲率发生跳跃性变化。因此，可以按照预设周期或预设加工长度对待加工区域的曲率进行再次检测，以便将光斑尺寸调整至最佳值。

在上文中论述过每一种曲率都有一个最优选的光斑尺寸，但是考虑到在实际应用中的可操作性，可以为每一个曲率范围设置一个相对优选的光斑尺寸。因此，作为一种优选的实施方案，可以将外表面曲率划分为预设数量个区域，每个区域对应一个光斑尺寸，检测外表面曲率对应的区域是否发生变化，若发生变化则改变光斑尺寸。

可以理解的是，在进行同一种发动机叶片的脉冲激光强化过程中，每一次进行强化的路径、曲率变化过程都是相同的，因此可以将一次进行强化的过程中所有的数据进行记录，在对相同发动机叶片进行加工时无需重复确定加工路径、检测外表面曲率等步骤。

本实施例根据每一强化部位曲率的不同选择相应的光斑尺寸，能够在强化发动机叶片过程中，降低零件表面的粗糙度并提升残余压应力的均匀性。

下面请参见图2、图3，图2为本申请实施例所提供的另一种强化发动机叶片的方法的流程图；图3为在实际应用中脉冲激光冲击强化发动机叶片的示意图；其中1、2分别代表两种不同曲率表面的加工区域，1为小曲率表面，2为大曲率表面；3、4分别代表针对两种不同曲率表面所设定的激光光斑，3为大尺寸光斑，4为小尺寸光斑。

具体步骤可以包括：

S201：根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

S202：测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

S203：调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合；

S204：在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性；

当然，在强化加工之前，需要先在待加工区域粘贴黑胶带或涂覆黑漆作为吸收层，以便避免零件表面在遭受到激光的热效应之后发生烧蚀现象。在对该区域加工完成后，应及时清除其上的黑胶带或黑漆。

S205：利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

S206：检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种强化发动机叶片的系统的结构示意图；

该系统可以包括：

路径确定模块100，用于根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

光斑尺寸确定模块200，用于测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

强化模块300，用于利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

光斑尺寸更新模块400，用于检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

在本申请提供的另一种强化发动机叶片的系统的实施例中，进一步的还包括位置调节模块，用于调节所述发动机叶片的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合。

进一步的，还包括：

去离子水喷洒模块，用于在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性。

由于系统部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种脉冲激光强化装置，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述脉冲激光强化还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种强化发动机叶片的方法，其特征在于，包括：

根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作前，还包括：

调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性。

4.一种强化发动机叶片的系统，其特征在于，包括：

路径确定模块，用于根据所述发动机叶片的待加工区域的形状参数确定加工路径；

光斑尺寸确定模块，用于测量所述待加工区域的外表面曲率，并根据所述外表面曲率选择相应光斑尺寸的脉冲激光；

强化模块，用于利用所述脉冲激光沿所述加工路径对所述发动机叶片进行强化操作；

光斑尺寸更新模块，用于检测所述外表面曲率是否发生变化，若是，则根据变化后的外表面曲率调整所述光斑尺寸以便继续进行所述强化操作。

5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，还包括：

位置调节模块，用于调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使所述脉冲激光与所述发动机叶片的待加工区域法向重合。

6.根据权利要求4所述系统，其特征在于，还包括：

去离子水喷洒模块，用于在所述发动机叶片上喷洒相同流速的去离子水，以便保持约束层的厚度的均匀性。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行时实现如权利要求1至3任一项所述的方法。

8.一种脉冲激光强化装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述的方法。