CN108611484A - 一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法。其中，本发明提供的方法通过在保有一定加工余量的半成品叶片上，采用高强度短脉冲激光进行穿透式激光冲击强化处理，先得到强化后的半成品叶片，后续通过铣削、磨削方式或光整加工等方式去除半成品叶片上的加工余量，获得表面具有一定厚度、残余压应力分布均匀，表面粗糙度低和尺寸精度高的成品叶片，解决了现有的在精加工叶片表面激光冲击强化导致的表面粗糙度差、波纹度大和变形量大等表面缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法。
背景技术
航空发动机叶片是航空发动机中能量转换的主要部件之一，航空发动机的性能很大程度上取决于叶片质量的好坏，叶片的质量也直接影响着发动机的安全性和可靠性。
为了提高叶片的强度，通常会对叶片进行强化处理，如机械喷丸处理、激光冲击强化处理等，消除叶片加工中带来的残余应力，同时提高叶片的抗外物损伤能力、抗疲劳破坏能力等，但机械喷丸和激光冲击强化后的叶片表面会出现深浅不一的凹坑，导致强化处理后的叶片存在表面粗糙度差、波纹度大和变形量大等表面缺陷，对叶片压缩空气效率产生不利影响，最终导致发动机性能的下降。
如何保证叶片在强化处理后仍保持表面粗糙度不大于加工要求、无变形、无质量损耗的状态，仍是一个未解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，用于解决现有的叶片在强化处理后表面粗糙度差、波纹度大和变形量大的技术问题。
本发明提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，包括：
S1：获取叶片毛坯件的对应的材料特性参数，确定所述叶片毛坯件的预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，并根据所述对应关系，对所述叶片毛坯件进行铣削加工，得到包含有预置加工余量的半成品叶片，其中，所述预置加工余量大于所述半成品叶片在激光冲击强化后产生的微凹坑预计深度且大于所述半成品叶片在激光冲击强化后的预置残余压应力对应的深度；
S2：确定激光冲击强化工序加工参数，并根据所述激光冲击强化工序加工参数，对所述半成品叶片进行激光冲击强化加工处理；
S3：对经过激光冲击强化加工后的所述半成品叶片的表面进行铣削、磨削加工或光整加工，得到去除加工余量后的成品叶片。
优选地，所述步骤S2具体包括：
S21：对所述半成品叶片进行模型仿真，根据所述半成品叶片的厚度区间，划分出若干个加工区域，并确定每一个加工区域的激光冲击强化工序加工参数并根据所述激光冲击强化工序加工参数，对所述半成品叶片进行激光冲击强化加工处理。
优选地，所述步骤S3之前还包括：
S22：获取激光冲击强化加工后所述半成品叶片的微凹坑实际深度，并根据所述微凹坑实际深度，通过残余压应力层深度和微凹坑深度的经验公式，计算出所述半成品叶片的残余压应力层深度理论值，若所述残余压应力层深度理论值与所述半成品叶片的残余压应力层深度实际值的误差大于第一误差阈值时，则返回执行步骤S21，更新所述激光冲击强化工序加工参数。
优选地，所述引入的残余压应力层深度和微凹坑深度的经验公式为Lp＝ε*d+c，其中，Lp为所述的残余压应力层深度理论值，系数ε和补偿值c为常数，d为所述微凹坑深度。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，在保有一定加工余量的半成品叶片上，采用高强度短脉冲激光进行穿透式激光冲击强化处理，先得到强化后的半成品叶片，后续通过铣削、磨削或其它光整加工方式去除半成品叶片上的加工余量，获得表面具有一定厚度、残余压应力分布均匀，且表面光洁度高的成品叶片，解决了现有的叶片强化处理加工方法导致的叶片表面粗糙度差、波纹度大和变形量大的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法的第一个实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法的第二个实施例的流程示意图；
图3为激光冲击强化处理保有加工余量的航空发动机叶片图；
其中，附图标记如下：
S1是激光冲击强化路径；S2是保留有加工余量的叶片；S3是最终的成品叶片；S4是叶片加工余量。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，用于解决现有的叶片在强化处理后表面粗糙度差、波纹度大和变形量大的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，包括：
101、获取叶片毛坯件的对应的材料特性参数，确定叶片毛坯件的预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，并根据预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，对叶片毛坯件进行铣削加工，得到包含有预置加工余量的半成品叶片；
其中，预置加工余量大于半成品叶片在激光冲击强化后产生的微凹坑预计深度且大于半成品叶片在激光冲击强化后的预置残余压应力对应的深度。
需要说明的是，预置加工余量根据激光冲击不同材料造成的微凹坑深度和引入的残余压应力层深度设定，
激光冲击造成的微凹坑深度以及残余压应力层深度与叶片材料有关，在激光加工参数已知的情况下，微凹坑深度和残余压应力层深度可确定的，可以根据叶片的材料特性参数进行预估或通过实验进行确定。
102、确定激光冲击强化工序加工参数，并根据激光冲击强化工序加工参数，对半成品叶片进行激光冲击强化加工处理；
需要说明的是，将保有加工余量的叶片转至激光冲击强化工作区，根据仿真记录的激光冲击强化工序加工参数设置激光实际加工参数，然后按照规划加工路径对半成品叶片进行激光冲击强化处理；
103、对经过激光冲击强化加工后的半成品叶片的表面进行铣削或磨削，得到去除加工余量后的成品叶片。
需要说明的是，完成激光冲击强化处理后，对叶片进行铣削、磨削或其它光整加工操作，去除加工余量，其中，加工余量的去除工序可以根据实际工况单独选择铣削或者磨削或者其它光整加工形式，也可采取多种加工方法耦合工作的方式。
本发明实施例提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，在保有一定加工余量的半成品叶片上，采用高强度短脉冲激光进行穿透式激光冲击强化处理，先得到强化后的半成品叶片，后续通过铣削、磨削或其它光整加工方式去除半成品叶片上的加工余量，获得表面具有一定厚度、残余压应力分布均匀，且表面光洁度高的成品叶片，解决了现有的叶片激光冲击强化后导致的叶片表面粗糙度差、波纹度大和变形量大的技术问题。
以上为本发明提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法的第一个实施例的详细描述，下面为本发明提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法的第二个实施例的详细描述。
请参阅图2和图3，本发明实施例提供了一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，包括：
201、获取叶片毛坯件的对应的材料特性参数，确定叶片毛坯件的预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，并根据预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，对叶片毛坯件进行铣削加工，得到包含有预置加工余量的半成品叶片；
需要说明的是，将航空发动机叶片的毛坯件S2铣削加工至一定加工余量S4停止加工，且预置加工余量大于叶片在激光冲击强化后产生的微凹坑的预计深度；
其中，预置加工余量根据激光冲击不同材料造成的微凹坑深度和引入的残余压应力层深度设定；
激光冲击造成的微凹坑深度以及残余压应力层深度与叶片材料有关，在激光加工参数已知的情况下，叶片深度与残余压应力值的对应关系是基本固定的，微凹坑深度和残余压应力层深度可以根据叶片的材料特性参数进行预估或通过实验进行确定；
本实施例中，设定待加工的航空发动机压气机叶片，其材料为TC4钛合金，叶片叶面尺寸是长150mm，宽85mm，中间有最厚，为2.5mm，两侧最薄，为1mm。根据实验数据可知，当激光光斑半径为2.5mm，激光脉宽为30ns，激光功率密度为5.28GW/cm2时，残余压应力的绝对值的趋势是先增大后减小，叶片表面残余压应力是300MPa，在表面下方0.25mm处残余压应力接近最大值600MPa，激光冲击强化造成的微凹坑深度最大为几十微米，而本实施例要求的残余压应力阈值为400MPa，根据TC4的材料特性与激光功率密度的对应关系，可以确定本实施例的预置加工余量的取值范围为[0.1mm,0.5mm]，精度为0.01mm，综合考虑微凹坑深度与实际的残余压应力要求，本实施例优选将叶片的预置加工余量设定为0.15mm。
202、获取包含有预置加工余量的半成品叶片，对半成品叶片进行模型仿真，根据半成品叶片的厚度区间，划分出若干个加工区域，并确定每一个加工区域的激光冲击强化工序加工参数；
需要说明的是，对保有加工余量的叶片进行数值仿真，规划出激光冲击强化路径，可以进行分区处理，使叶片表面的残余压应力均匀分布，记录相应的加工参数；
其中，分区是根据叶片厚度的区间范围进行划分，例如将叶片厚度在区间[1mm,1.3mm]的区域设定为加工区域1，将叶片厚度在区间(1.3mm,1.6mm]的区域设定为加工区域2，直至将整个叶片区域划分完，不同区间的间距范围可以不相同。区间范围大小的设定可通过多次数值仿真分析结果对比获得，采用残余应力分布均匀性效果最佳的那一组区间范围值。同一加工区域内的激光喷丸工序加工参数是相同的，但不同加工区域的激光喷丸工序加工参数可以是不同的。
203、根据激光冲击强化工序加工参数，对半成品叶片进行激光冲击强化加工处理；
需要说明的是，将航空发动机叶片S2移至激光冲击强化处理区，根据仿真数据设定激光加工参数和加工路径S1，然后进行激光冲击强化处理工作。
204、获取激光冲击强化加工后半成品叶片的微凹坑实际深度，并根据微凹坑实际深度，通过残余压应力层深度和微凹坑深度的经验公式，计算出半成品叶片的残余压应力层深度理论值，若残余压应力层深度理论值与半成品叶片的残余压应力层深度实际值的误差大于第一误差阈值时，则返回执行步骤202，更新激光冲击强化工序加工参数，直至残余压应力层深度理论值与半成品叶片的残余压应力层深度实际值的误差不大于第一误差阈值时，执行步骤205；
需要说明的是，残余压应力层深度的理论值可以根据经验公式Lp＝ε*d+c计算获得残余压应力层深度的理论值Lp，其中，系数ε和补偿值c是根据残余压应力层深度的经验公式Lp＝ε*d+c，计算出的系数ε和补偿值c的历史数值作为测算值，并记录入库作为经验值，且系数ε和补偿值c为常数，不同种类的金属ε和c也不同，d为微凹坑深度；
若获得残余压应力层深度的理论值Lp与半成品叶片的残余压应力层深度实际值的误差过大时，则修改激光喷丸强化参数，重复步骤202至204，直至残余压应力层深度的理论值Lp在预置的误差范围内。
205、对经过激光冲击强化加工后的半成品叶片的表面进行铣削、磨削或其它光整加工，得到去除加工余量后的成品叶片。
需要说明的是，将经过激光冲击强化处理后且残余压应力层深度合格的叶片S2移至铣削工位，采用铣削、磨削或其它光整加工的方式去除加工余量S4，得到成品叶片S3，结束所有工作；
其中，加工余量的去除工序可以根据实际工况单独选择铣削或者磨削或者其它光整加工形式，也可采取多种加工方法耦合工作的方式；
检测得到的成品叶片表面残余压应力值可达300MPa以上。
进一步地，激光喷丸工序加工参数包括：激光能量值、激光光斑大小、激光脉冲宽度、激光光斑搭接率、激光喷丸次数。
本发明实施例提供的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，在保有一定加工余量的半成品叶片上，采用高强度短脉冲激光进行穿透式激光喷丸强化处理，先得到强化后的半成品叶片，后续通过铣削、磨削或其它光整加工方式去除半成品叶片上的加工余量，获得表面具有一定厚度、残余压应力分布均匀，且表面光洁度高的成品叶片，解决了现有的叶片激光冲击强化后导致的叶片表面粗糙度差、波纹度大和变形量大的技术问题。
以上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，其特征在于，包括：
S1：获取叶片毛坯件的对应的材料特性参数，确定所述叶片毛坯件的预置残余压应力与残余压应力层深度的对应关系，并根据所述对应关系，对所述叶片毛坯件进行铣削加工，得到包含有预置加工余量的半成品叶片，其中，所述预置加工余量大于所述半成品叶片在激光冲击强化后产生的微凹坑预计深度且大于所述半成品叶片在激光冲击强化后的预置残余压应力对应的深度；
S2：确定激光冲击强化工序加工参数，并根据所述激光冲击强化工序加工参数，对所述半成品叶片进行激光冲击强化加工处理；
S3：对经过激光冲击强化加工后的所述半成品叶片的表面进行铣削、磨削加工或光整加工，得到去除加工余量后的成品叶片。
2.根据权利要求1所述的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21：对所述半成品叶片进行模型仿真，根据所述半成品叶片的厚度区间，划分出若干个加工区域，并确定每一个加工区域的激光冲击强化工序加工参数并根据所述激光冲击强化工序加工参数，对所述半成品叶片进行激光冲击强化加工处理。
3.根据权利要求2所述的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤S3之前还包括：
S22：获取激光冲击强化加工后所述半成品叶片的微凹坑实际深度，并根据所述微凹坑实际深度，通过残余压应力层深度和微凹坑深度的经验公式，计算出所述半成品叶片的残余压应力层深度理论值，若所述残余压应力层深度理论值与所述半成品叶片的残余压应力层深度实际值的误差大于第一误差阈值时，则返回执行步骤S21，更新所述激光冲击强化工序加工参数。
4.根据权利要求3所述的一种无变形无表面缺陷的金属叶片激光冲击强化方法，其特征在于，所述引入的残余压应力层深度和微凹坑深度的经验公式为Lp＝ε*d+c，其中，Lp为所述的残余压应力层深度理论值，系数ε和补偿值c为常数，d为所述微凹坑深度。
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Application publication date: 20181002 |