CN109365932A - 带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法及装置，所述装置包括工作台、电解电源、转接结构和电解液箱，且所述工作台上表面固定安装有工作箱，所述工作箱上侧设有紫外激光器和伺服进给装置，且紫外激光器设有聚集系统，所述工作台、电解电源、紫外激光器、伺服进给装置和电解液箱均安装在机床上，所述转接结构的一端固定安装在伺服进给装置上，且转接结构的另一端通过夹具固定安装有工件，所述工件位于工作箱中电解液的内部，所述紫外激光器下侧固定装配有激光电解液耦合腔结构。本发明解决了常规电加工方法(电解、电火花)无法刻蚀非导电陶瓷涂层以及单晶合金的激光等特种加工存在再铸层、微裂纹的问题。
Description
技术领域
本发明属于特种加工技术领域,尤其涉及一种带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法及装置。
背景技术
微孔、微槽等微结构是涡轮叶片、微传感器、微执行器等零件中常用的关键部件，它们对加工精度和质量具有很高的技术要求。在复杂薄壁零件如涡轮叶片中，气膜孔是高温高压条件下的重要气冷通道。
带热障涂层涡轮叶片气膜孔等微结构决定着零部件的使用寿命和可靠性，例如涡轮是航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部件，发动机性能很大程度上取决于涡轮进口温度的高低，但它受涡轮叶片材料的限制，需采取一些新技术方法才能达到所要求的性能指标。气膜孔冷却技术不仅达到有效冷却的目的，还控制喷射造成的气动损失、湍流流动和壁面热应力集中，如它最大可使叶片表面温度降低约500℃。热障涂层技术既降低金属热端部件表面温度，又能提高基体合金抗高温氧化腐蚀性能，如0.2～0.4mm厚度的陶瓷热障涂层能使叶片表面温度降低100～150℃。气膜孔主要分布在涡轮叶片前缘、叶身型面等部位，加工质量(再铸层和微裂纹)直接关系到叶片的使用寿命和稳定性，成为难加工微结构器件。带热障涂层叶纹片气膜孔的微细加工方法研究已经成为国内外研究的热点。
针对带热障涂层叶纹片气膜孔的微细加工方法主要有两种。首先，若先在叶片上进行微孔加工，再涂覆热障涂层，可能存在由于涂层材料的沉积使孔径缩小的问题；如果在带热障涂层叶片上进行微孔加工，则有可能存在常规电加工方法(电解、电火花)无法加工非导电陶瓷热障涂层以及单晶合金的激光等特种加工存在再铸层、微裂纹的问题。因此，有必要设计一种更好的加工方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明目的在于提供了一种带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法及装置，从气模孔的加工到最终成型只需一次装夹、一次对刀，能有效避免加工过程中工件的二次装夹以及重复对刀过程中产生的误差，提高加工精度和质量。
为了达到上述目的，本发明采用下述方案。
带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，包括以下步骤：
步骤1、工件的安装定位：将工件通过夹具安装定位在转接结构上；
步骤2、伺服进给装置的安装定位：伺服进给装置安装在机床上；
步骤3、紫外激光器的安装定位：紫外激光器固定安装在机床上，并且紫外激光器设置有聚焦系统；
步骤4、激光电解液耦合腔结构的安装定位：激光电解液耦合腔结构安装定位在紫外激光器上；
步骤5、工作箱的安装：将工作箱安装固定在工作台上；
步骤6、管状电极的安装定位：将管状电极安装定位在激光电解液耦合腔结构上，通过伺服进给装置调整管状电极与工件的相对加工位置，输液管把过滤器过滤后的电解液从电解液箱里经过液压泵、压力调节装置、激光电解液耦合腔、管状电极喷射到工件表面，产生稳定的电解液流体；
步骤7、在激光加工时间内，通过伺服进给装置调整转接结构与工件的位置，快速移至激光加工起点，打开紫外激光器及聚焦系统，紫外激光束通过激光电解液耦合腔结构、管状电极内孔，在电解液中直接聚焦于工件表面，通过激光旋切法，加工陶瓷热障涂层微孔，提高加工质量；
步骤8、在电解加工时间内，转接结构与工件快速移至电解加工起点，打开电解电源，采用小间隙加工、侧壁绝缘管状电极以及高频脉冲电源等电解加工方法刻蚀单晶合金微孔，提高加工精度，从而在时间上分段进行激光加工和电解加工，实现带热障涂层叶片气膜孔的无再铸层加工。
所述步骤1中，转接结构的作用是连接伺服进给装置与夹具。
所述步骤4中，激光电解液耦合腔结构保证耦合腔内激光束通过电解液的厚度不大于5mm以及激光束与电解液流体同轴耦合出射。
所述步骤6中，从孔加工到最终成型采用一次对刀，采用Z轴湿对刀法测量辅助电极所在位置并减去辅助电极高度补偿值确定Z轴起点位置，根据此Z轴起点位置分别设置激光加工、电解加工的Z轴起点，XY平面CCD辅助对刀法利用CCD及镜头实现CCD辅助定位确定XY平面起点位置，具体为激光加工、电解加工共同的XY平面起点。
所述步骤7中，紫外激光器、聚焦系统、激光电解液耦合腔结构和管状电极是一体结构，一体结构是固定的、工件是移动的，或者一体结构是移动的、工件是固定的。
所述紫外激光器产生的激光为脉冲功率密度I>106W/cm2的紫外激光。
所述电解液箱中的电解液为低浓度钝化性电解液。
带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工装置，包括工作台、电解电源、转接结构和电解液箱，且工作台上表面固定安装有工作箱，所述工作箱上侧设有紫外激光器和伺服进给装置，且紫外激光器设有聚集系统，所述工作台、电解电源、紫外激光器、伺服进给装置和电解液箱均安装在机床上，所述转接结构的一端固定安装在伺服进给装置上，且转接结构的另一端通过夹具固定安装有工件，所述工件位于工作箱中电解液的内部，所述紫外激光器下侧固定装配有激光电解液耦合腔结构，所述激光电解液耦合腔结构下侧固定装配有管状电极，且管状电极位于工件的上侧，所述电解电源的正、负极分别与工件、管状电极电连接，所述电解液箱上侧设有压力调节装置、液压泵和过滤器，且激光电解液耦合腔结构、压力调节装置、液压泵、过滤器和电解液箱依次通过输液管相连通，所述压力调节装置、液压泵和过滤器均与外接电源电连接。
所述管状电极为中空并且侧壁绝缘的金属管。
所述电解电源为高频脉冲电化学电源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明合理结合激光加工和电解加工的技术优势，将这两种加工工艺进行组合，加工过程中无需改变零件装夹、无需更换管状电极，从孔加工到最终成型一次对刀，分别采用电解液辅助紫外激光铣削陶瓷热障涂层微孔和高频脉冲电解加工单晶合金微孔，能有效改善微结构成型、提高结构强度，进而明显改善和提高微细加工质量，从而实现了无再铸层带热障涂层叶片气膜孔的冷加工，提高加工质量和精度，在航空、航天等领域上带热障涂层气膜孔加工制造中具有极其重要的意义和工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构的示意图；
图中：1-夹具，2-工件，3-工作台，4-工作箱，5-电解电源，6-管状电极，7-激光电解液耦合腔结构，8-紫外激光器，9-转接结构，10-伺服进给装置，11-输液管，12-压力调节装置，13-液压泵，14-过滤器，15-电解液箱。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术存在的问题，如图1所示，本发明提供了带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，包括以下步骤：
步骤1、工件2的安装定位：将工件2通过夹具1安装定位在转接结构9上；
本步骤1中，转接结构9的作用是连接伺服进给装置10与夹具1。
步骤2、伺服进给装置10的安装定位：伺服进给装置10安装在机床上。
步骤3、紫外激光器8的安装定位：紫外激光器8固定安装在机床上，并且紫外激光器8设置有聚焦系统。
步骤4、激光电解液耦合腔结构7的安装定位：激光电解液耦合腔结构7安装定位在紫外激光器8上。
本步骤4中、激光电解液耦合腔结构7保证耦合腔内激光束通过电解液的厚度不大于5mm以及激光束与电解液流体同轴耦合出射。
步骤5、工作箱4的安装：将工作箱4安装固定在工作台3上。
步骤6、管状电极6的安装定位：将管状电极6安装定位在激光电解液耦合腔结构7上，通过伺服进给装置10调整管状电极6与工件2的相对加工位置，输液管11把过滤器14过滤后的电解液从电解液箱15里经过液压泵13、压力调节装置12、激光电解液耦合腔7、管状电极6喷射到工件2表面，产生稳定的电解液流体。
本步骤6中，工件2位于工作箱4的电解液中，工作箱4里有和电解液箱15同样的电解液；从孔加工到最终成型采用一次对刀，采用Z轴湿对刀法测量辅助电极所在位置并减去辅助电极高度补偿值确定Z轴起点位置，根据此Z轴起点位置分别设置激光加工、电解加工的Z轴起点，XY平面CCD辅助对刀法利用CCD及镜头实现CCD辅助定位确定XY平面起点位置，具体为激光加工、电解加工共同的XY平面起点；通过过滤器14、柱塞液压泵13及压力调节装置12提供一定压力的电解液，依次进入激光电解液耦合腔结构7、管状电极6，产生稳定的电解液流体。
步骤7、在激光加工时间内，通过伺服进给装置10调整转接结构9与工件2的位置，快速移至激光加工起点，打开紫外激光器8及聚焦系统，紫外激光束通过激光电解液耦合腔结构7、管状电极6内孔，在电解液中直接聚焦于工件2表面，通过激光旋切法，加工陶瓷热障涂层微孔，提高加工质量。
本步骤7中，通过伺服进给装置10的X、Y和Z三轴联动调整转接结构9与工件2的位置；加工陶瓷热障涂层微孔的深度为0.1～0.3mm；结构中紫外激光器8、聚焦系统、激光电解液耦合腔结构7和管状电极6是一体结构，一体结构是固定的、工件2是移动的，或者一体结构是移动的、工件2是固定的，但相应地设计结构较为复杂，为了便于描述本方法，以一体结构是固定的、工件2是移动的为实例，一体结构是固定不动的，工件2被转接结构9带动在工作箱4内的电解液中上下左右移动的，即X、Y和Z三轴联动。
步骤8、在电解加工时间内，转接结构9与工件2快速移至电解加工起点，打开电解电源5，采用小间隙加工、侧壁绝缘管状电极以及高频脉冲电源等电解加工方法刻蚀单晶合金微孔，提高加工精度，从而在时间上分段进行激光加工和电解加工，实现带热障涂层叶片气膜孔的无再铸层加工。
本步骤8中，单晶合金微孔的深度0.55～5.2mm，并且含0.05～0.2mm厚度的热障涂层中的金属粘结层。
紫外激光器8产生的激光为脉冲功率密度I>106W/cm2的紫外激光。
本实施例中，紫外激光器8具有其它激光器所不具备的好处，即能够限制热应力，这是因为大多数紫外激光系统在低功率状态下运行，紫外激光器8的波长比可见光波长更短，更短的波长让紫外激光器8能够更精确地聚焦，从而在产生极其精细的电路特性的同时，还能保持优良的定位精度。
电解液箱15中的电解液为低浓度钝化性电解液。
本实施例中，基于微细电解加工理论，采用微细圆柱群电极进行了微细群孔电解加工工艺试验，研究了加工电压、脉冲宽度、电解液浓度、成分等因素对群孔加工精度的影响，结果表明，减小加工电压和脉冲宽度，采用低浓度钝化性电解液可以显著提高群孔电解加工精度。
如图1所示，本发明还提供了带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工装置，包括工作台3、电解电源5、转接结构9和电解液箱15，且工作台上表面固定安装有工作箱4，工作箱4上侧设有紫外激光器8和伺服进给装置10，且紫外激光器8设有聚集系统，工作台3、电解电源5、紫外激光器8、伺服进给装置10和电解液箱15均安装在机床上，转接结构9的一端固定安装在伺服进给装置10上，且转接结构9的另一端通过夹具1固定安装有工件2，工件2位于工作箱4中电解液的内部，紫外激光器8下侧固定装配有激光电解液耦合腔结构7，激光电解液耦合腔结构7下侧固定装配有管状电极6，且管状电极6位于工件2的上侧，电解电源5的正、负极分别与工件2、管状电极6电连接，电解液箱15上侧设有压力调节装置12、液压泵13和过滤器14，且激光电解液耦合腔结构7、压力调节装置12、液压泵13、过滤器14和电解液箱15依次通过输液管11相连通，压力调节装置12、液压泵13和过滤器14均与外接电源电连接。
管状电极6为中空并且侧壁绝缘的金属管。
本实施例中，管状电极6能使其侧壁电场分布受到绝缘层的限制，减少杂散腐蚀，管状电极6端面的圆周部分电力线较集中，电化学反应被限制在管状电极6与端面相对的区域，提高加工定域性。
电解电源5为高频脉冲电化学电源。
本实施例中，高频脉冲电化学电源可改变金属阳极极化特性使其超钝化在较高的电流密度下发生，加速阳极表面从钝化状态向超钝化状态的过渡过程，提高加工精度。
工作原理：首先，伺服进给装置10通过转接结构9调整管状电极6与工件2的相对加工位置，输液管11把过滤器14过滤后的电解液从电解液箱15里经过液压泵13、压力调节装置12、激光电解液耦合腔7、管状电极6喷射到工件2表面，产生稳定的电解液流体，进而紫外激光器8发射的紫外激光束通过管状电极6内孔，通过工作箱4内的电解液直接聚焦于工件2表面，通过“多光子吸收”产生光化学作用，进行激光铣削陶瓷热障涂层微孔，该孔深度为0.1～0.3mm，提高加工质量，同时，电解液流体以及溃灭的空化气泡产生的冲击力有效防止刻蚀的材料的二次黏附，提高加工深度，然后，采用小间隙加工、侧壁绝缘的管状电极6以及高频脉冲的电解电源5等电解加工方法刻蚀单晶合金微孔，该孔的深度为0.55～5.2mm，含0.05～0.2mm厚度的热障涂层中的金属粘结层，从而实现了无再铸层带热障涂层叶片气膜孔的冷加工，并利用钝化膜有效保护非加工区域避免杂散腐蚀，提高加工质量和精度，为带热障涂层涡轮叶片气膜孔的高质量高精度微细加工提供一种有效的方法和技术，本装置加工过程中无需改变零件装夹、无需更换管状电极，实现从孔加工到最终成型一次对刀，能有效改善微结构成型、提高结构强度，进而明显改善和提高微细加工质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、工件的安装定位：将工件通过夹具安装定位在转接结构上；
步骤2、伺服进给装置的安装定位：伺服进给装置安装在机床上；
步骤3、紫外激光器的安装定位：紫外激光器固定安装在机床上，并且紫外激光器设置有聚焦系统；
步骤4、激光电解液耦合腔结构的安装定位：激光电解液耦合腔结构安装定位在紫外激光器上；
步骤5、工作箱的安装：将工作箱安装固定在工作台上；
步骤6、管状电极的安装定位：将管状电极安装定位在激光电解液耦合腔结构上，通过伺服进给装置调整管状电极与工件的相对加工位置，输液管把过滤器过滤后的电解液从电解液箱里经过液压泵、压力调节装置、激光电解液耦合腔、管状电极喷射到工件表面，产生稳定的电解液流体；
步骤7、在激光加工时间内，通过伺服进给装置调整转接结构与工件的位置，快速移至激光加工起点，打开紫外激光器及聚焦系统，紫外激光束通过激光电解液耦合腔结构、管状电极内孔，在电解液中直接聚焦于工件表面，通过激光旋切法，加工陶瓷热障涂层微孔，提高加工质量；
步骤8、在电解加工时间内，转接结构与工件快速移至电解加工起点，打开电解电源，采用小间隙加工、侧壁绝缘管状电极以及高频脉冲电源等电解加工方法刻蚀单晶合金微孔，提高加工精度，从而在时间上分段进行激光加工和电解加工，实现带热障涂层叶片气膜孔的无再铸层加工。
2.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述步骤1中，转接结构的作用是连接伺服进给装置与夹具。
3.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述步骤4中，激光电解液耦合腔结构保证耦合腔内激光束通过电解液的厚度不大于5mm以及激光束与电解液流体同轴耦合出射。
4.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述步骤6中，从孔加工到最终成型采用一次对刀，采用Z轴湿对刀法测量辅助电极所在位置并减去辅助电极高度补偿值确定Z轴起点位置，根据此Z轴起点位置分别设置激光加工、电解加工的Z轴起点，XY平面CCD辅助对刀法利用CCD及镜头实现CCD辅助定位确定XY平面起点位置，具体为激光加工、电解加工共同的XY平面起点。
5.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述步骤7中，紫外激光器、聚焦系统、激光电解液耦合腔结构和管状电极是一体结构，一体结构是固定的、工件是移动的，或者一体结构是移动的、工件是固定的。
6.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述紫外激光器产生的激光为脉冲功率密度I>106W/cm2的紫外激光。
7.根据权利要求1所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法，其特征在于，所述电解液箱中的电解液为低浓度钝化性电解液。
8.带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工装置，其特征在于，包括工作台、电解电源、转接结构和电解液箱，且工作台上表面固定安装有工作箱，所述工作箱上侧设有紫外激光器和伺服进给装置，且紫外激光器设有聚集系统，所述工作台、电解电源、紫外激光器、伺服进给装置和电解液箱均安装在机床上，所述转接结构的一端固定安装在伺服进给装置上，且转接结构的另一端通过夹具固定安装有工件，所述工件位于工作箱中电解液的内部，所述紫外激光器下侧固定装配有激光电解液耦合腔结构，所述激光电解液耦合腔结构下侧固定装配有管状电极，且管状电极位于工件的上侧，所述电解电源的正、负极分别与工件、管状电极电连接，所述电解液箱上侧设有压力调节装置、液压泵和过滤器，且激光电解液耦合腔结构、压力调节装置、液压泵、过滤器和电解液箱依次通过输液管相连通，所述压力调节装置、液压泵和过滤器均与外接电源电连接。
9.根据权利要求8所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工装置，其特征在于，所述管状电极为中空并且侧壁绝缘的金属管。
10.根据权利要求8所述的带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工装置,其特征在于，所述电解电源为高频脉冲电化学电源。
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