CN110026677B - 异形气膜孔的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种异形气膜孔的激光加工方法，采用旋切扫描加工系统得到螺旋扫描线，利用平行平板的周期性偏摆使得螺旋扫描线实现往复平移，通过平行平板偏摆量及旋切扫描加工系统Z向进给量配合调整，使得螺旋扫描线进行往复平移及Z向进给运动，从而拟合出不同规格的异形孔结构。该异形气膜孔的激光加工方法可以提高加工精度和加工效率。

Description

异形气膜孔的激光加工方法
技术领域
本发明属于航空发动机激光精细加工技术领域，特别涉及一种异形气膜孔的激光加工方法。
背景技术
在航空发动机叶片、火焰筒零件中，为保证其在工作过程中自身温度稳定在安全阈值以下，通常需要在其表面加工出多个小孔用以通气降温。当前所设计的冷却孔一般为圆形，随着对冷却要求的提高，冷却孔的孔型逐渐由圆形向异形发展，如某种冷却孔下半段为圆柱段，而上半段的圆孔在一个方向逐渐拉长为跑道形，总体呈现出Y型，该类异形结构孔的设计极大的增加了加工难度。
在气膜孔加工工艺中，传统做法为电火花加工，因此衍生出采用成型电极一次性加工，或细长型电极分块加工来得到异形结构，但因电极损耗问题，该类方法加工精度较差。在采用激光加工异形气膜孔的方法中，有采用长脉冲大尺寸光斑进行分区域逐块蚀除材料，或从三个不同方向进行冲孔加工形成Y型孔，但所得到孔型精度均不好，且易损伤对壁材料。亦有采用类似振镜结构直接进行异形轨迹扫描，但不能实现大深度、无锥度孔的加工，孔型难以符合要求。此外，由于工件上冷却孔数量众多，因此对加工效率有较高的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可以提高加工精度和加工效率的异形气膜孔的激光加工方法。
一种异形气膜孔的激光加工方法，包括：
S1、通过激光器发射光束，采用旋切扫描加工系统使光束进行螺旋扫描运动，并通过聚焦镜聚焦以在工件上形成螺旋扫描线；
S2、采用平行平板以第一旋转方向偏转对螺旋扫描线进行往复平移，其中，根据所需异形孔的孔径确定所述平行平板对光束的偏移量，并计算出所述平行平板相对于中心光轴的初始偏转角度；
S3、所述平行平板以第二旋转方向偏转，且偏转角度与所述初始偏转角度相同，使得所述螺旋扫描线横向移动至中心光轴另一侧，且偏移距离与初始的偏移距离一致，等厚度去除扫描区域内工件材料，将旋切扫描模块下降，下降距离与去除的工件材料厚度一致，其中所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；
S4、所述平行平板以第一旋转方向偏转，且偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离；将所述旋切扫描模块下降，下降距离与S3中下降距离一致，继续去除材料；
S5、变换所述平行平板的旋转方向，且所述平行平板进行多次偏转，每次偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离直至所述平行平板偏转角度逐渐减小为零，所述平行平板姿态呈现水平状态，完成异形孔收缩段的加工；
S6、保持所述平行平板呈水平状态，减小所述旋切扫描加工系统的扫描直径，降低光束倾斜程度，使所述旋切扫描模块继续向下进给，以进行圆柱段排渣通道加工，直至圆柱段中心区域穿透，完成排渣通道的加工；
S7、抬升所述旋切扫描模块，使得光束焦点回复至圆柱段起始加工位置，改变所述螺旋扫描线的中心起始孔径，使其呈环形扫描，以去除圆柱段剩余部分材料，完成异形孔加工。
在其中一个实施例中，通过伺服电机或偏心距离可调的偏心轴电机对所述平行平板的偏移量进行调整。
在其中一个实施例中，通过偏心轴电机对所述平行平板的偏移量进行调整，在所述平行平板正向设有转动轴，在偏转侧设有开口状传动模块，所述传动模块通过两边的限位弹簧进行偏摆限位，所述偏心轴电机可在轴向上进行移动。
在其中一个实施例中，所述收缩段的加工中，扫描区域内能量密度一致。
在其中一个实施例中，所述收缩段的加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域的螺旋线圈数为1-3圈，随着环形区域直径增大而增加螺旋线圈数，最外侧环形区域螺旋线圈数为6-10圈，使得扫描区域内能量密度一致。
在其中一个实施例中，所述收缩段的加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域功率设置为最外环区域功率的10-30％，环形区域的功率大小设置则由内至外逐渐增大。
在其中一个实施例中，所述平行平板厚度t为3-6mm，所述螺旋扫描线偏移中心光轴距离D为0.5-1.5mm，所述平行平板初始转转角度为20-45°，所述螺旋扫描线的扫描直径为0.4-1mm，所述聚焦镜下光束的倾斜程度为1.8-3.5°。
在其中一个实施例中，步骤S3中，所述旋切扫描模块下降距离为0.01-0.05mm。
在其中一个实施例中，S4中，偏转角度较上一偏转角度小0.1-0.3°，偏移距离较上一次偏移距离小0.005-0.02mm。
在其中一个实施例中，保持所述平行平板呈水平状态，减小所述旋切扫描加工系统的扫描直径至0.1-0.3mm，所述光束倾斜程度降低1.2-2.0°。
在上述异形气膜孔的激光加工方法中，通过旋切扫描加工系统得到螺旋扫描线，并使螺旋扫描线按一定程序进行径向反复扫描及纵向进给运动，从而拟合得到异形结构孔，并在加工异形孔圆柱段时预先快速构建出排渣通道，促进加工效率提高。所述异形孔尺寸精度高，其收缩段的收缩线圆滑，收缩角可控，其平直段锥度可控，可实现柱形孔加工，孔内壁无烧蚀无重铸层，且加工效率高。
附图说明
图1为一实施方式的异形气膜孔加工方法原理示意图；
图2为一实施方式的平行平板偏转引起螺旋扫描线平移效果示意图；
图3为一实施方式的平行平板偏转运动过程示意图；
图4为另一实施方式的平行平板偏转运动过程示意图；
图中，1-光束，2-旋切扫描加工系统，3-平行平板，4-聚焦镜，5-螺旋扫描线，6-Z轴(中心光轴)，7-伺服电机，8-转动轴，9-传动模块，10-限位弹簧，11-偏心轴电机。
具体实施方式
请参阅图1～4，本发明提供一实施方式异形气膜孔的激光加工方法，包括以下步骤：
S1、通过激光器发射光束1，采用旋切扫描加工系统2使光束1进行螺旋扫描运动，并通过聚焦镜进行聚焦以在工件上形成螺旋扫描线。
具体地，其中旋切扫描加工系统2的锥度可控。采用聚焦镜进行聚焦。
S2、采用平行平板3以第一旋转方向偏转对螺旋扫描线进行往复平移，其中，根据所需异形孔的孔径确定平行平板3对光束的偏移量，并计算出平行平板3相对于中心光轴的初始偏转角度；
具体地，根据所需异形孔的孔径确定平行平板3对光束1的偏移量D，并通过公式
Figure GDA0002419526650000041
得出平行平板3相对于Z轴6的初始偏转角度；
式中，n表示介质折射率，t表示平行平板3的厚度，θ表示偏转角度，θ’表示折射角度。
平行平板的后续的偏转角度均可以根据上述公式计算出来，只需要将初始偏转角度替换为当次的偏转角度即可。
具体地，在一实施方式中，平行平板3厚度t为3-6mm，螺旋扫描线5偏移Z轴6距离D为0.5-1.5mm，平行平板3初始转转角度为20-45°，螺旋扫描线5的径向长度为0.4-1mm，聚焦镜4下光束1的倾斜程度为1.8-3.5°。具体地，第一旋转方向可以是顺时针也可以是逆时针。
具体地，在一实施方式中，通过伺服电机7或偏心距离可调的偏心轴电机11对平行平板3的偏移量进行调整。
具体地，在一实施方式中，当通过偏心轴电机11对平行平板3的偏移量进行调整，在平行平板3正向设有转动轴8，在偏转侧设有开口状传动模块9，传动模块9通过两边的限位弹簧10进行偏摆限位，偏心轴电机11可在轴向上进行移动。
S3、平行平板3以第二旋转方向偏转，且偏转角度与初始偏转角度相同，使得螺旋扫描线横向移动至中心光轴的另一侧，且偏移距离与初始偏移距离一致，等厚度去除扫描区域内工件材料，将旋切扫描模块下降，下降距离与去除的工件材料厚度一致，其中第二旋转方向与所述第一旋转方向相反。
具体地，当平行平板3第一旋转方向为顺时针时，此时逆时针偏转平行平板3，让其经水平状态反向偏转至与初始的偏转角度相同位置，使得螺旋扫描线5横向移动至Z轴6另一侧，且偏移距离与初始状态一致。在其他实施例中，也可以先顺时针偏转平行平板后再逆时针偏转，效果相同。
S4、平行平板3以第一旋转方向偏转，且偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离；将旋切扫描模块下降，下降距离与S3中下降距离一致，继续去除材料。
具体地，在一实施方式中，通过Z轴带动旋切扫描模块下降0.01-0.05mm，该距离与激光去除工件材料厚度一致。
S5、变换所述平行平板的旋转方向，且所述平行平板进行多次偏转，每次偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离直至平行平板3偏转角度逐渐减小为零，平行平板3姿态呈现水平状态，完成异形孔收缩段的加工。
在一实施方式中，收缩段加工中，扫描区域内能量密度一致。
在一实施方式中，收缩段加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域的螺旋线圈数为1-3圈，随着环形区域直径增大而增加螺旋线圈数，最外环区域螺旋线圈数为6-10圈，使得扫描区域内能量密度一致。
具体地，由于各层螺旋扫描线角速度相等而线速度不等，从而导致扫描中心区域能量密度高，因此将螺旋扫描范围沿径向分为3-10个圆形和环形区域(中心区域为圆形，其余为环形)，分别调整各环形区域的螺旋线圈数，中心区域的螺旋线圈数可设为1-3圈，随着环形区域直径增大而增加螺旋线圈数，最外环形区域螺旋线圈数可设为6-10圈，这样使得扫描区域内能量密度一致，以实现整体扫描区域内材料等厚度去除效果。
在另一实施方式中，中心区域功率设置为较小值，可设为最外环区域功率的10-30％，过渡环形区域的功率大小设置则逐渐变化。
具体地，在一实施方式中，收缩段加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域功率设置为最外环区域功率的10-30％，环形区域的功率大小设置则由内至外逐渐增大。
具体地，在一实施方式中，顺时针偏转平行平板3，让其经水平状态反向偏转，偏转角度比初始偏转角度小0.1-0.3°，螺旋扫描线5移动至初始状态一侧，且偏移中心光轴距离比初始距离小0.005-0.02mm，采用Z轴将降低与步骤S3中同等距离，然后变换平行平板偏转方向进行多次偏转，每次偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离，直至平行平板3偏转角度逐渐减小为零，此时往复偏转总次数为50-200次，平行平板3姿态呈现水平状态，螺旋扫描线5处于中心位置不动，完成异形孔收缩段的加工。
S6、保持平行平板3呈水平状态，减小所述旋切扫描加工系统2的扫描直径，降低光束倾斜程度，使旋切扫描模块继续向下进给，以进行圆柱段排渣通道加工，直至圆柱段中心区域穿透，完成排渣通道的加工。
具体地，在一实施方式中，平行平板3保持偏转角度为零不变，减小旋切扫描加工系统2的扫描直径至0.1-0.3mm，调整旋切扫描加工系统2参数使得光束倾斜程度降低为1.2-2.0°，以避免小孔加工时易出现的挡光现象，取消对螺旋线圈数、功率等进行分区域调整，使得扫描区域内中心能量相对较高，Z轴带动旋切扫描模块继续向下进给，以进行下端圆柱段排渣通道加工，直至圆柱段中心区域快速率先穿透，完成排渣通道的加工。
S7、抬升所述旋切扫描模块，使得光束1焦点回复至圆柱段起始加工位置，改变螺旋扫描线5的中心起始孔径，使其呈环形扫描，以去除圆柱段剩余部分材料，完成异形孔加工。
具体地，在一实施方式中，Z轴向上抬升，使得激光光束1焦点回复至异形孔圆柱段起始加工位置，改变螺旋扫描线5的中心起始孔径，使其呈环形扫描，以去除异型孔圆柱段剩余部分材料最终完成整个异形孔加工。通过对其螺旋线圈数、功率等进行分区域调整，使得圆柱段在加工过程中其孔底部呈平底形式，使得激光焦点可投射在水平面上，相比斜面而言，其聚焦光斑面积不会被“拉”大，从而维持较高的加工能力。
在上述异形气膜孔的激光加工方法，具有以下优点：
(1)采用旋切扫描加工系统得到螺旋扫描线，利用平行平板的周期性偏摆使得螺旋扫描线实现往复平移，通过平行平板偏摆量及旋切扫描加工系统Z向进给量配合调整，使得螺旋扫描线进行往复平移及Z向进给运动，从而拟合出不同规格的异形孔结构。
(2)通过伺服电机或偏心距离可调的偏心轴电机可实现平行平板偏移量控制调整。
(3)在异形孔加工的不同阶段分别进行轨迹规划及能量密度调控，以实现不同的效果。加工收缩段时，通过调控使得扫描区域内能量密度一致，以实现全扫描区域内材料去除厚度一致，从而保证孔型拟合精度。
加工排渣通道时，可使得中心区域能量密度大于边缘区域，并减小光束倾斜度，以实现异形孔快速穿透及避免挡光。加工圆柱段时，实行环形扫描，并通过调控使得圆柱状在加工过程中其孔底部呈平底形式，使得激光焦点可投射在水平面上，相比斜面而言，其聚焦光斑面积不会被“拉”大，从而维持较高的加工能力。在圆柱段加工时，首先预先构建出排渣通道以促进加工效率提高。
(4)采用的旋切扫描加工系统可实现锥度可控，从而保证异形孔直孔状态并可实现大深度孔的加工。
(5)以超快脉冲激光为光源可获得无烧蚀残渣无重铸层的优良加工质量。
实施例1
一种Y型气膜孔的加工方法，采用如下步骤：
(1)以飞秒红外激光为光源，采用锥度可控的旋切扫描加工系统2使光束进行螺旋扫描运动，光束通过聚焦镜4进行聚焦后，再经平行平板3控制扫描轨迹。平行平板3通过如图3中所示伺服电机7进行控制，对光束的平移效果如图2所示。
平行平板3厚度为5mm，螺旋扫描线5偏离中心位置1mm，首先使其进行顺时针偏摆33°，所述螺旋扫描直径为φ0.5mm。然后开启旋切扫描加工系统，将螺旋扫描范围沿径向分为4个圆形或环形区域，其中中心区域螺旋线圈数为2圈，其余环形区域螺旋圈数分别增加为4圈、6圈、8圈。
(2)逆时针回转平行平板，让其经水平状态反向偏转至相同角度，使得螺旋扫描线横向移动至中心光轴另一侧，且偏移距离与初始状态一致，Z轴带动旋切扫描模块下降0.02mm，该距离与激光去除材料厚度一致。
(3)再顺时针偏转平行平板3，让其经水平状态反向偏转，偏转角度比初始偏转角度小0.22°，螺旋扫描线移动至初始状态一侧，且偏移中心光轴距离比初始距离小0.006mm。
(4)变换平行平板3偏转方向重复步骤(3)，直至平行平板3偏转角度为零，姿态呈现水平状态，此时往复偏转总次数为150次，螺旋扫描线处于中心位置不动，完成异形孔收缩段的加工。
(5)平行平板3保持偏转角度为零不变，减小旋切扫描加工系统的扫描直径至0.25mm，调整旋切扫描加工系统参数使得光束倾斜程度降低为1.5°，取消对螺旋线圈数的分区域调整，使得扫描区域内中心能量相对较高，Z轴带动旋切扫描模块继续向下进给，以进行下端圆柱孔排渣通道加工，直至圆柱孔中心区域快速率先穿透，完成排渣通道的加工。
(6)Z轴向上抬升，使得激光焦点回复至异形孔圆柱段起始加工位置，改变螺旋扫描线的中心起始孔径为0.3mm，使其呈环形扫描，以去除异型孔圆柱段剩余部分材料，通过对其螺旋线圈数进行分区域调整，使得异型孔圆柱段在加工过程中其孔底部呈平底形式。Z轴随各层扫描的完成而逐渐进给，最终完成整个异型孔的加工。
实施例2
本实施例相对于实施例1的不同之处在于，如图4所示，在平行平板正向增加转动轴8，在偏转侧增加开口状传动模块9，传动模块9通过两边的限位弹簧10进行偏摆限位，将伺服电机7改为偏心轴电机11，同时偏心轴电机11可在轴向上进行移动。异形孔加工初始阶段，偏心轴电机11距离平行平板4较近，其旋转时，通过传动模块9将旋转运动转换为直线往复运动，从而带动平行平板4进行往复偏移，随着偏心轴电机11远离平行平板4移动，则平行平板4往复摆动幅度逐渐变小，并最终呈水平静止状态。这种采用偏心轴将旋转运动转换为直线运动的方式，在可带动平行平板4偏转的同时，可降低对伺服电机响应性能的要求。
在其他实施例中，可以根据异性孔的参数要求合理调整加工参数，在此不再赘述。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，包括：
S1、通过激光器发射光束，采用旋切扫描加工系统使光束进行螺旋扫描运动，并通过聚焦镜聚焦以在工件上形成螺旋扫描线；
S2、采用平行平板以第一旋转方向偏转对螺旋扫描线进行往复平移，其中，根据所需异形孔的孔径确定所述平行平板对光束的偏移量，并计算出所述平行平板相对于中心光轴的初始偏转角度；
S3、所述平行平板以第二旋转方向偏转，且偏转角度与所述初始偏转角度相同，使得所述螺旋扫描线横向移动至中心光轴另一侧，且偏移距离与初始的偏移距离一致，等厚度去除扫描区域内工件材料，将旋切扫描模块下降，下降距离与去除的工件材料厚度一致，其中所述第二旋转方向与所述第一旋转方向相反；
S4、所述平行平板以第一旋转方向偏转，且偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离；将所述旋切扫描模块下降，下降距离与S3中下降距离一致，继续去除材料；
S5、变换所述平行平板的旋转方向，且所述平行平板进行多次偏转，每次偏转角度小于上一次偏转角度，偏移距离小于上一次偏移距离，直至所述平行平板偏转角度逐渐减小为零，所述平行平板姿态呈现水平状态，完成异形孔收缩段的加工；
S6、保持所述平行平板呈水平状态，减小所述旋切扫描加工系统的扫描直径，降低光束倾斜程度，使所述旋切扫描模块继续向下进给，以进行圆柱段排渣通道加工，直至圆柱段中心区域穿透，完成排渣通道的加工；
S7、抬升所述旋切扫描模块，使得光束焦点回复至圆柱段起始加工位置，改变所述螺旋扫描线的中心起始孔径，使其呈环形扫描，以去除圆柱段剩余部分材料，完成异形孔加工。
2.根据权利要求1所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，通过伺服电机或偏心距离可调的偏心轴电机对所述平行平板的偏移量进行调整。
3.根据权利要求1所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，通过偏心轴电机对所述平行平板的偏移量进行调整，在所述平行平板正向设有转动轴，在偏转侧设有开口状传动模块，所述传动模块通过两边的限位弹簧进行偏摆限位，所述偏心轴电机可在轴向上进行移动。
4.根据权利要求1所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，所述收缩段的加工中，扫描区域内能量密度一致。
5.根据权利要求4所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，所述收缩段的加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域的螺旋线圈数为1-3圈，随着环形区域直径增大而增加螺旋线圈数，最外侧环形区域螺旋线圈数为6-10圈，使得扫描区域内能量密度一致。
6.根据权利要求4所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，所述收缩段的加工中，将螺旋扫描范围沿径向分为圆形和环形区域，其中，中心区域为圆形，其余为环形，中心区域功率设置为最外环区域功率的10-30％，环形区域的功率大小设置则由内至外逐渐增大。
7.根据权利要求1所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，所述平行平板厚度t为3-6mm，所述螺旋扫描线偏移中心光轴距离D为0.5-1.5mm，所述平行平板初始偏转角度为20-45°，所述螺旋扫描线的扫描直径为0.4-1mm，所述聚焦镜下光束的倾斜程度为1.8-3.5°。
8.根据权利要求7所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，步骤S3中，所述旋切扫描模块下降距离为0.01-0.05mm。
9.根据权利要求7所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，S4中，偏转角度较上一偏转角度小0.1-0.3°，偏移距离较上一次偏移距离小0.005-0.02mm。
10.根据权利要求6所述的异形气膜孔的激光加工方法，其特征在于，保持所述平行平板呈水平状态，减小所述旋切扫描加工系统的扫描直径至0.1-0.3mm，所述光束倾斜程度降低1.2-2.0°。
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