CN110202277B - 一种航空发动机叶片气膜孔加工装置及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航空发动机叶片气膜孔加工装置及工作方法，包括工作箱，工作箱内设有装夹机构，装夹机构用于夹持工件，所述工件箱上部连接有内部空间与工作箱内部空间连通的罩体，所述罩体顶端连接有激光加工机构，所述激光加工机构能够产生激光射线，对工作箱内的工件进行激光加工，所述罩体与供液机构及酸气过滤机构连接，所述供液机构能够向工件箱内工件喷射酸性溶液，工作箱能够对酸性溶液进行收集，所述酸气过滤机构能够过滤加工过程中产生的酸性蒸汽，本发明的加工装置能有效去除重铸层，提高了气膜孔加工质量。

Description

一种航空发动机叶片气膜孔加工装置及工作方法
技术领域
本发明涉及机械加工设备技术领域，具体涉及一种航空发动机叶片气膜孔加工装置及工作方法。
背景技术
航空发动机的叶片通常由镍基合金制成，能够在700℃以上的温度下工作，在较长时间内保持其机械和物理性能，特别是强度和耐腐蚀性。但由于低导热率、高韧性、强加工硬化、高耐磨碳化物颗粒的存在和形成边缘的强烈倾向，这些合金是非常难加工的。
由于发动机工作在这样极端的温度下，叶片必须在工作过程中进行冷却。叶片可以通过气膜孔进行冷却。气膜孔的作用是提供冷却气体流，覆盖叶片的轮廓，从而降低其工作温度。为了获得良好的冷却效率，在叶片表面上加工了具有不同角度和排列方式的许多孔。这些孔直径大小在0.2mm到0.8mm之间，属于小孔的范畴，并且具有复杂的空间角度，其加工质量和精度是影响涡轮叶片和航空发动机性能的关键因素。
目前，气膜孔的加工采用激光钻孔技术进行，发明人发现，激光加工过程中，孔内容易产生重铸层，严重影响了气膜孔的加工质量。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种航空发动机叶片气膜孔加工装置，能够有效去除激光加工气膜孔产生的重铸层，提高了气膜孔的加工质量。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种航空发动机叶片气膜孔加工装置，包括工作箱，工作箱内设有装夹机构，装夹机构用于夹持工件，所述工件箱上部连接有内部空间与工作箱内部空间连通的罩体，所述罩体顶端连接有激光加工机构，所述激光加工机构能够产生激光射线，对工作箱内的工件进行激光加工，所述罩体与供液机构及酸气过滤机构连接，所述供液机构能够向工件箱内工件喷射酸性溶液，工作箱能够对酸性溶液进行收集，所述酸气过滤机构能够过滤加工过程中产生的酸性蒸汽。
激光加工机构能够对工件进行激光钻孔，供液机构能够向工作箱内注入常温下不与工件发生化学反应的酸性溶液，钻孔完成后，激光能够加热钻孔区域的酸性溶液，酸性溶液与激光加工过程产生的重铸层产生化学反应，去除重铸层。
进一步的，所述供液机构包括用于盛放酸性溶液的储液箱，所述储液箱通过供液管路与罩体连接，供液管路端部设有伸入罩体内部的喷嘴，所述供液管路连接有驱动泵，所述驱动泵能够驱动储液箱内的酸性溶液进入工作箱。
进一步的，所述喷嘴与机械手连接，所述机械手用于调节喷嘴的位置。
进一步的，所述供液管路还连接有稳压罐，所述稳压罐用于保持溶液的输出压力。
进一步的，所述工作箱内设有隔板，所述隔板将工作箱内空间分为储液区及排液区，所述工件装夹机构位于储液区内部，所述隔板设有开口，所述开口处设有开关门，所述开关门能够控制储液区和排液区的导通和关闭，所述排液区通过回液管路与储液箱连接，排液区内的酸性溶液能够通过回液管路进入储液箱。
进一步的，所述酸气过滤机构包括用于盛放碱性溶液的酸气过滤箱，所述酸气过滤箱与吸风管的一端连接，吸风管的另一端与罩体连接，罩体内的酸性蒸汽能够通过吸风管进入酸气过滤箱，酸气过滤箱设有排气管，用于排出酸气过滤箱内的过滤后气体，所述吸风管连接有风机，所述风机能够驱动罩体内的酸性蒸汽进入酸气过滤池。
进一步的，所述激光加工机构包括激光器，所述激光器通过光纤与扫描振镜连接，所述扫描振镜与罩体顶端固定连接。
进一步的，所述罩体包括上部支架、下部支架及柔性透明罩，所述上部支架与扫描振镜固定连接，下部支架与工作箱固定连接，上部支架与下部支架之间连接有柔性透明罩。
进一步的，所述扫描振镜与竖向驱动机构连接，竖向驱动机构能够驱动扫描振镜沿竖直方向运动，所述工作箱与三轴工作台连接，所述三轴工作台能够驱动工作箱沿水平面相互垂直的第一方向及第二方向运动，能够驱动工作箱绕竖直方向的转动，所述工件夹装机构与驱动电机连接，所述驱动电机固定在工作箱的侧箱壁，驱动电机能够驱动工件夹装机构的转动。
本发明还公开了一种航空发动机叶片气膜孔加工装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：打开罩体，将待加工工件与工件装夹机构固定连接。
步骤2：利用供液机构向工作箱内注入常温下不与工件发生化学反应的酸性溶液，使酸性溶液液面没过工件待加工位置设定距离。
步骤3：供液机构以0.7Mpa-0.9Mpa压力向工件喷射酸性溶液，在工件表面形成薄水层，激光加工机构对工件进行激光钻孔。
步骤4：钻孔完成后，供液机构以0.05Mpa-0.15Mpa压力向工件喷射酸性溶液，工件浸没在酸性溶液中，激光加热钻孔区域的酸性溶液，被加热的酸性溶液与激光加工产生的重铸层产生化学反应，将重铸层去除。
本发明的有益效果：
1.本发明的加工装置，通过设置供液机构，可以向工作箱内的工件喷射酸性溶液，使工件浸没在酸性溶液中，激光加热钻孔区域的酸性溶液，被加热的酸性溶液与激光加工产生的重铸层产生高温化学反应，去除重铸层，有效改善了工件的加工质量。
2.本发明的加工装置，工作箱与储液箱通过回液管路连接，实现了酸性溶液的重复利用，节省了资源。
3.本发明的加工装置，具有酸气过滤机构，能够对加工过程中产生的酸性蒸汽进行过滤，防止酸性蒸汽扩散到外部环境中，避免了对实验人员身体健康的危害和对外部环境的污染。
4.本发明的加工装置，罩体具有柔性透明罩，既方便了对加工过程的实时观察，又实现了扫描透镜与工作箱的运动相互不受影响，满足了工件不同位置的加工需求。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1整体结构示意图；
图2为本发明实施例1工作箱内部结构示意图；
图3为本发明图2中的A处放大图；
图4为本发明实施例1工作箱俯视示意图；
图5为本发明实施例1工作箱侧视示意图；
图6为本发明图4中的B处放大图；
图7为本发明实施例1连接轴与U型连接板装配主视示意图；
图8为本发明实施例1连接轴与U型连接板装配侧视示意图；
图9为本发明实施例1工作箱、供液机构、酸气过滤机构、罩体及激光加工机构装配示意图；
图10为本发明实施例1回液接头主视示意图；
图11为本发明实施例1回液接头俯视示意图；
图12为本发明实施例1上部支架俯视示意图；
图13为本发明实施例1上部支架侧视示意图；
图14为本发明实施例1上部支架主视示意图；
图15为本发明实施例1工作原理示意图；
其中，1.工作箱，1-1.隔板，1-2.卡槽结构，1-3.开关门，1-4.回液口，2.罩体，2-1.下部支架，2-2.上部支架，2-3.柔性透明罩，3.供液机构，3-1.储液池，3-2.储液池盖，3-3.隔膜泵，3-4.稳压罐，3-5.供液管路，3-6.玻璃喷头夹具，3-7.喷嘴，3-8.出液口，4.酸气过滤机构，4-1.酸气过滤池，4-2.酸气过滤池盖，4-3.吸风管，4-4.风机，4-5.吸风管支架，4-6.排气管，4-7.第二排液管，5.激光加工机构，5-1.扫描振镜，5-2.光纤头，5-3.光纤，5-4.激光器，6.连接轴，7.U型连接板，8.连接部，9.夹持部，10.挡台，11.端盖，12.固定螺母，13.联轴器，14.伺服电机，15.机械手，16.工件，17.回液接头，18.回液接口，19.第一排液管，20.控制系统，21.高透光玻璃。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有的气膜孔采用激光加工时，容易产生重铸层，影响加工质量，针对上述问题，本申请提出了一种航空发动机叶片气膜孔加工装置。
本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-15所示，一种航空发动机叶片气膜孔加工装置，包括工作箱1、罩体2、供液机构3、酸气过滤机构4、激光加工机构5及控制系统6。
所述工作箱上部敞口设置，所述工作箱内固定有隔板1-1，所述隔板将工作箱内空间分为储液区和排液区，所述储液区内设有工件装夹机构，所述工件装夹机构用于夹持工件，所述隔板上设置有开口，所述开口处设置有卡槽结构1-2，所述卡槽结构中插入有开关门1-3，开关门插入或拔出卡槽，能够控制开口的打开和关闭，进而控制储液区和排液区的连通和关闭。
所述工作箱固定在一个三轴工作台上，所述三轴工作台采用现有常用的三轴工作台即可，能够驱动工作箱在水平面内沿两个相互垂直的第一方向和第二方向运动，并且能够驱动工作箱沿与第一方向及第二方向所在平面垂直的竖直方向的转动。
所述工件装夹机构包括连接轴6，所述连接轴穿过工作箱的侧部箱壁，与U型连接板7固定连接，所述U型连接板通过螺栓与夹持头连接，所述夹持头包括连接部8和夹持部9，所述连接部通过螺栓与U型连接板固定连接，所述夹持部的形状与待加工的扇叶端部形状相匹配，能够夹紧待加工的扇叶，实际加工中，可加工一系列夹持头，一系列夹持头可采用相同的连接部，夹持部可根据扇叶的具体规格进行设置，采用同一套连接轴及U型连接板即可固定多种规格的扇叶，只需要更换不同的夹持头即可。
所述工作箱侧壁的两侧的连接轴轴段上分别设有挡台10及端盖11，用于对连接轴在工作箱上的位置进行限位，防止连接轴沿其轴向运动，所述端盖通过螺栓与工作箱的侧部箱壁固定连接，端盖与工作箱的侧部箱壁之间设有密封圈，用于防止工作箱内溶液泄漏，所述端盖的一侧旋紧有两个固定螺母12，靠近端盖的螺母将端盖压紧在工作箱的侧部箱壁上，对端盖起到限位作用，另一个固定螺母起到防松作用。
所述连接轴通过联轴器13与伺服电机14的输出轴连接，伺服电机能够驱动工件装夹机构的转动。
所述工作箱的上部与罩体连接，所述罩体为锥台状结构，其内部空间与工作箱内部空间相连通，罩体包括下部支架2-1、上部支架2-2及固定在上部支架和下部支架之间的柔性透明罩2-3，所述下部支架与工作箱上部可拆卸连接，所述上部支架与激光加工机构连接。
所述激光加工机构包括扫描振镜5-1，所述扫描振镜的镜头与上部支架固定连接，扫描振镜通过光纤头5-2、光纤5-3与激光器5-4连接，所述激光器采用波长为1064nm的铷镱石榴石脉冲光纤激光器，所述光纤能够导出脉冲激光器产生的激光，所述光纤头对光纤导出的激光进行扩束、准直等整形操作后输入到扫描振镜中，扫描振镜能够通过控制系统对激光进行控制得到所需的加工路径，对工件进行激光钻孔加工。
所述光纤头采用现有光纤头即可，只要满足对激光的扩束、准直等功能要求即可。
所述扫描振镜与竖向驱动机构连接，竖向驱动机构能够驱动扫描振镜沿竖直方向的升降运动，所述竖向驱动机构采用现有机构即可，如竖向丝杠传动机构等，其具体结构在此不进行详细叙述。
由于罩体采用了柔性透明罩，所以竖向驱动机构和三轴工作台的工作相互不影响，而且方便了对加工过程进行观察。
所述罩体连接有供液机构3，所述供液机构包括用于盛放酸性溶液的储液箱，储液箱内的酸性溶液要求在常温(15℃-30℃)下不与工件发生化学反应，加热至一定温度后可与工件激光加工产生的重铸层发生反应，所述储液箱通过由硅胶材质制成的供液管路与罩体连接，所述储液箱内的酸性溶液可通过供液管路进入工作箱，所述储液箱包括储液池3-1，所述储液池可拆卸的连接有储液池盖3-2，所述储液池盖上安装有与供液管路连接的驱动泵和稳压罐3-4，并设有出液口3-8，用于供液管路与储液箱连接，所述驱动泵可采用隔膜泵3-3，能够驱动储液池内的酸性溶液进入工作箱，所述稳压罐能够缓冲隔膜泵的脉动效应，使得供液管路能够稳定输出酸性溶液。
所述供液管路3-5伸入罩体内的端部通过玻璃喷头夹具3-6连接有喷嘴3-7，喷嘴用于将设定压力的酸性溶液喷向工件，所述喷嘴与水平面的夹角为15°，使喷出的溶液能够更好的集中在加工区域。
所述玻璃喷头夹具与机械手15连接，机械手与扫描振镜固定连接，所述机械手能够控制喷嘴的位置，使喷嘴位置满足加工需求，与之相匹配的，柔性透明罩上开设有用于喷嘴穿过及调整位置的开口。
所述上部支架的顶端设置有高透光玻璃21，所述高透光玻璃通过上部支架顶端设置的凹槽与上部支架固定连接，起到对加工环境的密闭作用，防止具有腐蚀性的酸性溶液飞溅到扫描振镜的场镜镜头上，以及把在加工过程中因受热产生的酸汽保留在柔性透明罩的内部区域，能够有效防止加工过程中酸性溶液对扫描振镜镜头产生污染。
所述工作箱的排液区与储液箱之间还连接有回液管路，所述回液管路包括与工作箱底部箱壁固定连接的回液接头17，所述回液接头为倒锥形结构，通过工作箱设置的回液口1-4与排液区内部空间连通，所述回液接头通过由硅胶材质制成的回液管及设置在储液箱盖的回液接口18与储液箱连接，排液区内的酸性溶液可流经回液接头、回液管进入储液箱，实现了酸性溶液的循环利用。
所述储液池侧壁底部设有第一排液管19，所述第一排液管上设有第一排液阀，第一排液管用于将储液池内的酸性溶液排出。
所述罩体还连接有酸气过滤机构，所述酸气过滤机构包括用于盛装弱碱性溶液的酸气过滤箱，所述酸气过滤箱包括可拆卸连接的酸气过滤池4-1和酸气过滤池盖4-2，所述酸气过滤池盖与吸风管4-3的一端连接，吸风管的另一端伸入罩体内部，所述吸风管上连接有风机4-4，所述风机与酸气过滤池盖固定连接，所述风机采用涡轮叶片，工作时，能够产生足够的负压，对罩体内的酸性蒸汽进行吸收，使酸性蒸汽进入酸气过滤池内部。
所述吸风管通过L型的吸风管支架4-5与扫描振镜连接，能够实现吸风管与扫描振镜的随动。
所述酸气过滤池盖上设置有排气管4-6，用于排出酸气过滤池内过滤后的气体，所述酸气过滤池的侧壁底部设有第二排液管4-7，所述第二排液管设有第二排液阀，所述第二排液管用于排出酸气过滤池内的液体。
本实施例中，供液管路与吸风管通过罩体相对的两侧侧面伸入罩体内部。
本实施例中，所述隔膜泵、风机、激光加工机构、伺服电机、三轴工作台、竖向驱动机构等均与控制系统连接，由控制系统控制其工作。
实施例2：
本实施例公开了一种航空发动机叶片气膜孔加工装置的工作方法：包括以下步骤：
步骤1：打开罩体，将待加工的航空发动机的叶片16固定在夹持头上。
步骤2：将罩体罩在工作箱上，将所需加工气膜孔的叶片材质以及叶片气膜孔的阵列程序输入控制系统，中心控制系统通过加工材质调取系统库中的激光加工参数，通过阵列程序生成激光加工路径；控制竖向驱动机构，将扫描振镜调整至合适位置；控制伺服电机及三轴工作台，将叶片位置调整至所需要加工的位置；控制机械手将喷嘴调整至合适位置，隔膜泵工作，向储液区内注入酸性溶液，液位没过叶片待加工位置2mm，酸性溶液可采用3mol/L的盐酸饱和溶液或4mol/L的硝酸钠饱和溶液，在常温下不会与叶片发生化学反应。
步骤3：控制系统控制隔膜泵工作，喷嘴向工件喷射0.8Mpa的酸性溶液，形成高速射流，在工件表面形成一层厚度约为0.2mm的薄水层，激光器工作，产生的激光射线镜扫描振镜射出，对叶片进行钻孔加工。
步骤4：钻孔加工完成后，根据程序设定，调整扫描振镜的离焦量，并调高激光的频率，使其加热溶液效果更均匀。隔膜泵以0.1Mpa的压力向工件喷射酸性溶液，由于喷射压力较小，所以工件浸没在酸性溶液中，待加工区域表面能够形成3-4mm厚的溶液层。工件上方水层厚度的增加使溶液对激光的吸收程度变大，在步骤3中加工出的孔内区域的酸性溶液温度升高，使酸性溶液与激光加工形成的重铸层产生化学反应，将重铸层进行去除。重铸层去除过程中，喷嘴向工件喷射较小压力的酸性溶液，能够使溶液具有一定的流动性，一方面能防止溶液过热发生沸腾，影响加工效果，另一方面又能及时带走从孔内溢出的高温酸性溶液，防止孔口附近的基体组织发生过腐蚀。
加工过程中，补充进入加工区域的溶液能够及时从工作箱的储液区经隔板顶部溢出，从回液口留回至储液箱实现了酸性溶液的循环利用。
加工过程中，产生的酸性蒸汽可在风机的作用下由吸风管进入酸气过滤池，由酸气过滤池内盛装的弱碱性溶液进行中和反应，实现过滤，过滤后的气体经排气管排出,弱碱性溶液可采用15％的氢氧化钙溶液，也可采用其他弱碱性溶液，满足中和反应需求即可。
控制系统控制三轴工作台、伺服电机、机械手、竖向驱动机构的工作，调节工件的位置，采用步骤3-步骤4，对叶片不同部位的气膜孔进行加工，叶片加工完成后，打开罩体，打开开关门，加工箱储液区剩余溶液通过回液管路进入储液箱，取下叶片，然后对叶片进行清洗，完成了叶片气膜孔的加工。
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 (9)

1.一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，所述加工方法在航空发动机叶片气膜孔加工装置内进行，所述加工装置包括工作箱，工作箱内设有装夹机构，装夹机构用于夹持工件，所述工作箱上部连接有内部空间与工作箱内部空间连通的罩体，所述罩体顶端连接有激光加工机构，所述激光加工机构能够产生激光射线，对工作箱内的工件进行激光加工，所述罩体与供液机构及酸气过滤机构连接，所述供液机构能够向工作箱内工件喷射酸性溶液，工作箱能够对酸性溶液进行收集，所述酸气过滤机构能够过滤加工过程中产生的酸性蒸汽，所述工作箱内设有隔板，所述隔板将工作箱内空间分为储液区及排液区；所述酸气过滤机构包括用于盛放碱性溶液的酸气过滤箱，所述酸气过滤箱与吸风管的一端连接，吸风管的另一端与罩体连接，罩体内的酸性蒸汽能够通过吸风管进入酸气过滤箱，所述吸风管通过L型的吸风管支架与扫描振镜连接；
包括以下步骤：
步骤1：打开罩体，将待加工工件与工件装夹机构固定连接；
步骤2：利用供液机构向工作箱内注入常温下不与工件发生化学反应的酸性溶液，使酸性溶液液面没过工件待加工位置设定距离；
步骤3：供液机构以0.7Mpa-0.9Mpa压力向工件喷射酸性溶液，在工件表面形成薄水层，激光加工机构对工件进行激光钻孔；
步骤4：钻孔完成后，供液机构以0.05Mpa-0.15Mpa压力向工件喷射酸性溶液，工件浸没在酸性溶液中，激光加热钻孔区域的酸性溶液，被加热的酸性溶液与激光加工产生的重铸层产生化学反应，将重铸层去除。
2.如权利要求1所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，供液机构包括用于盛放酸性溶液的储液箱，所述储液箱通过供液管路与罩体连接，供液管路端部设有伸入罩体内部的喷嘴，所述供液管路连接有驱动泵，所述驱动泵能够驱动储液箱内的酸性溶液进入工作箱。
3.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，所述喷嘴与机械手连接，所述机械手用于调节喷嘴的位置。
4.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，所述供液管路还连接有稳压罐，所述稳压罐用于保持溶液的输出压力。
5.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，工件装夹机构位于储液区内部，隔板设有开口，所述开口处设有开关门，所述开关门能够控制储液区和排液区的导通和关闭，所述排液区通过回液管路与储液箱连接，排液区内的酸性溶液能够通过回液管路进入储液箱。
6.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，酸气过滤箱设有排气管，用于排出酸气过滤箱内的过滤后气体，吸风管连接有风机，所述风机能够驱动罩体内的酸性蒸汽进入酸气过滤池。
7.如权利要求2所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，激光加工机构包括激光器，所述激光器通过光纤与扫描振镜连接，所述扫描振镜与罩体顶端固定连接。
8.如权利要求7所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，所述罩体包括上部支架、下部支架及柔性透明罩，所述上部支架与扫描振镜固定连接，下部支架与工作箱固定连接，上部支架与下部支架之间连接有柔性透明罩。
9.如权利要求8所述的一种航空发动机叶片气膜孔加工方法，其特征在于，所述扫描振镜与竖向驱动机构连接，竖向驱动机构能够驱动扫描振镜沿竖直方向运动，所述工作箱与三轴工作台连接，所述三轴工作台能够驱动工作箱沿水平面相互垂直的第一方向及第二方向运动，能够驱动工作箱绕竖直方向的转动，工件装夹机构与驱动电机连接，所述驱动电机固定在工作箱的侧箱壁，驱动电机能够驱动工件装夹机构的转动。
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