CN110732778B - 一种基于3d打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，该检验方法涉及航空整体构件的激光喷丸工艺设计领域，利用非金属3D打印制造效率高、精确空间复制的技术优势，将几何外形复杂、加工耗时长、零件成本高的航空整体构件进行快速原型制造，以复制品作为试验件进行光路可达性检验。本发明以快速原型制造解决低成本工艺设计需求与高昂零件成本之间的矛盾，避免了零件激光烧蚀损坏和高能激光反射，使得激光喷丸工艺设计更加高效经济，尤其适合航空发动机叶片、整体叶盘等回转体的激光喷丸工艺设计与检验。

Description

一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法

技术领域

本发明涉及航空整体构件的表面处理技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法。

背景技术

航空发动机叶片、涡轮盘、整体叶盘等构件在高温、高压、高负载下运行，对高周疲劳寿命有苛刻的要求。激光喷丸技术是目前最有效、最适合航空回转体的表面处理技术，其利用短脉冲(1-20ns)、高能(10-20J)辐照产生的强冲击波(GPa)进行表层材料改性，引入1-2mm深的残余压应力，抑制裂纹萌生，延缓裂纹扩展，可显著提升构件服役期内的疲劳性能，是航空发动机制造的关键技术之一。

激光喷丸采用高能激光束作为能量源，瞬时输出峰值功率高，不能采用光纤传导，因而对加工设备提出了较高要求。激光喷丸设备通常采用激光束固定，零件由机器人手臂夹持移动，编制程序完成既定区域的强化处理。当前，航空发动机中的整体构件，如涡轮盘、整体叶盘等零件，具有外形结构复杂、处理区域空间狭小、水射流与光路可达性差、零件成本高、加工周期长等共性技术难题，对激光喷丸技术的工艺设计提出了严峻的挑战，如何经济高效的设计工艺是亟待解决的瓶颈问题。

例如，涡轮盘是高温部件，普遍采用镍基高温合金材料，毛坯材料价值30-50万元，材料去除率70-90％，铣削加工周期3-6个月，加工成本30-50万，通常激光喷丸工艺需要至少2件零件进行光路可达性等试验和最终工艺测试，成本高周期长。又例如，钛合金整体叶片是低温部件，材料普遍采用TC4/TC18锻件，材料去除率80-90％，仅材料成本约30-50万，铣削加工周期3-6个月，加工成本30-50万；同时，整体叶盘的每一个叶形互相遮蔽、互相干涉的影响，光路可达性极差，而且激光易在叶片之间产生空间穿透，将待处理区域临近的叶片“打伤”，产生烧蚀损伤。综上所述，当前激光喷丸的工艺设计主要以实际零件为主体，至少需要2件零件进行光路可达性等试验，1件作为试样完全损坏，另1件作为工艺验证和演示。受限于零件成本，导致工艺设计效率低、耗时长、成本高。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，该检验方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：取得零件的三维模型，或者以零件实物进行逆向工程，测量获得零件的三维模型及尺寸。

所述步骤S1还包括如下步骤：

步骤S11：当实物零件在计算机上有三维模型图纸及尺寸时，直接导入即可；

步骤S12：当实物零件无三维模型时，利用逆向工程的三坐标测量机和激光形貌测量仪进行建模，并获得实物零件的三维模型及尺寸。

步骤S2：将零件三维模型输入3D打印机，制造出零件的非金属复制品。

所述步骤S2还包括：零件的三维模型采用UG、CATIA、Solidworks或3Dmarks处理软件进行分层处理，设计辅助支撑，逐层打印出零件的非金属复制品。

所述步骤S2还包括：用美工刀或锉刀工具去除打印后复制品上的辅助支撑。

步骤S3：将复制品固定于激光喷丸系统的夹具上，打开同轴指示光源，进行在线编程。

所述步骤S3还包括：根据不同类型零件的结构特点，设计与之匹配的夹具并将复制品固定；所述同轴指示光源是指与高能激光束同轴的可见光激光束。

步骤S4：程序以同轴指示光源为参考，对零件的光路可达性、光路干涉、水射流可达性和水约束层稳定性进行试验验证。

所述步骤S4中：

光路可达性是指光沿直线传播，待处理区域的光路传输路径上是否存在遮挡激光传播的障碍物，光路是否无能量损耗直达处理区域；

光路干涉是指程序运动过程中是否存在夹具、非处理区域对光路的干涉；

水射流可达性是指水射流在喷射压力和重力作用下，水射流能否直达处理区域，产生连续的水约束层；

水约束层稳定性是指由水射流形成的水膜在零件外形边界变化和重力的作用下，是否能够保持水膜厚度的一致性。

步骤S5：将复制品采用0.2-0.5J低能量激光进行全程序预试验并观察结果。

所述步骤S5还包括：

步骤S51：采用目视检测复制品是否存在激光烧蚀；

步骤S52：确认喷丸区域为待强化区域且图案规则整齐；

步骤S53：复制品运动轨迹是否存在光束、水流干涉，是否存在无刚体碰撞。

步骤S6：如未发现问题，则确定激光喷丸程序；如发现问题，则返回步骤S4，调整程序直至成功。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用非金属3D打印制造效率高、空间精确复制的特点，将几何外形复杂、加工耗时长、零件成本高的航空整体构件进行快速原型制造，以复制品作为试验件进行光路可达性的试验。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法以非金属3D打印快速原型制造的优势，利用非金属复制件进行光路可达性等参数校验，高效、可靠、经济实现零件激光喷丸工艺设计和检测。

(2)本发明所提供的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法利用非金属3D制造效率高、精确空间复制、成本低廉的技术优势，同时兼顾激光喷丸工艺对零件外形的需求，将几何外形复杂、加工耗时长、零件成本高的航空整体构件进行快速原型制造。

(3)本发明所提供的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法以非金属复制品作为试验件进行光路可达性的试验，有效的解决了工艺设计对零件外形需求和零件加工费时且昂贵之间矛盾，可大幅提高工艺设计的效率、有效降低成本，尤其适合航空发动机整体叶盘、涡轮盘类回转体零件。

附图说明

图1是本发明所提供的检验光路可达性的示意图。

图2是本发明所提供的光路干涉的示意图。

图3是本发明所提供的水约束层稳定性的示意图。

图4是本发明所提供的运动干涉的示意图。

图5是本发明所提供的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法的流程图。

上述附图中的标号说明：

1-进气边，2-排气边，3-进气边的上部分光束可达的入射角范围，4-下部分光束可达的入射角范围，5-排气边的上部分光束可达的入射角范围，6-下部分光束可达的入射角范围；7-激光束，8-第一姿态，9-第二姿态；10-排气边待处理区域，11-喷水导管，12-下落水滴，13-激光喷嘴；14-待处理导向叶片，15-排气边激光穿透损伤，16-进气边激光穿透损伤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图5所示，本实施例公开了一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，该检验方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：取得零件的三维模型，或者以零件实物进行逆向工程，测量获得零件的三维模型及尺寸。

所述步骤S1还包括如下步骤：

步骤S11：当实物零件在计算机上有三维模型图纸及尺寸时，直接导入即可；

步骤S12：当实物零件无三维模型时，利用逆向工程的三坐标测量机和激光形貌测量仪进行建模，并获得实物零件的三维模型及尺寸。

步骤S2：将零件三维模型输入3D打印机，制造出零件的非金属复制品。

所述步骤S2还包括：零件的三维模型采用UG、CATIA、Solidworks或3Dmarks处理软件进行分层处理，设计辅助支撑，逐层打印出零件的非金属复制品。

所述步骤S2还包括：用美工刀或锉刀工具去除打印后复制品上的辅助支撑。

步骤S3：将复制品固定于激光喷丸系统的夹具上，打开同轴指示光源，进行在线编程。

所述步骤S3还包括：根据不同类型零件的结构特点，设计与之匹配的夹具并将复制品固定；所述同轴指示光源是指与高能激光束7同轴的可见光激光束7。

步骤S4：程序以同轴指示光源为参考，对零件的光路可达性、光路干涉、水射流可达性和水约束层稳定性进行试验验证。

所述步骤S4中：

光路可达性是指光沿直线传播，待处理区域的光路传输路径上是否存在遮挡激光传播的障碍物，光路是否无能量损耗直达处理区域；

光路干涉是指程序运动过程中是否存在夹具、非处理区域对光路的干涉；

水射流可达性是指水射流在喷射压力和重力作用下，水射流能否直达处理区域，产生连续的水约束层；

水约束层稳定性是指由水射流形成的水膜在零件外形边界变化和重力的作用下，是否能够保持水膜厚度的一致性。

步骤S5：将复制品采用0.2-0.5J低能量激光进行全程序预试验并观察结果。

所述步骤S5还包括：

步骤S51：采用目视检测复制品是否存在激光烧蚀；

步骤S52：确认喷丸区域为待强化区域且图案规则整齐；

步骤S53：复制品运动轨迹是否存在光束、水流干涉，是否存在无刚体碰撞。

步骤S6：如未发现问题，则确定激光喷丸程序；如发现问题，则返回步骤S4，调整程序直至成功。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用非金属3D打印制造效率高、空间精确复制的特点，将几何外形复杂、加工耗时长、零件成本高的航空整体构件进行快速原型制造，以复制品作为试验件进行光路可达性的试验。

实施例2：

本实施例公开了一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法的具体实施例子：以航空发动机典型整体构件——整体叶盘IBR(Integrally Bladed Rotor)为实例，进行说明。IBR是采用毛坯材料整体加工而成的、周向均匀分布导向叶片的高速回转零件，特点是舍弃传统的榫接结构而采用一体式结构，因而可减重30％以上，同时具备良好的气动效率、刚性、动平衡性能，是当前最重要的航空发动机构件。IBR通常采用锻造毛坯铣削加工而成，毛坯材料昂贵，加工周期长且成本高，每个零件的价值约70～100万之间。

在进行激光喷丸强化处理时，由于工艺的复杂性和测试的必要性，需要至少两件零件作为工艺试验品，对零件成本和交付周期提出了苛刻要求。本发明利用非金属3D打印技术制造效率高、精确空间复制、成本低廉的技术优势，将昂贵、交付时间长的IBR进行精确复制，以非金属复制品作为试验件进行工艺设计与测试，可大幅度提高工艺编制效率降低成本，可满足航空整体构件的高效精密制造。

该方法包含以下步骤：

1)取得零件的三维模型，或者以零件实物进行逆向工程，测量获得零件的三维模型：

如已经获得IBR的三维模型，则进入下一步骤；如只有IBR零件实物，考虑其复杂的几何外形和测试效率，选择光学轮廓测量仪进行三维模型测量与重构，仪器为德国GOM公司的ARAMIS三维全场测量系统，测试精度±2μm，将零件喷涂白色显影漆，零件旋转完成扫描重构后输出CAD标准格式CATIA。

2)将零件三维模型输入3D打印机，制造出零件的非金属复制品：

IBR的三维模型采用CATIA软件进行分层，叶片悬空部分设计辅助支撑。

3D打印材料选用SLA光敏树脂，逐层打印出IBR的非金属复制品，使用美工刀、锉刀等工具去除辅助支撑，用绒布、砂纸打磨毛刺确保表面光滑平整。

3)将复制品固定于激光喷丸系统的夹具上，打开同轴指示光源，进行在线编程：

IBR是典型回转体零件，使用轴向夹具固定。

同轴指示光源是与高能激光束7同轴的可见光激光束7，在程序编制过程中用于实时显示激光束7在零件处理区域上的空间位置，借助指示光源完成激光喷丸程序的编制。

4)程序以同轴指示光源为参考，对零件的光路可达性，光路干涉，水射流可达性，水约束层稳定性进行试验验证：

如图1所示，IBR周向均匀分布了36个导向叶片，每个叶片都具有进气边1和排气边2，进排气边是IBR类零件主要失效区域，因此设定为激光喷丸处理的区域。

a)光路可达性

光路可达性检测是利用光沿直线传播原理，利用同轴指示光源产生的可见激光束7在零件上的投影检测光束是否能够到达，光束在传输路径上是否存在障碍物。如可达性好，进排气边见红色光斑；否则无可达性。

如图1所示，进气边的上部分光束可达的入射角范围3，下部分光束可达的入射角范围4；排气边的上部分光束可达的入射角范围5，下部分光束可达的入射角范围6。

b)光路干涉

光路干涉检测指程序执行过程中是否存在夹具、非处理区域对光路的干涉；

如图2所示，IBR零件的进气边1需要处理的区域包含两个面，其中激光束7固定，复制品在第一姿态的状态下，检测进气边1下面的光路干涉；然后IBR旋转至第二姿态，检测进气边1上面的光路干涉；程序执行过程中的夹具、非处理区域对光路的干涉可以目视观察，由于使用了非金属复制品，无需担心损坏零件，使得工艺编程更柔性。

c)水射流可达性和水约束层稳定性

连续稳定的水约束层是激光喷丸的必要条件，IBR的众多导向叶片间距狭小，叶尖叶根区域边界非连续，如未施加水约束层会导致激光喷丸失效。

水射流可达性指去离子水在喷射压力和重力作用下，水射流能否直达处理区域，产生连续的水约束层。当前，由于IBR的外形复杂，水流在非连续曲面上运动控制与预测难以离线编程，激光喷丸工艺不得不采用在线目视检测。如图3所示，IBR复制件的排气边待处理区域10，喷水导管11持续供应去离子水，水约束层在重力和激光喷嘴13作用下离开IBR的排气边1并形成下落水滴12。

水约束层稳定性指由水射流形成的水膜在零件外形边界变化和重力的作用下，是否能够保持水膜厚度的一致性，如图3所示，需要目视检测叶尖和叶根处的水膜厚度，必要时可调整喷水导管11的位置，保持边界过渡区的水流层厚。

5)完成上述检验后，以非金属3D打印制造的IBR复制品作为零件，进行全程序预试验，设置0.5J低能量激光，脉冲宽度10ns，程序结束后观察结果：

采用目视检测复制品的叶片是否存在激光烧蚀损伤，如图4所示，处理进排气边的边界由于激光直线传播和位置误差，易造成叶片临近的上下叶片的表面烧蚀损伤，如图4所示，其中待处理导向叶片14，排气边激光穿透损伤15，进气边激光穿透损伤16。

目视检测IBR复制品的进排气边2的喷丸图案规则整齐；

观察程序执行过程中，IBR复制品运动轨迹是否存在光束、水流干涉，是否存在无刚体碰撞；

6)如未发现问题，则确定激光喷丸程序；如发现问题，则返回步骤4，调整程序直至成功。

综上所述，本发明利用非金属3D打印精确复制价格昂贵、加工时长的整体构件，以复制品进行光路可达性等工艺检测，降低了工艺成本，提升工艺制定效率，以低成本复制件的使用有效避免了工艺试验中的损伤和风险，不仅能够保证工艺制定中的各类要求，而且具有效率高、适应性好的特点，尤其适合航空发动机回转体零件的工艺验证。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：取得零件的三维模型，或者以零件实物进行逆向工程，测量获得零件的三维模型及尺寸；

步骤S2：将零件三维模型输入3D打印机，一体打印出零件的非金属复制品；

步骤S3：将复制品固定于激光喷丸系统的夹具上，打开同轴指示光源，进行在线编程；

步骤S4：程序以同轴指示光源为参考，对零件的光路可达性、光路干涉、水射流可达性和水约束层稳定性进行试验验证；

步骤S5：将复制品采用0.2-0.5J低能量激光进行全程序预试验并观察结果；

步骤S6：如未发现问题，则确定激光喷丸程序；如发现问题，则返回步骤S4，调整程序直至成功。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S1还包括如下步骤：

步骤S11：当实物零件在计算机上有三维模型图纸及尺寸时，直接导入即可；

步骤S12：当实物零件无三维模型时，利用逆向工程的三坐标测量机和激光形貌测量仪进行建模，并获得实物零件的三维模型及尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：零件的三维模型采用UG、CATIA、Solidworks或3Dmarks处理软件进行分层处理，设计辅助支撑，逐层打印出零件的非金属复制品。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：用美工刀或锉刀工具去除打印后复制品上的辅助支撑。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：根据不同类型零件的结构特点，设计与之匹配的夹具并将复制品固定；所述同轴指示光源是指与高能激光束同轴的可见光激光束。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S4中：

光路可达性是指光沿直线传播，待处理区域的光路传输路径上是否存在遮挡激光传播的障碍物，光路是否无能量损耗直达处理区域；

光路干涉是指程序运动过程中是否存在夹具、非处理区域对光路的干涉；

水射流可达性是指水射流在喷射压力和重力作用下，水射流能否直达处理区域，产生连续的水约束层；

水约束层稳定性是指由水射流形成的水膜在零件外形边界变化和重力的作用下，是否能够保持水膜厚度的一致性。

7.根据权利要求1所述的基于3D打印的激光喷丸工艺光路可达性检验方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：

步骤S51：采用目视检测复制品是否存在激光烧蚀；

步骤S52：确认喷丸区域为待强化区域且图案规则整齐；

步骤S53：复制品运动轨迹是否存在光束、水流干涉，是否存在无刚体碰撞。

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