CN111716022A - 一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法 - Google Patents

一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法，包括大理石底座，大理石底座中部设有第一、第二龙门柱，第一龙门柱上设置水导激光加工系统，第二龙门柱上设置飞秒激光加工系统；大理石底座的一侧设有激光器系统，大理石底座的另一侧安装有X轴平台；X轴平台上安装有Y轴平台，Y轴平台上安装有B轴平台，B轴平台上安装有C轴平台，C轴平台放置有水箱和夹具；第一龙门柱和第二龙门柱组合形成双工位加工装置；加工时，先利用水导激光进行带热障涂层涡轮叶片气膜群孔的预制加工，孔壁残留的重铸层和加工余量等缺陷再由飞秒激光进行去除；本发明整合了水导激光加工效率高和飞秒激光加工质量好的优点，实现了涡轮叶片气膜孔的高效高质加工。

Description

一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法
技术领域
本发明涉及涡轮叶片的激光加工技术领域，具体涉及一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法。
背景技术
随着航空技术的快速发展，高推重比、高燃烧效率和低油耗成为发动机的发展趋势，这对发动机涡轮叶片的性能要求越来越高。当前，为了提高涡轮叶片的抗热冲击、耐高温、耐腐蚀和复杂应力能力，采用热障涂层技术和气膜孔冷却方式对涡轮叶片进行加工处理。
涡轮叶片气膜孔主要分布在叶片边缘、叶片型面等部位，其加工质量将直接影响涡轮叶片的使用寿命和稳定性。带热障涂层涡轮叶片气膜孔的高效高质加工成为国内外研究的一大难题。针对带热障涂层涡轮叶片气膜孔的加工，主要采取电加工工艺的方式，如电火花加工、电液束流加工技术等，然而，考虑到热障涂层具有不导电的特性，因而电加工方法无法实现陶瓷涂层的加工。激光加工技术因具有加工效率高、热影响区小、非接触加工等优势，成为了气膜孔加工的重要手段。
水导激光加工技术是将高能激光束耦合进微细水射流，水射流作为光纤使激光在水束内形成全反射，实现在水射流的传播，并由水射流将激光引导到工件表面实现对材料的去除。该方法具有很多优点，如无热损伤区、加工效率高、可加工大深径比结构。但水导激光加工孔壁质量较差。飞秒激光具有超快、高峰值功率的特性，几乎可以加工所有材料，飞秒激光加工的微小孔孔壁熔渣少、质量好，但效率较低、加工微孔锥度较大。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是在于提供一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置与方法，能够整合水导激光加工效率高和飞秒激光加工质量好的优点，实现带热障涂层涡轮叶片气膜孔的高效高质加工。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置，包括大理石底座1，大理石底座1中部设有第一龙门柱10和第二龙门柱3，第一龙门柱10和第二龙门柱3顶部通过龙门横梁9连接，第一龙门柱10上设置水导激光加工系统，第二龙门柱3上设置飞秒激光加工系统；大理石底座1的一侧设有激光器系统4，大理石底座1的另一侧安装有X轴平台20；
所述的激光器系统4包括安装在大理石底座1上的底板21，底板21上安装有纳秒激光光路系统22、飞秒激光光路系统23、纳秒激光器24和飞秒激光器25，纳秒激光光路系统22的输入和纳秒激光器24的输出连接，飞秒激光光路系统23的输入和飞秒激光器25的输出连接；
所述的X轴平台20上安装有Y轴平台2，Y轴平台2上安装有B轴平台19，B轴平台19上安装有C轴平台18，C轴平台18放置有水箱17和夹具16；
所述的水导激光加工系统包括第一龙门柱10上设置的Z1轴平台11，Z1轴平台11上放置有第一光路传输系统12，第一光路传输系统12和纳秒激光光路系统22的输出连接，第一光路传输系统12上方设置有水导耦合装置15、反射镜14、第一CCD相机和镜头13，第一CCD相机和镜头13与水导耦合装置15同轴安装；水导耦合装置15上设置有两个进液道，进液道用于输送高压水流，水流与纳秒激光复合实现水导激光加工；
所述的飞秒激光加工系统包括第二龙门柱3上设置的Z2轴平台5，Z2轴平台5上放置有第二光路传输系统6，第二光路传输系统6和飞秒激光光路系统23的输出连接，第二光路传输系统6上方设置有扫描振镜和场镜8、第二CCD相机和显微镜头7，第二CCD相机和显微镜头7采用倾斜安装；
第一龙门柱10和第二龙门柱3组合形成双工位加工装置，用于涡轮叶片气膜孔水导激光加工和飞秒激光加工，X轴平台20、Y轴平台2、Z1轴平台11、Z2轴平台5、B轴平台19和C轴平台18均连接计算机。
利用上述一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将涡轮叶片的加工样品26固定在夹具16上，夹具16固定在水箱17中，利用计算机调节加工样品26的位姿；
步骤二：打开纳秒激光器24和水导耦合装置15上的两个进液道，调节Z1轴平台11上水导耦合装置15和反射镜14的位置，确定水导激光的聚焦位置，进行带热障涂层涡轮叶片气膜孔27的预制加工；
步骤三：关闭纳秒激光器24和水导耦合装置15，将加工样品26从水箱17中取出，取下水箱17，将加工样品26直接固定在C轴平台18上的夹具16上方，利用计算机将加工样品26移至第二个工位上；
步骤四：打开飞秒激光器25，调整位姿，利用第二CCD相机和显微镜头7定位到第一个气膜孔27处，并将加工样品26移动到飞秒激光28聚焦位置处，开始进行气膜孔27壁重铸层和加工余量36的去除工序，完成一个气膜孔27后，再定位到下一个气膜孔27处，对下一个气膜孔27进行修型处理，直到全部气膜孔27处理完毕；
步骤五：关闭飞秒激光器25，取下加工样品26，对加工样品26进行超声清洗。
本发明的有益效果为：
与现有技术相比，本发明具有水导激光加工系统和飞秒激光加工系统两个工位，整合了水导激光加工效率高和飞秒激光加工质量好的优点，可实现涡轮叶片气膜群孔的高效高质加工，获得大深径比的气膜孔，而且可通过Y轴平台直接切换工序，操作简单方便。
本发明中的X轴平台、Y轴平台、B轴平台、C轴平台、Z1轴平台和Z2轴平台(4+2轴)可通过计算机程序实现多轴联动。
本发明中的第一CCD相机和镜头、第二CCD相机和显微镜头可分别利用计算机程序实现两个工序中的激光聚焦与定位。
本发明中的水箱采用多层封闭设计，中间为样品固定区，外环为溢水区，顶部预留孔，便于水导激光的进入，而且防止了加工过程中水流喷溅出去而污染工作台。
本发明解决了水导激光加工孔壁质量差和飞秒激光加工微孔锥度大的问题，充分利用了水导激光加工效率高和飞秒激光加工质量高的优点，先使用水导激光加工形成预制气膜群孔，孔壁残留的重铸层和加工余量等缺陷再由飞秒激光进行去除，双工序的复合提高了气膜孔的加工效率和材料去除率，获得高效高质量的气膜群孔。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图。
图2为图1中激光器系统的结构示意图。
图3为图1中水导激光工位的结构示意图。
图4为图1中飞秒激光工位的结构示意图。
图5为本发明方法加工过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1～图4，一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置，包括大理石底座1，大理石底座1中部设有第一龙门柱10和第二龙门柱3，第一龙门柱10和第二龙门柱3顶部通过龙门横梁9连接，第一龙门柱10上设置水导激光加工系统，第二龙门柱3上设置飞秒激光加工系统；大理石底座1的一侧设有激光器系统4，大理石底座1的另一侧安装有X轴平台20；
所述的激光器系统4包括安装在大理石底座1上的底板21，底板21上安装有纳秒激光光路系统22、飞秒激光光路系统23、纳秒激光器24和飞秒激光器25，纳秒激光光路系统22的输入和纳秒激光器24的输出连接，飞秒激光光路系统23的输入和飞秒激光器25的输出连接；
所述的X轴平台20上安装有Y轴平台2，Y轴平台2上安装有B轴平台19，B轴平台19上安装有C轴平台18，C轴平台18放置有水箱17和夹具16，X轴平台20、Y轴平台2、B轴平台19和C轴平台18用于加工样品的位姿调整；
所述的水导激光加工系统包括第一龙门柱10上设置的Z1轴平台11，Z1轴平台11上放置有第一光路传输系统12，第一光路传输系统12和纳秒激光光路系统22的输出连接，第一光路传输系统12上方设置有水导耦合装置15、反射镜14、第一CCD相机和镜头13，第一CCD相机和镜头13与水导耦合装置15同轴安装；水导耦合装置15上设置有两个进液道，进液道用于输送高压水流，水流与纳秒激光复合实现水导激光加工；第一CCD相机和镜头13用于水导激光加工过程中的检测；
所述的飞秒激光加工系统包括第二龙门柱3上设置的Z2轴平台5，Z2轴平台5上放置有第二光路传输系统6，第二光路传输系统6和飞秒激光光路系统23的输出连接，第二光路传输系统6上方设置有扫描振镜和场镜8、第二CCD相机和显微镜头7，第二CCD相机和显微镜头7采用倾斜安装，用于飞秒激光加工过程中的定位与检测；
第一龙门柱10和第二龙门柱3组合形成双工位加工装置，用于涡轮叶片气膜孔水导激光加工和飞秒激光加工，X轴平台20、Y轴平台2、Z1轴平台11、Z2轴平台5、B轴平台19和C轴平台18均连接计算机。
参见图5，利用上述一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤一：将涡轮叶片的加工样品26固定在夹具16上，夹具16固定在水箱17中，利用计算机调节加工样品26的位姿；
步骤二：打开纳秒激光器24和水导耦合装置15上的两个进液道，调节Z1轴平台11上水导耦合装置15和反射镜14的位置，确定水导激光的聚焦位置，进行带热障涂层涡轮叶片气膜孔27的预制加工；
加工时，纳秒激光29经过透镜30、水导耦合装置15的光学窗口31进入耦合腔34，和耦合腔34内的水32耦合形成水导激光33，水导激光33经过喷嘴35进行气膜孔27的水导激光加工；
步骤三：关闭纳秒激光器24和水导耦合装置15，将加工样品26从水箱17中取出，取下水箱17，将加工样品26直接固定在C轴平台18上的夹具16上方，利用计算机将加工样品26移至第二个工位上；
步骤四：打开飞秒激光器25，调整位姿，利用第二CCD相机和显微镜头7定位到第一个气膜孔27处，并将加工样品26移动到飞秒激光28聚焦位置处，开始进行气膜孔27壁重铸层和加工余量36的去除工序，完成一个气膜孔27后，再定位到下一个气膜孔27处，对下一个气膜孔27进行修型处理，直到全部气膜孔27处理完毕；
步骤五：关闭飞秒激光器25，取下加工样品26，对加工样品26进行超声清洗。

Claims (2)

1.一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置，包括大理石底座(1)，其特征在于：大理石底座(1)中部设有第一龙门柱(10)和第二龙门柱(3)，第一龙门柱(10)和第二龙门柱(3)顶部通过龙门横梁(9)连接，第一龙门柱(10)上设置水导激光加工系统，第二龙门柱(3)上设置飞秒激光加工系统；大理石底座(1)的一侧设有激光器系统(4)，大理石底座(1)的另一侧安装有X轴平台(20)；
所述的激光器系统(4)包括安装在大理石底座(1)上的底板(21)，底板(21)上安装有纳秒激光光路系统(22)、飞秒激光光路系统(23)、纳秒激光器(24)和飞秒激光器(25)，纳秒激光光路系统(22)的输入和纳秒激光器(24)的输出连接，飞秒激光光路系统(23)的输入和飞秒激光器(25)的输出连接；
所述的X轴平台(20)上安装有Y轴平台(2)，Y轴平台(2)上安装有B轴平台(19)，B轴平台(19)上安装有C轴平台(18)，C轴平台(18)放置有水箱(17)和夹具(16)；
所述的水导激光加工系统包括第一龙门柱(10)上设置的Z1轴平台(11)，Z1轴平台(11)上放置有第一光路传输系统(12)，第一光路传输系统(12)和纳秒激光光路系统(22)的输出连接，第一光路传输系统(12)上方设置有水导耦合装置(15)、反射镜(14)、第一CCD相机和镜头(13)，第一CCD相机和镜头(13)与水导耦合装置(15)同轴安装；水导耦合装置(15)上设置有两个进液道，进液道用于输送高压水流，水流与纳秒激光复合实现水导激光加工；
所述的飞秒激光加工系统包括第二龙门柱(3)上设置的Z2轴平台(5)，Z2轴平台(5)上放置有第二光路传输系统(6)，第二光路传输系统(6)和飞秒激光光路系统(23)的输出连接，第二光路传输系统(6)上方设置有扫描振镜和场镜(8)、第二CCD相机和显微镜头(7)，第二CCD相机和显微镜头(7)采用倾斜安装；
第一龙门柱(10)和第二龙门柱(3)组合形成双工位加工装置，用于涡轮叶片气膜孔水导激光加工和飞秒激光加工，X轴平台(20)、Y轴平台(2)、Z1轴平台(11)、Z2轴平台(5)、B轴平台(19)和C轴平台(18)均连接计算机。
2.利用权利要求1所述的一种带热障涂层涡轮叶片气膜孔激光复合加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将涡轮叶片的加工样品(26)固定在夹具(16)上，夹具(16)固定在水箱(17)中，利用计算机调节加工样品(26)的位姿；
步骤二：打开纳秒激光器(24)和水导耦合装置(15)上的两个进液道，调节Z1轴平台(11)上水导耦合装置(15)和反射镜(14)的位置，确定水导激光的聚焦位置，进行带热障涂层涡轮叶片气膜孔(27)的预制加工；
步骤三：关闭纳秒激光器(24)和水导耦合装置(15)，将加工样品(26)从水箱(17)中取出，取下水箱(17)，将加工样品(26)直接固定在C轴平台(18)上的夹具(16)上方，利用计算机将加工样品(26)移至第二个工位上；
步骤四：打开飞秒激光器(25)，调整位姿，利用第二CCD相机和显微镜头(7)定位到第一个气膜孔(27)处，并将加工样品(26)移动到飞秒激光(28)聚焦位置处，开始进行气膜孔(27)壁重铸层和加工余量(36)的去除工序，完成一个气膜孔(27)后，再定位到下一个气膜孔(27)处，对下一个气膜孔(27)进行修型处理，直到全部气膜孔(27)处理完毕；
步骤五：关闭飞秒激光器(25)，取下加工样品(26)，对加工样品(26)进行超声清洗。
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