CN112048614B - 一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法 - Google Patents

Abstract

一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，包括以下步骤：步骤1，强化区域计算；步骤2，加载应力计算；步骤3，叶片整体变形计算；步骤4，夹具设计；步骤5，路径规划；步骤6，零件装夹；步骤7，零件清理；步骤8，对两个待强化区域，首先预置一层宽度为25‑60mm、厚度为0.05‑0.15mm的铝箔；其次在铝箔上面预置一层宽度为25‑60mm、厚度为0.1‑0.2mm的黑胶带；步骤9，约束层施加；步骤10，程序编制；步骤11，激光冲击强化第一强化部位；步骤12，激光冲击强化第二强化部位；步骤13，激光冲击强化第三强化部位；步骤14，吸收层去除及清理。根据强化区域要求设计激光冲击强化吸收层、梯度变化工艺参数满足空心叶片振动疲劳寿命提升要求。

Description

一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法

技术领域

本发明属于表面强化技术领域，具体涉及一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，主要应用于航空、航天等工业中的空心叶片结构上。

背景技术

目前表面强化有激光冲击强化、喷丸、振动光饰、挤压等，针对实心叶片开展了较多研究，但针对空心叶片研究非常少，空心叶片截面如图1所示。

激光冲击强化技术(Laser shock processing简称LSP)，是利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的一种新技术。当短脉冲高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层(保护层)吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压(Gpa)等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著地提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能。激光冲击强化技术具有激光参数和作用区域可精确控制、变形可控等优点。

喷丸强化对实心叶片存在变形量较大，不易精确控制变形，对空心叶片更是难以调控参数；振动光饰存在疲劳性能提升不足的问题；挤压强化不适用于空心叶片类零件的问题。

宽弦空心风扇叶片具有增大推力、减轻质量、减少气流损失、降低噪音、降低机匣的包容性、提高发动机推重比和效率等优点。叶片结构的形式有两种：三层板SPF/DB结构(W型结构)和对开扩散焊结构(H型结构)，但是空心叶片相比实心叶片存在表面强化容易出现凹坑、裂纹、变形，疲劳寿命难以达标等问题，严重影响零件的使用，通过表面强化工艺提升疲劳寿命迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，通过激光冲击强化对空心叶片类零件进行处理，振动疲劳寿命明显提升，并且表面粗糙度及变形量小。此种方法方便实用，具有可推广性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，包括以下步骤：

步骤1，强化区域计算：利用有限元软件模拟空心叶片工作的最大应力位置、薄弱区域，计算出空心叶片需强化的区域范围；

步骤2，加载应力计算：利用有限元软件对空心叶片模型需强化的区域范围继续细分区域，计算各区域能够承受的加载应力；

步骤3，叶片整体变形计算：在空心叶片模型上预加载强化应力，计算空心叶片的变形趋势及变形量；

步骤4，夹具设计：根据空心叶片的变形情况，设计反变形夹具；

步骤5，路径规划：利用路径规划软件，对空心叶片模型、反变形夹具模型、轨迹机器人模型进行整体计算，计算出空心叶片的激光冲击强化轨迹，避免反变形夹具与激光干涉；

步骤6，零件装夹：将空心叶片榫头通过反变形夹具装夹至轨迹机器人上，使反变形夹具的夹具支架支撑螺纹杆带动金属压头、非金属垫块与空心叶片易变形部位紧密配合，确保待强化区域完全暴露，避免对激光进行干涉；

步骤7，零件清理：用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片正反面进行擦拭，确保无油污；

步骤8，吸收层布置：对叶片叶盆、叶背根部两个待强化区域，首先预置一层宽度为25-60mm、厚度为0.05-0.15mm的铝箔，确保铝箔无褶皱、无划痕，其次在铝箔上面预置一层宽度为25-60mm、厚度为0.1-0.2mm的黑胶带，确保黑胶带无褶皱、无划痕；

步骤9，约束层施加：通过送水机器人的示教盒调整六轴送水机器人的喷水嘴位置，确保能够将自上而下均匀流动厚度为1-3mm的水作为约束层施加到步骤8中的两个待强化区域上，每验证一个区域后记录一次送水机器人的空间坐标并保存；

步骤10，程序编制，在激光冲击强化设备工控机上根据空心叶片数模、反变形夹具数模与转换基准、步骤9中保存的送水机器人空间坐标、激光器工艺参数及各部件的接口命令编制加工程序，试运行程序验证轨迹机器人、送水机器人、激光器各部件运动的匹配合理性；

步骤11，空心叶片根部强化区域第一强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为5-7J，选用10％-25％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上0-20mm范围内进行2-4次激光冲击强化；

步骤12，空心叶片根部强化区域第二强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为9-11J，选用5％-10％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上15-30mm范围内进行1-2次激光冲击强化；

步骤13，空心叶片根部强化区域第三强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为12-14J，选用0％-8％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上25-50mm范围内进行1次激光冲击强化；

步骤14，吸收层去除及清理：将强化后的两个区域吸收层去除，并用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片正反两面进行擦拭。

步骤4所述的反变形夹具包括夹具底座、夹具支架、螺纹杆、非金属垫块及金属压头，所述夹具底座上表面对称设置有夹具支架，夹具支架从上至下设置有多个螺纹杆，螺纹杆一端通过螺母固定，另一端设置有金属压头，金属压头端面设置有非金属垫块，通过调整螺纹杆的伸出长度使金属压头压紧空心叶片。

本发明的有益效果为：

本发明针对空心叶片材料、结构特点，根据强化区域要求设计激光冲击强化吸收层、梯度变化工艺参数满足空心叶片振动疲劳寿命提升要求，表面质量、变形量符合设计要求，未产生深凹坑、裂纹等。

设计组合吸收层激光冲击强化可以有效的减少空心叶片变形。

设计不同能量、不同搭接率、不同冲击次数的工艺参数激光冲击强化可以提升空心叶片疲劳寿命。

本发明适应于空心叶片类零件表面强化，具有巨大的军事意义和经济效益。

面对航空发动机增大推力、减轻质量的迫切需求，国外航空发动机已大量使用空心叶片，国内航空发动机空心叶片的应用将是大势所趋，对其进行表面强化势在必行，该发明可以实现空心叶片疲劳寿命增寿1倍以上，变形控制在设计图纸要求范围内，该技术在未来将得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明空心叶片截面示意图；

图2为本发明空心叶片根部强化区域示意图；

图3为本发明反变形夹具与空心叶片装配示意图；

1-第一强化部位，2-第二强化部位，3-第三强化部位，4-空心叶片，5-夹具底座，6-夹具支架，7-螺纹杆，8-非金属垫块，9-金属压头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2和图3所示，一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，包括以下步骤：

步骤1，强化区域计算：利用有限元软件模拟空心叶片4工作的最大应力位置、薄弱区域，计算出空心叶片4需强化的区域范围；

步骤2，加载应力计算：利用有限元软件对空心叶片4模型需强化的区域范围继续细分区域，计算各区域能够承受的加载应力；

步骤3，叶片整体变形计算：在空心叶片4模型上预加载强化应力，计算空心叶片4的变形趋势及变形量；

步骤4，夹具设计：根据空心叶片4的变形情况，设计反变形夹具，所述反变形夹具包括夹具底座5、夹具支架6、螺纹杆7、非金属垫块8及金属压头9，所述夹具底座5上表面对称设置有夹具支架6，夹具支架6从上至下设置有多个螺纹杆7，螺纹杆7一端通过螺母固定，另一端设置有金属压头9，金属压头9端面设置有非金属垫块8，通过调整螺纹杆7的伸出长度使金属压头9压紧空心叶片4；

步骤5，路径规划：利用路径规划软件，对空心叶片4模型、反变形夹具模型、轨迹机器人模型进行整体计算，计算出空心叶片4的激光冲击强化轨迹，避免反变形夹具与激光干涉；

步骤6，零件装夹：将空心叶片4榫头通过反变形夹具装夹至轨迹机器人上，使反变形夹具的夹具支架6支撑螺纹杆7带动金属压头9、非金属垫块8与空心叶片4易变形部位紧密配合，确保待强化区域完全暴露，避免对激光进行干涉；

步骤7，零件清理：用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片4正反面进行擦拭，确保无油污；

步骤8，吸收层布置：对叶片叶盆、叶背根部两个待强化区域，首先预置一层宽度为50mm、厚度为0.08mm的铝箔，确保铝箔无褶皱、无划痕，其次在铝箔上面预置一层宽度为50mm、厚度为0.15mm的黑胶带，确保黑胶带无褶皱、无划痕；

步骤9，约束层施加：通过送水机器人的示教盒调整六轴送水机器人的喷水嘴位置，确保能够将自上而下均匀流动厚度为1.5mm的水作为约束层施加到步骤8中的两个待强化区域上，每验证一个区域后记录一次送水机器人的空间坐标并保存；

步骤10，程序编制，在激光冲击强化设备工控机上根据空心叶片4数模、反变形夹具数模与转换基准、步骤9中保存的送水机器人空间坐标、激光器工艺参数及各部件的接口命令编制加工程序，试运行程序验证轨迹机器人、送水机器人、激光器各部件运动的匹配合理性，如果不匹配，暂停记录位置修正机器人的空间位置坐标，从暂停位置重新开始验证直至全部位置匹配合理并进行记录；

步骤11，空心叶片4根部强化区域第一强化部位1：采用波长为1064nm、脉宽为18ns、重复频率2Hz，边长为6mm方光斑、激光能量为7J，选用15％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上0-18mm范围内进行3次激光冲击强化；

步骤12，空心叶片4根部强化区域第二强化部位2：采用波长为1064nm、脉宽为18ns、重复频率2Hz，边长为6mm方光斑、激光能量为9J，选用10％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上18-30mm范围内进行2次激光冲击强化；

步骤13，空心叶片4根部强化区域第三强化部位3：采用波长为1064nm、脉宽为18ns、重复频率2Hz，边长为6mm方光斑、激光能量为14J，选用5％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上30-40mm范围内进行1次激光冲击强化；

步骤14，吸收层去除及清理：将强化后的两个区域吸收层去除，并用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片4正反两面进行擦拭。

Claims (1)

1.一种基于激光冲击强化的空心叶片增寿控形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，强化区域计算：利用有限元软件模拟空心叶片工作的最大应力位置、薄弱区域，计算出空心叶片需强化的区域范围；

步骤2，加载应力计算：利用有限元软件对空心叶片模型需强化的区域范围继续细分区域，计算各区域能够承受的加载应力；

步骤3，叶片整体变形计算：在空心叶片模型上预加载强化应力，计算空心叶片的变形趋势及变形量；

步骤4，夹具设计：根据空心叶片的变形情况，设计反变形夹具；所述的反变形夹具包括夹具底座、夹具支架、螺纹杆、非金属垫块及金属压头，所述夹具底座上表面对称设置有夹具支架，夹具支架从上至下设置有多个螺纹杆，螺纹杆一端通过螺母固定，另一端设置有金属压头，金属压头端面设置有非金属垫块，通过调整螺纹杆的伸出长度使金属压头压紧空心叶片；

步骤5，路径规划：利用路径规划软件，对空心叶片模型、反变形夹具模型、轨迹机器人模型进行整体计算，计算出空心叶片的激光冲击强化轨迹，避免反变形夹具与激光干涉；

步骤6，零件装夹：将空心叶片榫头通过反变形夹具装夹至轨迹机器人上，使反变形夹具的夹具支架支撑螺纹杆带动金属压头、非金属垫块与空心叶片易变形部位紧密配合，确保待强化区域完全暴露，避免对激光进行干涉；

步骤7，零件清理：用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片正反面进行擦拭，确保无油污；

步骤8，吸收层布置：对叶片叶盆、叶背根部两个待强化区域，首先预置一层宽度为25-60mm、厚度为0.05-0.15mm的铝箔，确保铝箔无褶皱、无划痕，其次在铝箔上面预置一层宽度为25-60mm、厚度为0.1-0.2mm的黑胶带，确保黑胶带无褶皱、无划痕；

步骤9，约束层施加：通过送水机器人的示教盒调整六轴送水机器人的喷水嘴位置，确保能够将自上而下均匀流动厚度为1-3mm的水作为约束层施加到步骤8中的两个待强化区域上，每验证一个区域后记录一次送水机器人的空间坐标并保存；

步骤10，程序编制，在激光冲击强化设备工控机上根据空心叶片数模、反变形夹具数模与转换基准、步骤9中保存的送水机器人空间坐标、激光器工艺参数及各部件的接口命令编制加工程序，试运行程序验证轨迹机器人、送水机器人、激光器各部件运动的匹配合理性；

步骤11，空心叶片根部强化区域第一强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为5-7J，选用10％-25％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上0-20mm范围内进行2-4次激光冲击强化；

步骤12，空心叶片根部强化区域第二强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为9-11J，选用5％-10％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上15-30mm范围内进行1-2次激光冲击强化；

步骤13，空心叶片根部强化区域第三强化部位：采用波长为1064nm、脉宽为15-20ns、重复频率1-3Hz，边长为5-6mm方光斑、激光能量为12-14J，选用0％-8％的搭接率对贴有铝箔与黑胶带组合吸收层的叶片叶盆、叶背根部2个区域距根部往上25-50mm范围内进行1次激光冲击强化；

步骤14，吸收层去除及清理：将强化后的两个区域吸收层去除，并用绢布蘸取无水乙醇对空心叶片正反两面进行擦拭。

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