CN112122802B - 一种发动机叶片的激光微加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机叶片的激光微加工工艺，涉及发动机叶片加工技术领域，包括视觉扫描、气膜孔加工、喷砂表面处理以及后处理等步骤，本发明基于机器视觉的图像处理方法，能够获取待加工产品的实际外形参数并得到相应的加工程序，进一步提高了气膜孔加工的精度，同时，也更加智能化。

Description

一种发动机叶片的激光微加工工艺

技术领域

本发明属于发动机叶片加工技术领域，具体涉及一种发动机叶片的激光微加工工艺。

背景技术

在航空发动机涡轮工作叶片、导向叶片上加工气膜冷却孔，是降低涡轮叶片表面温度，从而升高涡轮前温度、提高发动机推重比的有效途径。航空发动机涡轮冷却叶片表面分布有大量的气膜孔，用于对叶片进行冷却。这些气膜孔孔径一般在0.5～0.8mm，空间角度复杂，加工难度大。气膜孔的加工技术已成为涡轮冷却叶片制造的关键技术之一。

目前，某型航空发动机高压涡轮导向叶片的气膜孔的加工过程中，其传统的加工方式是先根据产品的设计尺寸并通过计算机预先设计好加工程序进行加工，但实际操作过程中，考虑到产品的外形尺寸会产生微量的偏差，故如果仍然采用原先的加工程序，显然并不合适，另外，现有的气膜孔加工完成后，还需对其表面黏附的金属飞溅物进行清理，目前没有一套合适的自动化清理设备来实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发动机叶片的激光微加工工艺，特别是应用于内齿圈的淬火，以解决现有技术中导致的上述缺陷。

一种发动机叶片的激光微加工工艺，包括如下步骤：

(1)视觉扫描：将待加工的产品固定于数控机床内的夹具上，借助于安装于机床内的三维扫描仪获取产品的三维图形，并将该三维图形输入到数控机床的控制中心，控制中心获取三维图形后对其进行计算、分析，得到该产品的数控加工参数并生成加工程序；

(2)气膜孔加工：根据加工程序，采用激光打孔工艺，先对叶片的叶身进行进行气膜孔的加工，再对叶片的缘板进行气膜孔的加工；

(3)喷砂表面处理：气膜孔加工完成后，由机械手从夹具上取出产品并放置于产品仓库内，由人工将产品装入到挂具内并逐个悬挂于输送带上的挂钩上，产品随着输送带进入到表面清理工位，接着，清理装置抬升一段距离并将产品完全包裹住，先对叶片的内腔进行喷砂处理，接着再对叶片的外表面进行喷砂处理；

(4)后处理：喷砂处理完成后，关闭喷砂枪，向清理装置内灌满清洗液，并打开与超声波发生器连接的换能器，对其进行超声波清洗，以去除其表面残留的砂子，接着排出清洗液，清理装置复位，产品借助于输送带进入到下一工位。

优选的，激光打孔过程中的参数为：脉宽0.3-0.5ms，频率25-30Hz，激光能量4.0～4.8J。

优选的，所述挂具包括上基座、挂板、安装块以及塞子，所述上基座的顶部开设有一横向的贯通槽，贯通槽的两侧形成两个对称的支撑块，贯通槽内安装有与挂钩配合的挂环，上基座的底部连接有台阶，台阶上通过轴承安装有所述的安装块，安装块上设有横向的装配槽，所述产品设于装配槽内并通过塞子固定。

优选的，所述清理装置包括罩体、升降架、工作台和旋转机构，所述罩体包括从上至下一次连接的上罩体、锥形过渡段以及下罩体，下罩体借助于其外侧的法兰盘安装于升降架上，升降架借助于升降机构一安装于工作台上并能够上下移动，上罩体的上端外侧通过轴承安装有环套，环套借助于旋转机构能够360度旋转，罩体的侧壁上设有一个补水管、若干沿着罩体的轴线等距分布的喷砂枪一以及若干沿着罩体的轴线等距分布的换能器，换能器通过线束连接至超声波发生器，所述锥形过渡段及下罩体内还设有一滑柱，滑柱内安装有喷砂枪二，滑柱的下端连接有圆盘状的底板，底板滑柱的上部外侧设有一密封部，下罩体内滑动连接有套管，套管的下端与底板之间安装有复位弹簧，下罩体的上部侧壁上还连接有排水管，底板借助于安装于升降架上的升降机构二能够在下罩体内上下移动。

优选的，所述旋转机构包括齿圈、齿轮、转动轴、伺服电机、皮带轮一以及皮带轮二，所述齿圈安装于环套的外圈并与齿轮啮合，齿轮通过转动轴连接至皮带轮一，皮带轮一通过皮带与皮带轮二连接，皮带轮二连接至伺服电机的输出端，转动轴的下部通过轴承转动连接于升降架上，上罩体的外圈上还固定有支撑板，转动轴的中部还通过轴承转动连接于支撑板上。

优选的，所述升降机构一包括气缸一和导柱一，气缸一安装于工作台的内顶面且其输出端连接至升降架的底面，导柱一有两个其对称固定于升降架的底面，导柱一滑动连接于工作台上的导向孔内。

优选的，所述升降机构二包括气缸二和导柱二，气缸二安装于升降架的底面且其输出端连接至底板的底面，导柱二有两个其对称固定于底板的底面，导柱二滑动连接于底板上的导向孔内。

优选的，所述环套的上端面设有一环形槽，环形槽内安装有弹性的垫圈。

优选的，所述升降架包括两块平行设置的平板，平板之间通过四根立柱连接，位于下方的平板上还设有一环形的落料盒，落料盒的内圈的直径不小于底板的外径。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于机器视觉的图像处理方法，能够获取待加工产品的实际外形参数并得到相应的加工程序，进一步提高了气膜孔加工的精度，同时，也更加智能化；

(2)本发明借助于清理装置，实现了气膜孔加工后表面黏附的金属飞溅物的清理工作，基于一套设备，实现了喷砂和超声波清洗两道步骤，不仅提高了产品表面质量，同时还提高了表面清理的效率；

(3)本发明借助于挂具，只需将产品插入到安装槽内，再利用塞子封住出口即可完成产品的固定，拆卸方便，其与清理装置配合，能够实现产品的360度自由旋转。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明中挂具及清理装置的工作示意图。

图3为图2的侧视图。

图4为本发明中挂具及输送带部分的爆炸图。

图5为本发明中挂具的截面剖视图。

图6为本发明中清理装置中罩体部分的内部示意图。

图7为本发明工作时叶片与喷砂枪二的相对位置示意图。

图8为本发明中升降架及升降机构一部分的截面剖视图。

图9为本发明中升降架上加装落料盒后的示意图。

其中，1-挂具，11-上基座，12-挂板，13-安装块，14-塞子，15-贯通槽，16-支撑块，17-挂环，18-台阶，19-装配槽，2-清理装置，21-罩体，2101-上罩体，2102-锥形过渡段，2103-下罩体，22-升降架，221-平板，222-立柱，23-工作台，24-旋转机构，241-齿圈，242-齿轮，243-转动轴，244-伺服电机，245-皮带轮一，246-皮带轮二，247-支撑板，25-环套，251-环形槽，252-垫圈，26-补水管，27-喷砂枪一，28-喷砂枪二，29-换能器，210-滑柱，211-底板，212-密封部，213-套管，214-复位弹簧，215-排水管，216-落料盒，217-升降机构一，2171-气缸一，2172-导柱一，218-升降机构二，2181-气缸二，2182-导柱二，219-法兰，3-输送带，4-输送架，5-挂钩，100-产品。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种发动机叶片的激光微加工工艺，包括如下步骤：

(1)视觉扫描：将待加工的产品100固定于数控机床内的夹具上，借助于安装于机床内的三维扫描仪获取产品100的三维图形，并将该三维图形输入到数控机床的控制中心，控制中心获取三维图形后对其进行计算、分析，得到该产品100的数控加工参数并生成加工程序；

(2)气膜孔加工：根据加工程序，采用激光打孔工艺，先对叶片的叶身进行进行气膜孔的加工，再对叶片的缘板进行气膜孔的加工；

(3)喷砂表面处理：气膜孔加工完成后，由机械手从夹具上取出产品100并放置于产品100仓库内，由人工将产品100装入到挂具1内并逐个悬挂于输送带3上的挂钩5上，产品100随着输送带3进入到表面清理工位，接着，清理装置2抬升一段距离并将产品100完全包裹住，先对叶片的内腔进行喷砂处理，接着再对叶片的外表面进行喷砂处理；

(4)后处理：喷砂处理完成后，关闭喷砂枪，向清理装置2内灌满清洗液，并打开与超声波发生器连接的换能器29，对其进行超声波清洗，以去除其表面残留的砂子，接着排出清洗液，清理装置2复位，产品100借助于输送带3进入到下一工位。

在本实施例中，激光打孔过程中的参数为：脉宽0.3-0.5ms，频率25-30Hz，激光能量4.0～4.8J。

如图2至图9所示，在本实施例中，所述挂具1包括上基座11、挂板12、安装块13以及塞子14，所述上基座11的顶部开设有一横向的贯通槽15，贯通槽15的两侧形成两个对称的支撑块16，贯通槽15内安装有与挂钩5配合的挂环17，上基座11的底部连接有台阶18，台阶18上通过轴承安装有所述的安装块13，安装块13上设有横向的装配槽19，所述产品100设于装配槽19内并通过塞子14固定。借助于该结构设计的挂具1，只需将产品100插入到安装槽内，再利用塞子14封住出口即可完成产品100的固定，拆卸方便，其与清理装置2配合，能够实现产品100的360度自由旋转。

在本实施例中，所述清理装置2包括罩体21、升降架22、工作台23和旋转机构24，所述罩体21包括从上至下一次连接的上罩体2101、锥形过渡段2102以及下罩体2103，下罩体2103借助于其外侧的法兰盘219安装于升降架22上，升降架22借助于升降机构一217安装于工作台23上并能够上下移动，上罩体2101的上端外侧通过轴承安装有环套25，环套25借助于旋转机构24能够360度旋转，罩体21的侧壁上设有一个补水管26、若干沿着罩体21的轴线等距分布的喷砂枪一27以及若干沿着罩体21的轴线等距分布的换能器29，换能器29通过线束连接至超声波发生器，所述锥形过渡段2102及下罩体2103内还设有一滑柱210，滑柱210内安装有喷砂枪二28，滑柱210的下端连接有圆盘状的底板211，底板211滑柱210的上部外侧设有一密封部212，下罩体2103内滑动连接有套管213，套管213的下端与底板211之间安装有复位弹簧214，下罩体2103的上部侧壁上还连接有排水管215，底板211借助于安装于升降架22上的升降机构二218能够在下罩体2103内上下移动。

在本实施例中，所述旋转机构24包括齿圈241、齿轮242、转动轴243、伺服电机244、皮带轮一245以及皮带轮二246，所述齿圈241安装于环套25的外圈并与齿轮242啮合，齿轮242通过转动轴243连接至皮带轮一245，皮带轮一245通过皮带与皮带轮二246连接，皮带轮二246连接至伺服电机244的输出端，转动轴243的下部通过轴承转动连接于升降架22上，上罩体2101的外圈上还固定有支撑板247，转动轴243的中部还通过轴承转动连接于支撑板247上。

在本实施例中，所述升降机构一217包括气缸一2171和导柱一2172，气缸一2171安装于工作台23的内顶面且其输出端连接至升降架22的底面，导柱一2172有两个其对称固定于升降架22的底面，导柱一2172滑动连接于工作台23上的导向孔内。

在本实施例中，所述升降机构二218包括气缸二2181和导柱二2182，气缸二2181安装于升降架22的底面且其输出端连接至底板211的底面，导柱二2182有两个其对称固定于底板211的底面，导柱二2182滑动连接于底板211上的导向孔内。

在本实施例中，所述环套25的上端面设有一环形槽251，环形槽251内安装有弹性的垫圈252，用于密封。

在本实施例中，所述升降架22包括两块平行设置的平板221，平板221之间通过四根立柱222连接，位于下方的平板221上还设有一环形的落料盒216，落料盒216的内圈的直径不小于底板211的外径。

本发明中清理装置2的具体工作过程如下：

首先，产品100到达上罩体2101的正上方后，升降机构一217驱动升降架22抬高一定高度，环套25的上端与挂板12接触并压紧，借助于垫圈252密封，而挂板12上方的支撑块16由于与输送带3侧面的输送架4抵接，故被暂时固定，挂板12能够旋转。此时的喷砂枪二28伸入到产品100的内腔一段距离，接着伺服电机244启动，齿轮242带动齿圈241旋转，齿圈241再带动挂板12连同产品100一起旋转，与此同时，喷砂枪一27先启动，并向产品100的内腔高速喷出细砂，对内腔进行表面处理，待产品100旋转一圈或数圈后，关闭喷砂枪二28，开启喷砂枪一27，对产品100的外表面喷砂，待产品100旋转一圈或数圈后，关闭喷砂枪一27，喷砂的过程中，细砂会沿着锥形过渡段2102、套管213内壁排至落料盒216内被收集；

接着，气缸二2181驱动底板211下降一段距离，密封部212与套管213紧密接触，借助于补水管26向罩体21内灌满清洗液，并开启超声波发生器，进行超声波清洗，清除附着在产品100表面的细砂以及清理下来的金属飞溅物，清洗结束后，底板211继续下降一段距离，并借助于密封部212驱动套管213也随之下降一段距离，直至排水管215与下罩体2103内腔连通，此时，清洗液经排水管215排出即可；

最后，气缸一2171驱动升降架22下降至初始位置，上罩体2101与产品100完全分离，输送带3继续向前移动，产品100进入下一工序。如此往复，即可实现连续清理。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：

（1）视觉扫描：将待加工的产品（100）固定于数控机床内的夹具上，借助于安装于机床内的三维扫描仪获取产品（100）的三维图形，并将该三维图形输入到数控机床的控制中心，控制中心获取三维图形后对其进行计算、分析，得到该产品（100）的数控加工参数并生成加工程序；

（2）气膜孔加工：根据加工程序，采用激光打孔工艺，先对叶片的叶身进行气膜孔的加工，再对叶片的缘板进行气膜孔的加工；

（3）喷砂表面处理：气膜孔加工完成后，由机械手从夹具上取出产品（100）并放置于产品（100）仓库内，由人工将产品（100）装入到挂具（1）内并逐个悬挂于输送带（3）上的挂钩（5）上，产品（100）随着输送带（3）进入到表面清理工位，接着，清理装置（2）抬升一段距离并将产品（100）完全包裹住，先对叶片的内腔进行喷砂处理，接着再对叶片的外表面进行喷砂处理；

（4）后处理：喷砂处理完成后，关闭喷砂枪，向清理装置（2）内灌满清洗液，并打开与超声波发生器连接的换能器（29），对其进行超声波清洗，以去除其表面残留的砂子，接着排出清洗液，清理装置（2）复位，产品（100）借助于输送带（3）进入到下一工位；

所述清理装置（2）包括罩体（21）、升降架（22）、工作台（23）和旋转机构（24），所述罩体（21）包括从上至下一次连接的上罩体（2101）、锥形过渡段（2102）以及下罩体（2103），下罩体（2103）借助于其外侧的法兰盘（219）安装于升降架（22）上，升降架（22）借助于升降机构一（217）安装于工作台（23）上并能够上下移动，上罩体（2101）的上端外侧通过轴承安装有环套（25），环套（25）借助于旋转机构（24）能够360度旋转，罩体（21）的侧壁上设有一个补水管（26）、若干沿着罩体（21）的轴线等距分布的喷砂枪一（27）以及若干沿着罩体（21）的轴线等距分布的换能器（29），换能器（29）通过线束连接至超声波发生器，所述锥形过渡段（2102）及下罩体（2103）内还设有一滑柱（210），滑柱（210）内安装有喷砂枪二（28），滑柱（210）的下端连接有圆盘状的底板（211），底板（211）滑柱（210）的上部外侧设有一密封部（212），下罩体（2103）内滑动连接有套管（213），套管（213）的下端与底板（211）之间安装有复位弹簧（214），下罩体（2103）的上部侧壁上还连接有排水管（215），底板（211）借助于安装于升降架（22）上的升降机构二（218）能够在下罩体（2103）内上下移动。

2.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：激光打孔过程中的参数为：脉宽0.3-0.5ms，频率25-30Hz，激光能量4.0～4.8J。

3.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述挂具（1）包括上基座（11）、挂板（12）、安装块（13）以及塞子（14），所述上基座（11）的顶部开设有一横向的贯通槽（15），贯通槽（15）的两侧形成两个对称的支撑块（16），贯通槽（15）内安装有与挂钩（5）配合的挂环（17），上基座（11）的底部连接有台阶（18），台阶（18）上通过轴承安装有所述的安装块（13），安装块（13）上设有横向的装配槽（19），所述产品（100）设于装配槽（19）内并通过塞子（14）固定。

4.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述旋转机构（24）包括齿圈（241）、齿轮（242）、转动轴（243）、伺服电机（244）、皮带轮一（245）以及皮带轮二（246），所述齿圈（241）安装于环套（25）的外圈并与齿轮（242）啮合，齿轮（242）通过转动轴（243）连接至皮带轮一（245），皮带轮一（245）通过皮带与皮带轮二（246）连接，皮带轮二（246）连接至伺服电机（244）的输出端，转动轴（243）的下部通过轴承转动连接于升降架（22）上，上罩体（2101）的外圈上还固定有支撑板（247），转动轴（243）的中部还通过轴承转动连接于支撑板（247）上。

5.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述升降机构一（217）包括气缸一（2171）和导柱一（2172），气缸一（2171）安装于工作台（23）的内顶面且其输出端连接至升降架（22）的底面，导柱一（2172）有两个其对称固定于升降架（22）的底面，导柱一（2172）滑动连接于工作台（23）上的导向孔内。

6.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述升降机构二（218）包括气缸二（2181）和导柱二（2182），气缸二（2181）安装于升降架（22）的底面且其输出端连接至底板（211）的底面，导柱二（2182）有两个其对称固定于底板（211）的底面，导柱二（2182）滑动连接于底板（211）上的导向孔内。

7.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述环套（25）的上端面设有一环形槽（251），环形槽（251）内安装有弹性的垫圈（252）。

8.根据权利要求1所述的一种发动机叶片的激光微加工工艺，其特征在于：所述升降架（22）包括两块平行设置的平板（221），平板（221）之间通过四根立柱（222）连接，位于下方的平板（221）上还设有一环形的落料盒（216），落料盒（216）的内圈的直径不小于底板（211）的外径。

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