CN113059277B - 一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法，包括由五轴平移台与四光楔、超快激光器和计算机组成的激光加工系统，其特点是采用振镜加工头与四光楔协同旋切的方法，利用五轴平移台对火焰筒的空间姿态调整进行异型气膜孔的超快激光加工。本发明与现有技术相比具有精度高，孔型好，无裂纹，没有材料选择性等优点，在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中，取得了较好的加工效果，实用性强，明精度高、可靠、高效，可以用于加工高深径比、内部空间结构复杂的微孔，真正解决了利用较简单、稳定的设备加工多种复杂结构异型气膜孔的难题，具有在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中推广应用的价值。

Description

一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法

技术领域

本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其是一种用于民用航空发动机火焰筒的异型气膜孔加工方法。

背景技术

航空发动机是靠燃烧室高温高压气体推动叶片高速旋转而产生巨大动力，对于目前的高性能燃烧室，燃烧产生的温度高达2400K。即使目前最先进的单晶材料，其熔点也只有为1500K，远低于这个燃烧中心的温度。所以必需采用冷却技术来对暴露在高温燃气侧的火焰筒壁进行冷却。目前气膜孔冷却技术是一种效率比较高的技术。高压冷却气流通过气膜孔，在火焰筒壁形成一层均匀的冷却膜保护层，降低火焰筒壁的温度，使其能承受高温高压气流的冲击。

火焰筒是典型的大尺寸薄壁件，其厚度只有2mm，直径则大于800mm，甚至1000mm以上。在火焰筒上加工1万个以上的异型气膜孔难度极高。筒壁有类陶瓷的热障涂层，且倾角很大，无法使用机械加工。采用电火花加工的工序繁多，重熔层厚，有微裂纹，孔型不规则。近年来，超快激光冷加工技术越来越受到人们重视，它能够克服传统激光、电火花加工等方式的诸多不足。同时，通过对光束空间运动轨迹的调控，配合精密五轴运动系统的发展，这为复杂精密结构激光加工提供了条件。

现有技术的几种激光加工方法仅适用于一般异型孔型的加工，除五轴运动系统外，还需增加其他旋转轴或电控设备，存在通用性不强、设备复杂、重熔层厚及加工效率低等制约因素。在火焰筒上加工1万个以上的异型气膜孔，它不能简单的采用摇篮式五轴联动方法加工异型气膜孔，其主要原因在于：摇篮式五轴机床把火焰筒气膜孔的按照设定的方位角和三维坐标定位在振镜加工头下方，但在加工过程中五轴机床是稳定不动的，高速抖动会导致火焰筒薄壁件形变，二是摇篮、转盘、夹具太重（转盘1000mm的摇篮通常4吨以上），高速抖动的精度很差，不能保证异型气膜孔的孔型和加工精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足而提供的一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法，采用四光楔旋切和振镜加工头协同加工的方法，对航空发动机火焰筒上的异型气膜孔进行皮秒激光加工，利用精密五轴运动系统进行复杂结构的异型孔加工，旋切保证了深孔的加工质量，振镜保证了异型孔的孔型，大大减小了孔边缘的热效应，具有加工方法简便，制作成本低，精度高，孔型好，无裂纹，没有材料选择性等优点，尤其在航空发动机的火焰筒异型气膜冷却孔的加工中，大大提高了异型孔的加工精度和制造质量，取得了较好的加工效果，实用性强，具备广泛的推广和应用前景。

本发明的目的是这样实现的：一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法，包括由五轴平移台与四光楔、超快激光器和计算机组成的激光加工系统，其特点是采用振镜加工头与四光楔协同旋切的方法，利用五轴平移台对火焰筒的空间姿态调整进行异型气膜孔的超快激光加工，具体加工包括下述步骤：

步骤一：使用三维扫描仪对火焰筒进行扫描，将得到的实体模型与设计模型进行比较并校准安装误差，然后根据火焰筒的设计模型，将异型孔的三维坐标一一输入计算机。

步骤二：利用五轴平移台通过计算机对火焰筒的空间姿态进行调整，将气膜孔入口移到振镜加工头的正下方，使用超快激光器通过四光楔的旋切，加工出与气膜孔出口尺寸一致的圆柱形通孔。

步骤三：计算机控制振镜加工头进行标刻，加工出与设计模型一致的气膜孔入口，完成与设计模型尺寸一致的异型孔的加工。

步骤四：利用五轴平移台对火焰筒进行姿态变换，重复第二步和第三步，加工下一个异型孔的旋切，依次完成火焰筒上所有异型气膜孔的加工。

所述振镜加工头和四光楔均由计算机实现旋切程序的控制。

所述五轴平移台由X/Y/Z三维直线平移台上设置的A轴与B轴两个旋转台组成，实现火焰筒的空间姿态调整。

本发明与现有技术相比具有精度高，孔型好，无裂纹，没有材料选择性等优点，较好避免了高速抖动会导致火焰筒薄壁件形变，以及重工件高速抖动导致的孔型误差，加工质量得到了极大提升，使用四光楔旋切加工和振镜加工结合的方法，同时保证了深孔的加工质量和异型孔的孔型，较好的利用了现有的激光加工系统和设备加工复杂结构的异型孔，并成功应用在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中，取得了良好的加工效果，实用性强，有效解决了加工精度、粗糙度、生产效率、制作成本等方面的问题，助于我国自主研发生产的发动机推力不足、寿命短等问题，具备广泛的推广和应用前景。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为四光楔加工的圆柱形通孔示意图；

图3为气膜孔立体图；

图4为气膜孔入口加工效果图；

图5为气膜孔出口加工效果图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参阅附图1，本发明选用波长为1030 nm、单脉冲能量为200 μJ、功率为100 W的超快激光器5，汇聚后光斑直径为50 μm，利用四光楔6旋切和振镜加工头4协同加工的方法，在火焰筒2上进行异型气膜孔11的皮秒激光加工，利用五轴平移台3把火焰筒2的异型孔11按照设定的方位角和三维坐标定位在振镜加工头4的正下方，进行四光楔6与振镜加工头4的协同工作，四光楔6的旋切保证了深孔的加工质量，振镜加工头4保证了异型气膜孔11的孔型，火焰筒2的异型孔11的加工具体包括以下步骤：

步骤一：通过三维扫描仪1对火焰筒2进行扫描，将得到的实体模型与设计进行比较来校准安装误差。然后根据火焰筒2的设计模型，将每一个异型气膜孔11的三维坐标输入到计算机7，计算机7便可以通过控制五轴平移台3对火焰筒2做各种空间姿态的调整，最终将每一个气膜孔入口9均移动到振镜加工头4的正下方。

步骤二：当气膜孔入口9移动到振镜加工头4的正下方后，使用超快激光器5通过四光楔6旋切在火焰筒2的气膜孔入口9位置。

参阅附图2，加工出与气膜孔出口10尺寸一致的圆柱形通8，四光楔6旋切的程序是由计算机7来控制。

步骤三：完成步骤二之后，将火焰筒2的气膜孔入口9的不规则图形尺寸信息输入到计算机7控制振镜加工头4进行标刻，此时便可以加工出与设计模型一致的气膜孔入口9，此入口为不规则图形。

参阅附图3，计算机7控制振镜加工头4进行标刻，加工出与设计模型一致的异型气膜孔11。

步骤四：完成步骤三之后，一个异型气膜孔11便加工好了，然后利用五轴平移台3对火焰筒2进行空间姿态变换，重复步骤二和步骤三，加工下一个异型气膜孔11。以此，重复步骤二和步骤三，这样就可以在火焰筒2上完成所有异型气膜孔11的加工。

所述步骤二中的超快激光器5的激光脉冲打孔，其孔径是通过计算机7中的四光楔6程序和利用五轴平移台3的竖直轴移动振镜加工头4，调整振镜加工头4与火焰筒2表面的距离来控制。

所述步骤三中的超快激光器5激光脉冲加工不规则图形是由计算机7中的振镜加工头4程序控制。

所述火焰筒2的空间姿态定位校准通过三维扫描仪1来进行扫描确定，再将坐标导入计算机7，通过计算机7控制五轴平移台3，实现异型气膜孔11的三维坐标和二维空间方位角定位的；所述气膜孔出口10的直径通过计算机7中的四光楔6程序，以及五轴平移台3的竖直轴移动振镜加工头4，调整振镜加工头4与火焰筒2表面的距离来控制，通过设置计算机7中的四光楔6的参数，加工出与设计孔径值对应的气膜孔出口10。由于气膜孔入口9是不规则图形，因此需要振镜4来加工，通过将气膜孔入口9的尺寸信息导入到计算机7当中，控制振镜加工头4设置标刻的参数，便可以完成气膜孔入口9的加工。

参阅附图4~图5，异型气膜孔11的轮廓清晰，其气膜孔入口9和气膜孔出口10的孔径与理论完成一致且内壁光滑。该加工方法已证明精度高、可靠、高效，可以用于加工高深径比、内部空间结构复杂的微孔，真正解决了利用较简单、稳定的设备加工多种复杂结构异型气膜孔的难题，具有在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中推广应用的价值。

以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种航空发动机火焰筒异型气膜孔的超快激光加工方法，包括由五轴平移台与超快激光器、四光楔、振镜加工头和计算机组成的激光加工系统，其特征在于采用振镜加工头与四光楔协同旋切的方法，利用五轴平移台对火焰筒的空间姿态调整进行异型气膜孔的超快激光加工，选用波长为1030 nm、单脉冲能量为200 μJ、功率为100 W的超快激光器，汇聚后光斑直径为50 μm，利用四光楔旋切和振镜加工头协同加工的方法，在火焰筒上进行异型气膜孔的皮秒激光加工，利用五轴平移台把火焰筒的异型孔按设定的方位角和三维坐标定位在振镜加工头的正下方，进行四光楔与振镜加工头的协同工作，四光楔的旋切保证了深孔的加工质量，振镜加工头保证了异型气膜孔的孔型，火焰筒的异型孔的加工具体包括以下步骤：

步骤一：使用三维扫描仪对火焰筒进行扫描，将得到的实体模型与设计模型进行比较并校准安装误差，然后根据火焰筒的设计模型，将异型气膜孔的三维坐标一一输入计算机；

步骤二：利用五轴平移台，通过计算机对火焰筒的空间姿态进行调整，将气膜孔入口移到振镜加工头的正下方，使用超快激光器通过四光楔的旋切，加工出与气膜孔出口尺寸一致的圆柱形通孔，所述超快激光器的激光脉冲打孔，其孔径是通过计算机中的四光楔程序，以及利用五轴平移台的竖直轴移动振镜加工头，调整振镜加工头与火焰筒表面的距离来控制；

步骤三：将火焰筒的气膜孔入口的不规则图形尺寸信息输入到计算机控制振镜加工头进行标刻，此时便可以加工出与设计模型一致的气膜孔入口，此入口为不规则图形；

步骤四：利用五轴平移台对火焰筒进行姿态变换，重复上述步骤二~步骤三进行下一个异型气膜孔的旋切，依次完成火焰筒上所有异型气膜孔的加工；

所述五轴平移台包括X/Y/Z三维直线平移台上设置的A轴与B轴两个旋转台，实现火焰筒的空间姿态调整。

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