CN113059287B - 一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法，其特点是采用旋切的激光内外孔加工方法，利用激光通过振镜先从没有热障的外部加工一个通孔，实现带热障涂层火焰筒异型气膜孔的高品质加工。本发明与现有技术相比具有火焰筒工作寿命长，热障涂层无掉块、无开裂，表面无飞溅及烧蚀等缺陷，有效解决了火焰筒带热障涂层的剥离问题，为带热障涂层发动机火焰筒气膜孔制造提供了全新加工手段，实用性强，在航空发动机制造加工中具有良好的应用前景和推广价值。

Description

一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法
技术领域
本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其是一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法。
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，燃烧室最主要的高温部件是火焰筒，在高温、高压的燃烧火焰和热燃气的作用下，火焰筒承受着高强度的热负荷和热冲击负荷，高温部件一直是航空发动机研究的重点。为保障火焰筒在极端高温环境下稳定持续工作，必须对其进行冷却降温，通过在火焰筒合金材科上涂覆涂层并结合气膜冷却的方式是目前采用的主要手段之一。对于带热障涂层火焰筒气膜孔的加工，通常采用电火花打孔，即先打孔再涂覆热障涂层，这种打孔方式存在着涂层材料沉积导致孔径缩小、孔型不规则等问题。
为了解决上述问题，目前，火焰筒气膜孔的加工采用激光加工技术。火焰筒是大型的薄壁件，直径可达1000 mm，需要加工的气膜孔数量多达1~3万个。为了高效率的进行激光加工，通常采用长脉冲、高功率的激光进行冲击式打孔。但长脉冲激光的冲击式加工带热障涂层火焰筒气膜孔，存在着涂层崩碎、剥离等缺陷，严重影响火焰筒的工作寿命，所以亟需研发一种用于解决航空发动机火焰筒热障涂层剥离的异型气膜孔加工方法。
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带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法，采用旋切的激光内外孔加工方法，利用激光通过振镜先从没有热障的外部加工一个通孔，然后从带热障涂层的内部加工异型气膜孔，在高压气体的冲击下，烧蚀物主要通过孔喷到外部，极大的减小了烧蚀喷出物对涂层的影响，实现带热障涂层火焰筒异型气膜孔高品质的加工，涂层无掉块、无开裂、表面无飞溅及烧蚀等缺陷，利用振镜采用旋切打孔代替冲击打孔，极大的减小了热累积效应，有效解决了火焰筒带热障涂层的剥离问题，该内外孔加工方式对于异型气膜孔的孔型控制非常便利，加工出的气膜孔几何尺寸完全符合设计要求，极大地缩短了激光加工热障涂层材料的时间，大大延长了火焰筒的工作寿命，为带热障涂层发动机火焰筒气膜孔制造提供了全新加工手段，实用性强，在航空发动机制造加工中具有良好的应用前景和推广价值。
本发明的目的是这样实现的：一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法，包括五轴平移台和超快激光器组成的激光加工系统，其特点是采用旋切的激光内外孔加工方法，利用激光通过振镜先从没有热障的外部加工一个通孔，然后从带热障涂层的内部进行异型气膜孔的加工，其烧蚀物通过孔内喷到外部，激光内外孔加工具体包括下述步骤：
步骤一：安装误差的校准
采用三维扫描仪对火焰筒进行扫描，将得到的扫描结果与设计模型进行比对并校准安装误差。
步骤二：气膜孔的坐标导入
将设计模型中所有异型气膜孔的入口和出口的方位角和三维坐标一一导入计算机，通过计算机控制五轴平移台对火焰筒进行空间姿态调整，使得每个异型气膜孔的入口和出口均可移至振镜加工头的正下方。
步骤三：加工信息的输入
将异型气膜孔的入口和出口的图形尺寸信息输入计算机，以控制振镜加工头进行标刻。
步骤四：孔出口的加工
使用激光器通过振镜加工头在异型气膜孔的出口加工出与设计尺寸相同的圆形图案，并在火焰筒上形成一个具有一定锥度的圆柱形通孔。
步骤五：所有孔出口的加工
利用五轴平移台对火焰筒进行空间姿态变换，重复步骤四~五，加工下一个异型气膜孔，依次进行所有异型气膜孔的出口的加工。
步骤六：孔入口的加工
通过计算机控制五轴平移台，将火焰筒异型气膜孔的入口移至振镜加工头的正下方，使用激光器通过振镜加工头在异型气膜孔的入口加工出与设计尺寸相同的图案。
步骤七：所有孔入口的加工
利用五轴平移台对火焰筒进行空间姿态变换，重复步骤六~七，加工下一个异型气膜孔的入口，依次进行所有异型气膜孔的入口的加工，直至火焰筒上所有异型孔的加工完毕。
所述振镜加工头的加工过程由计算机控制五轴平移台的竖直轴移至振镜加工头，并调整振镜加工头与火焰筒加工面的距离。
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热障涂层无掉块、无开裂，以及表面无飞溅及烧蚀等缺陷，极大的减小了热累积效应，有效解决了火焰筒带热障涂层的剥离问题，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，孔型控制非常便利，加工出的气膜孔几何尺寸完全符合设计要求，极大地缩短了激光加工热障涂层材料的时间，火焰筒工作寿命长，为带热障涂层发动机火焰筒气膜孔制造提供了全新加工手段，实用性强，在航空发动机制造加工中具有良好的应用前景和推广价值。
附图说明
图1为本发明采用的加工系统示意图；
图2为异型气膜孔加工示意图；
图3为气膜孔入口加工效果图；
图4为气膜孔出口加工效果图。
具体实施方式
下面以异型气膜孔的入口较大且轮廓不规则，具有热障涂层，而孔出口较小为规则的圆形，但没有热障涂层的具体加工为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6，汇聚后光斑直径为50 μm，利用振镜加工头5在火焰筒2上进行异型气膜孔的激光加工，利用五轴平移台4把火焰筒2的异型气膜孔按照设定的方位角和三维坐标定位在振镜加工头5的正下方，异型气膜孔的激光加工具体包括以下步骤：
步骤一：安装误差的校准
通过三维扫描仪1对火焰筒2进行扫描，将得到的扫描结果与设计模型进行比较来校准安装误差。
步骤二：气膜孔的坐标导入
校准安装误差之后，将设计模型中每个异型气膜孔的入口9和出口7的方位角和三维坐标分别导入计算机3，并由计算机3控制五轴平移台4对火焰筒做各种空间姿态的调整，使得每一个气膜孔的入口9和出口7均可以移动到振镜加工头5的正下方。
步骤三：加工信息的输入
将火焰筒异型气膜孔的入口9和出口7的图形尺寸信息输入计算机7，以便控制振镜加工头5进行标刻。
步骤四：孔出口的加工
参阅附图2，加工火焰筒异型气膜孔的出口7，通过计算机3控制五轴平移台4将异型气膜孔的出口7移动到振镜加工头5的正下方，使用激光器6通过振镜加工头5在火焰筒异型气膜孔的出口7加工出与设计尺寸相同的圆形图案。此时，在火焰筒上会形成一个具有一定锥度的圆柱形通孔8，振镜加工头5的加工程序是由计算机3来控制。
步骤五：所有孔出口的加工
完成步骤四之后，一个异型气膜孔出口7便加工好了，然后利用五轴平移台4对火焰筒进行空间姿态变换，重复步骤四和五，加工下一个异型气膜孔。这样就可以在火焰筒上完成所有异型孔出口7的加工。
步骤六：孔入口的加工
加工异型气膜孔的入口9，通过计算机3控制五轴平移台4将异型气膜孔的入口9移动到振镜加工头5的正下方，使用激光器6通过振镜加工头5在异型气膜孔的入口9加工出与设计尺寸相同的图案，振镜加工头5的加工程序是由计算机3来控制。
步骤七：所有孔入口的加工
完成步骤六之后，异型气膜孔的入口9和出口7加工完成，然后利用五轴平移台4对火焰筒进行空间姿态的变换，重复步骤六和七，加工下一个异型气膜孔的入口9，这样就可以在火焰筒上完成所有异型孔的加工。
所述步骤四和六中的异型气膜孔内外打孔过程中需要通过计算机3控制五轴平移台4的竖直轴移动振镜加工头5，调整振镜加工头5与火焰筒2表面的距离，这样有利于深孔的加工。
参阅附图3~图4，异型气膜孔的轮廓清晰，其气膜孔的入口9和出口7的孔径与理论完成一致且内壁光滑，可见异型气膜孔的入口9涂层无崩裂，加工质量好，利用现有简单、稳定的设备加工有效解决了火焰筒带热障涂层的剥离问题，在航空发动机火焰筒异型气膜孔的加工中具有推广应用的价值。
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)

1.一种带热障涂层航空发动机火焰筒的激光内外孔加工方法，包括五轴平移台、振镜加工头和超快激光器组成的激光加工系统，其特征在于采用旋切的激光内外孔加工方法，利用激光通过振镜加工头先从没有热障涂层的外部加工一个通孔，然后从带热障涂层的内部进行异型气膜孔的加工，在高压气体的冲击下，烧蚀物通过孔内喷到外部，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，利用振镜加工头在火焰筒上进行异型气膜孔的激光加工，利用五轴平移台把火焰筒的异型气膜孔按照设定的方位角和三维坐标定位在振镜加工头的正下方，其激光内外孔加工具体包括下述步骤：
步骤一：安装误差的校准
通过三维扫描仪对火焰筒进行扫描，将得到的扫描结果与设计模型进行比对并校准安装误差；
步骤二：气膜孔的坐标导入
将设计模型中所有异型气膜孔的入口和出口的方位角和三维坐标一一导入计算机，通过计算机控制五轴平移台对火焰筒进行空间姿态调整，使得每个异型气膜孔的入口和出口均可移至振镜加工头的正下方；
步骤三：加工信息的输入
将异型气膜孔的入口和出口的图形尺寸信息输入计算机，以控制振镜加工头进行标刻；
步骤四：孔出口的加工
通过计算机控制五轴平移台将异型气膜孔的出口移动到振镜加工头的正下方，使用激光器通过振镜加工头在火焰筒异型气膜孔的出口加工出与设计尺寸相同的圆形图案，在火焰筒上形成一个具有一定锥度的圆柱形通孔，振镜加工头的加工程序由计算机控制；
步骤五：所有孔出口的加工
利用五轴平移台对火焰筒进行空间姿态变换，重复步骤四~五，加工下一个异型气膜孔，依次进行所有异型气膜孔的出口的加工；
步骤六：孔入口的加工
通过计算机控制五轴平移台，将火焰筒异型气膜孔的入口移至振镜加工头的正下方，使用激光器通过振镜加工头在异型气膜孔的入口加工出与设计尺寸相同的图案；
步骤七：所有孔入口的加工
利用五轴平移台对火焰筒进行空间姿态变换，重复步骤六~七，加工下一个异型气膜孔的入口，依次进行所有异型气膜孔的入口加工，直至火焰筒上所有异型孔的加工完毕；
其中步骤4和步骤6中所述异型气膜孔内外打孔过程中需要通过计算机控制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，这样有利于深孔的加工；
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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