CN114939741A - 涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法，装备包括监控系统、五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片的旋转及在X向、Y向的移动，通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片进行加工；激光旋切装置用于对涡轮叶片进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层和微热影响区，实现气膜冷却孔的高效高质量加工。本发明为全自动加工，提高了加工质量和加工效率，可实现涡轮叶片气膜冷却孔的高效高质量加工。

Description

涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装 备及方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片气膜冷却孔制备技术领域，具体而言，尤其涉及一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法。

背景技术

推重比是衡量航空发动机工作性能的一个最重要的指标，为了提升发动机的推重比，最常用的方式是升高涡轮前燃气温度，故涡轮叶片工作时需要承受极高的温度。目前推重比10的发动机涡轮前燃气温度约为1900K，而推重比15～20的战机发动机涡轮前燃气温度可达2100～2300K，均已超过用于制作涡轮叶片的高温合金的熔点，因此需要用特定方式对涡轮叶片进行隔热与冷却。隔热方式通常采用热障涂层技术，即在叶片表面涂覆热导率低的陶瓷涂覆层进行隔热；冷却方式通常采用气膜冷却技术，即通过大量的气膜孔将内部通道的冷空气释放到叶片表面形成一层气膜以达到冷却目的。一台高性能航空发动机的涡轮叶片上共有上万个气膜冷却孔，孔径一般在0.25～1.25mm，加工数量多且加工难度大。气膜冷却孔加工技术是航空发动机制造的关键技术，如何快速高效地获得孔壁质量好，无重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷的气膜冷却孔一直是涡轮叶片制造的难题之一。

目前，涡轮叶片气膜孔常用的加工方法有脉冲激光加工、电火花加工和电液束加工。带热障涂层的涡轮叶片气膜孔的加工，需要先穿透表面的陶瓷热障涂层，再穿透叶片的高温合金基体。电火花加工成本低、效率高、工艺成熟，是目前加工涡轮叶片气膜孔的主流加工方法，但由于其加工机理是通过电极放电去除材料，而陶瓷属于非导电性材料，因此无法加工带陶瓷涂层的涡轮叶片；电液束加工孔壁质量高，不存在重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷，但加工效率极低，实践生产中并不常用。脉冲激光加工是最常用的加工带陶瓷热障涂层的涡轮叶片气膜孔的加工方法，但由于陶瓷本身的热膨胀系数较低且与高温合金的热膨胀系数相差较大，加工过程中的热应力会导致热障涂层及涂层与基体的中间连接面产生裂纹。同时，基体金属在高温下熔化形成液滴，会形成重铸层及附着残渣等缺陷。中国专利“复合脉冲激光打孔方法及装置”，专利公开号为CN201511021452.9提出：将短脉宽脉冲和长脉宽脉冲通过组束装置进行组束，构成高重频复合脉冲，并通过引导整形装置将高重频复合脉冲发射到构件上进行激光打孔。上述方法及装置吸取了纳秒脉冲列加工小孔熔留层较薄，而微秒脉冲补偿了纳秒脉冲的熔流时间以及在孔壁上损失的能量的特性，使得熔化的残渣可以有效地喷出孔外，可以有效地降低气膜孔最大重铸层厚度，但仍然会有重铸层及热影响区存在，且加工效率较低。因此，急需开发一种能够快速高效地获得孔壁质量好，无重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣等缺陷的气膜孔的加工装备及方法。

发明内容

根据上述提出的现有航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的技术问题，而提供一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法。本发明主要利用激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，从而实现涡轮叶片气膜冷却孔的高效高质量加工，并能够加工异型孔。且本发明装备可解决气膜冷却孔加工效率低、加工质量差的技术难题。

本发明采用的技术手段如下：

一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，包括：监控系统以及由监控系统控制的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，超声冲击装置、激光旋切装置和监控系统均安装在五轴联动数控平台上，磨料射流装置安装在激光旋切装置上，涡轮叶片安装在五轴联动数控平台上，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片进行旋转以及进行X向和Y向的移动，使涡轮叶片置于加工位置；通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片进行加工；

所述激光旋切装置用于对涡轮叶片进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层和微热影响区，实现涡轮叶片曲面上气膜冷却孔的高效高质量加工。

进一步地，所述五轴联动数控平台具有沿X向、Y向和Z向平动以及沿A轴和C轴转动的五个自由度，可进行五轴联动在涡轮叶片曲面上加工异型气膜冷却孔。

进一步地，所述五轴联动数控平台包括底座、立柱、X向滑台、Y向滑台、Z向滑台、A轴旋转工作台和C轴旋转工作台，立柱和Y向滑台均安装在底座上，Z向滑台安装在立柱上，X向滑台连接在Y向滑台上，A轴旋转工作台安装在X向滑台上，C轴旋转工作台安装在A轴旋转工作台上，涡轮叶片通过专用夹具固定在C轴旋转工作台上，超声冲击装置和激光旋切装置均安装在Z向滑台上；C轴旋转工作台用于实现涡轮叶片沿C轴方向进行转动，A轴旋转工作台用于实现C轴旋转工作台带着涡轮叶片沿A轴方向进行转动，X向滑台用于实现A轴旋转工作台进行X向的平动，Y向滑台用于实现X向滑台进行Y向的平动；Z向滑台用于实现超声冲击装置和激光旋切装置进行Z向的平动。

进一步地，所述磨料射流装置中设置有磨料射流喷嘴，磨料射流装置由监控系统的工控机控制，在激光旋切装置对涡轮叶片进行激光旋切打孔的同时，通过压缩空气在喷嘴处产生负压，高压气体与微纳磨粒混合形成气-固两相射流从喷嘴处喷出。

进一步地，所述超声冲击装置为非接触式超声冲击设备，所述非接触式超声冲击设备具有非接触式超声冲击头，超声冲击头旁轴放置，用于在旁轴对加工区域施加超声波；其中，在激光旋切装置对涡轮叶片进行激光旋切打孔的同时，超声冲击头利用超声波驱动磨料射流装置产生的微纳磨粒对激光加工区域进行磨抛，实现气膜冷却孔的高效高质量加工；

所述非接触式超声冲击设备的额定功率为1～1.2kW，工作频率为20～50kHz。

进一步地，所述激光旋切装置包括飞秒激光器、光路整形系统和旋光发生系统，飞秒激光器产生的激光束进入光路整形系统整形后，再经过旋光发生系统变为旋切激光，以作用于涡轮叶片上对其进行激光旋切打孔。

进一步地，所述旋光发生系统由高速旋转电机、偏转模块及横向位移模块组成，高速旋转电机带动偏转模块和横向位移模块同步高速转动，以控制整形后的激光束的轨迹，经一系列偏移后使旋光发生系统实现旋切。

进一步地，所述飞秒激光器的额定功率为50～80W，脉冲宽度为40～60fs。

进一步地，所述监控系统包括高速相机和工控机，工控机安装在五轴联动数控平台的立柱上，高速相机放置在激光旋切装置的旋光发生系统上，倾斜放置，拍摄加工区域，用于对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，并将图像监测结果传输至工控机，以进行反馈调节。

本发明还提供了一种使用涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备加工涡轮叶片气膜冷却孔的方法，包括如下步骤：

步骤一、待加工的涡轮叶片通过专用夹具装夹在C轴旋转工作台上，通过五轴联动数控平台的五轴联动确定加工位置，待涡轮叶片到达加工位置后，飞秒激光器射出的激光束进入光路整形系统进行整形，再进入旋光发生系统产生旋切飞秒激光作用于涡轮叶片，击穿叶片热障涂层和叶片基体；

步骤二、与此同时，磨料射流喷嘴通过压缩空气在喷嘴出口处产生负压，高压气体与固体微纳磨粒混合形成气-固两相磨料射流，超声冲击头在旁轴对加工区域施加超声波，利用超声能场效应使得固体微纳磨粒粒子簇发生共振，强化其与周围介质的热对流、热交换，并通过高频微振调控驱动固体磨粒对激光加工区域进行抛磨，冲击激光加工区域，去除飞秒激光加工留下的微重铸层和微热影响区；激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现气膜冷却孔的高效高质量加工，获得表面光洁、质量好的气膜冷却孔孔壁；在整个加工过程中，高速相机一直对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，将图像监测结果反馈至工控机，识别加工过程中的异常现象，进行缺陷智能化分析，实时闭环控制，保证加工质量。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法，其五轴数控机床、超声冲击装置、磨料射流装置、激光旋切装置和监控系统均与工控机相连，为全自动加工，提高了加工质量和加工效率。

2、本发明提供的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法，激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现涡轮叶片气膜冷却孔的高效高质量加工，并能够加工异型孔。

3、本发明提供的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备及方法，超声振动辅助和磨料射流冲击，可以对飞秒激光旋切加工后的孔壁进行后处理以获得高质量孔壁，解决了气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的技术难题。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的问题。

基于上述理由本发明可在涡轮叶片气膜冷却孔制备等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装备示意图。

图2为本发明加工原理图。

图中：1、底座；2、立柱；3、超声冲击头；4、Z向滑台；5、工控机；6、飞秒激光器；7、光路整形系统；8、旋光发生系统；9、高速相机；10、磨料射流喷嘴；11、涡轮叶片；12、专用夹具；13、C轴旋转工作台；14、A轴旋转工作台；15、X向滑台；16、Y向滑台；17、叶片基体；18、叶片热障涂层；19、微重铸层；20、磨料射流；21、旋切飞秒激光；22、超声波。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

针对现有航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的技术难题，本发明提出一种航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切气膜冷却孔加工装备和方法，该装备解决了气膜冷却孔加工效率低、加工质量差的技术难题。

所述涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，包括：监控系统以及由监控系统控制的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，超声冲击装置、激光旋切装置和监控系统均安装在五轴联动数控平台上，磨料射流装置安装在激光旋切装置上，涡轮叶片11安装在五轴联动数控平台上，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片11进行旋转以及进行X向和Y向的移动，使涡轮叶片11置于加工位置；通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片11进行加工；所述激光旋切装置用于对涡轮叶片11进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层19和微热影响区，实现涡轮叶片11曲面上气膜冷却孔的高效高质量加工。

实施例1

如图1-2所示，一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，包括五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置、激光旋切装置和监控系统。五轴联动数控平台用于实现涡轮叶片曲面上气膜冷却孔加工，包括底座1、立柱2、X向滑台15、Y向滑台16、Z向滑台4、A轴旋转工作台14、C轴旋转工作台13，超声冲击装置为非接触式超声冲击头3，磨料射流装置为磨料射流喷嘴10，激光旋切装置包括飞秒激光器6、光路整形系统7、旋光发生系统8，监控系统包括高速相机9和工控机5。

涡轮叶片通过专用夹具固定在工作台上，五轴联动数控平台进行五轴联动使涡轮叶片置于正确加工位置；飞秒激光器射出的激光束经光路整形系统整形后，再经旋光发生系统产旋切激光作用于涡轮叶片上对其进行激光旋切打孔，同时磨料射流装置中高压气体与固体微纳磨粒混合形成气-固两相射流并从喷嘴处喷出，超声冲击装置在旁轴对加工区域施加超声波，利用超声能场效应使得磨料粒子簇发生“共振”，强化其与周围介质的热对流、热交换，并通过高频微振调控驱动固体磨粒对激光加工区域进行抛磨，冲击激光加工区域，去除飞秒激光加工热量累积效应留下的微重铸层、微热影响区。激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现叶片气膜冷却孔的高效高质量加工；高速相机倾斜放置在旋光发生系统8外壳上，对加工状况进行实时监测，并将监测结果传输给工控机，以进行反馈调节。

本实施例中，五轴联动数控平台拥有沿X向、Y向、Z向平动和沿A轴、C轴转动五个自由度，可进行五轴联动在涡轮叶片曲面上加工异型气膜冷却孔。具体地，立柱2和Y向滑台16均安装在底座1上，Z向滑台4安装在立柱2上，X向滑台15连接在Y向滑台16上，A轴旋转工作台14安装在X向滑台15上，C轴旋转工作台13安装在A轴旋转工作台14上，涡轮叶片11通过专用夹具12固定在C轴旋转工作台13上，超声冲击装置和激光旋切装置均安装在Z向滑台4上；C轴旋转工作台13用于实现涡轮叶片11沿C轴方向进行转动，A轴旋转工作台14用于实现C轴旋转工作台13带着涡轮叶片11沿A轴方向进行转动，X向滑台15用于实现A轴旋转工作台14进行X向的平动，Y向滑台16用于实现X向滑台15进行Y向的平动；Z向滑台4用于实现超声冲击装置和激光旋切装置进行Z向的平动。

本实施例中，超声冲击装置为非接触式超声冲击设备，其非接触式超声冲击头3旁轴放置，在激光旋切装置对涡轮叶片11进行激光旋切打孔的同时，利用超声波22驱动磨料射流装置产生的微纳磨粒对激光加工区域进行磨抛，实现叶片气膜冷却孔的高效高质量加工。

本实施例中，磨料射流装置由工控机5控制，在激光旋切装置对涡轮叶片11进行激光旋切打孔的同时，通过压缩空气在磨料射流喷嘴10处产生负压，高压气体与微纳磨粒混合形成气-固两相射流从喷嘴处喷出。

本实施例中，激光旋切装置由飞秒激光器6、光路整形系统7和旋光发生系统8组成，飞秒激光器6产生的激光束进入光路整形系统7整形，再经过旋光发生系统8变为旋切激光，以作用于涡轮叶片11上对其进行激光旋切打孔。

本实施例中，旋光发生系统8由高速旋转电机、偏转模块及横向位移模块组成，高速旋转电机带动两个模块(偏转模块及横向位移模块)同步高速转动以控制整形后的激光束的轨迹，经一系列偏移后使其实现旋切。

本实施例中，监控系统的工控机5安装在立柱2上，高速相机9放置在激光旋切装置的旋光发生系统8外壳上，倾斜放置，拍摄加工区域，对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，将图像监测结果反馈至工控机5，识别加工过程中的异常现象，进行缺陷智能化分析，实时闭环控制，保证加工质量。

本实施例中，飞秒激光器6的额定功率为50～80W，脉冲宽度为40～60fs，超声冲击设备的额定功率为1～1.2kW，工作频率为20～50kHz。

本发明涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备加工气膜冷却孔的方法，是一种涡轮叶片气膜冷却孔热障涂层与合金基体一体化加工方法，具体步骤如下：

待加工的涡轮叶片11通过专用夹具12装夹在C轴旋转工作台13上，通过五轴联动数控平台的五轴联动确定加工位置，待叶片到达加工位置后，飞秒激光器6射出的激光束进入光路整形系统7进行整形，再进入旋光发生系统8产生旋切飞秒激光21作用于叶片，击穿叶片热障涂层18和叶片基体17。

与此同时，磨料射流喷嘴10通过压缩空气在喷嘴出口处产生负压，高压气体与固体微纳磨粒混合形成气-固两相磨料射流20，超声冲击头3在旁轴对加工区域施加超声波，利用超声能场效应使得固体微纳磨粒粒子簇发生“共振”，强化其与周围介质的热对流、热交换，并通过高频微振调控驱动固体磨粒对激光加工区域进行抛磨，冲击激光加工区域，去除飞秒激光加工留下的微重铸层19和微热影响区。激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现叶片气膜冷却孔的高效高质量加工，获得表面光洁、质量好的气膜冷却孔孔壁。

在整个加工过程中，高速相机9一直对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，将图像监测结果反馈至工控机5，识别加工过程中的异常现象，进行缺陷智能化分析，实时闭环控制，保证加工质量。

本发明的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置、激光旋切装置和监控系统均与工控机相连，为全自动加工，提高了加工质量和加工效率。激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现叶片气膜冷却孔的高效高质量加工，并能够加工异型孔。超声振动辅助和磨料射流冲击，可以对飞秒激光旋切加工后的孔壁进行后处理以获得高质量孔壁，解决了气膜冷却孔在传统加工过程中孔壁常出现重铸层、热影响区、飞溅及附着残渣的技术难题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，包括：监控系统以及由监控系统控制的五轴联动数控平台、超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置，超声冲击装置、激光旋切装置和监控系统均安装在五轴联动数控平台上，磨料射流装置安装在激光旋切装置上，涡轮叶片(11)安装在五轴联动数控平台上，通过五轴联动数控平台来实现涡轮叶片(11)进行旋转以及进行X向和Y向的移动，使涡轮叶片(11)置于加工位置；通过五轴联动数控平台来实现超声冲击装置、磨料射流装置和激光旋切装置进行Z向的移动，对涡轮叶片(11)进行加工；

所述激光旋切装置用于对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔以加工出气膜冷却孔，磨料射流装置和超声冲击装置协同作用来去除气膜冷却孔处激光加工热量累积效应留下的微重铸层(19)和微热影响区，实现涡轮叶片(11)曲面上气膜冷却孔的高效高质量加工。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述五轴联动数控平台具有沿X向、Y向和Z向平动以及沿A轴和C轴转动的五个自由度，可进行五轴联动在涡轮叶片(11)曲面上加工异型气膜冷却孔。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述五轴联动数控平台包括底座(1)、立柱(2)、X向滑台(15)、Y向滑台(16)、Z向滑台(4)、A轴旋转工作台(14)和C轴旋转工作台(13)，立柱(2)和Y向滑台(16)均安装在底座(1)上，Z向滑台(4)安装在立柱(2)上，X向滑台(15)连接在Y向滑台(16)上，A轴旋转工作台(14)安装在X向滑台(15)上，C轴旋转工作台(13)安装在A轴旋转工作台(14)上，涡轮叶片(11)通过夹具固定在C轴旋转工作台(13)上，超声冲击装置和激光旋切装置均安装在Z向滑台(4)上；C轴旋转工作台(13)用于实现涡轮叶片(11)沿C轴方向进行转动，A轴旋转工作台(14)用于实现C轴旋转工作台(13)带着涡轮叶片(11)沿A轴方向进行转动，X向滑台(15)用于实现A轴旋转工作台(14)进行X向的平动，Y向滑台(16)用于实现X向滑台(15)进行Y向的平动；Z向滑台(4)用于实现超声冲击装置和激光旋切装置进行Z向的平动。

4.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述磨料射流装置中设置有磨料射流喷嘴(10)，磨料射流装置由监控系统的工控机(5)控制，在激光旋切装置对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔的同时，通过压缩空气在喷嘴处产生负压，高压气体与微纳磨粒混合形成气-固两相射流从喷嘴处喷出。

5.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述超声冲击装置为非接触式超声冲击设备，所述非接触式超声冲击设备具有非接触式超声冲击头(3)，超声冲击头(3)旁轴放置，用于在旁轴对加工区域施加超声波(22)；其中，在激光旋切装置对涡轮叶片(11)进行激光旋切打孔的同时，超声冲击头(3)利用超声波(22)驱动磨料射流装置产生的微纳磨粒对激光加工区域进行磨抛，实现气膜冷却孔的高效高质量加工；

所述非接触式超声冲击设备的额定功率为1～1.2kW，工作频率为20～50kHz。

6.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述激光旋切装置包括飞秒激光器(6)、光路整形系统(7)和旋光发生系统(8)，飞秒激光器(6)产生的激光束进入光路整形系统(7)整形后，再经过旋光发生系统(8)变为旋切激光，以作用于涡轮叶片(11)上对其进行激光旋切打孔。

7.根据权利要求6所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述旋光发生系统(8)由高速旋转电机、偏转模块及横向位移模块组成，高速旋转电机带动偏转模块和横向位移模块同步高速转动，以控制整形后的激光束的轨迹，经一系列偏移后使旋光发生系统(8)实现旋切。

8.根据权利要求6所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述飞秒激光器(6)的额定功率为50～80W，脉冲宽度为40～60fs。

9.根据权利要求1所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备，其特征在于，所述监控系统包括高速相机(9)和工控机(5)，工控机(5)安装在五轴联动数控平台的立柱(2)上，高速相机(9)放置在激光旋切装置的旋光发生系统(8)上，倾斜放置，拍摄加工区域，用于对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，并将图像监测结果传输至工控机(5)，以进行反馈调节。

10.一种使用如权利要求1-9任意一项权利要求所述的涡轮叶片气膜冷却孔超声射流辅助飞秒激光旋切复合加工装备加工涡轮叶片气膜冷却孔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、待加工的涡轮叶片(11)通过夹具装夹在C轴旋转工作台(13)上，通过五轴联动数控平台的五轴联动确定加工位置，待涡轮叶片(11)到达加工位置后，飞秒激光器(6)射出的激光束进入光路整形系统(7)进行整形，再进入旋光发生系统(8)产生旋切飞秒激光(21)作用于涡轮叶片(11)，击穿叶片热障涂层(18)和叶片基体(17)；

步骤二、与此同时，磨料射流喷嘴(10)通过压缩空气在喷嘴出口处产生负压，高压气体与固体微纳磨粒混合形成气-固两相磨料射流(20)，超声冲击头(3)在旁轴对加工区域施加超声波(22)，利用超声能场效应使得固体微纳磨粒粒子簇发生共振，强化其与周围介质的热对流、热交换，并通过高频微振调控驱动固体磨粒对激光加工区域进行抛磨，冲击激光加工区域，去除飞秒激光加工留下的微重铸层(19)和微热影响区；激光-超声-射流三者协同加工，耦合作用，实现气膜冷却孔的高效高质量加工，获得表面光洁、质量好的气膜冷却孔孔壁；在整个加工过程中，高速相机(9)一直对气膜冷却孔加工状况进行实时监测，将图像监测结果反馈至工控机(5)，识别加工过程中的异常现象，进行缺陷智能化分析，实时闭环控制，保证加工质量。

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