CN115922112B - 用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，包括机架，机架上固接有平行激光发生组件、四光楔系统、同轴成像模组、振镜系统，四光楔系统位于振镜系统上方，振镜系统下方设有工件，工件安装在工件多轴移动平台上。本发明可以达到提高气膜孔的质量，降低涂层和基底之间出现裂纹、涂层脱落、剥离现象发生的目的。

Description

用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法。

背景技术

在航空发动机、燃气轮机中，广泛使用边界层冷却法提高发动机内部的耐受温度，通常在高温部件上加工出一系列分布的的气膜孔，通过气膜孔生成的工件表面的冷气膜可以隔绝热量传递至工件。有些新型发动机会同时使用陶瓷的热障涂层覆盖在工件表面，从而进一步提高工件耐受温度。然而由于热障涂层的不导电特性，因此对于常规的电火花加工的技术手段就十分困难，因此，业界广泛使用激光加工气膜孔的方式。

控制激光光束运动加工的方式有很多种，每种都有独特的优势和劣势，四光楔可以控制激光的加工角度，因此可以良好的控制加工的孔型，很好的控制孔锥度，包括加工出倒锥孔，然而由于使用高功率激光器快速加工气膜孔，强大的热量积累会导致热量在孔周围积累，由于涂层的热胀系数和基体不尽相同，并且不断的会有应力积累，会导致涂层和基底之间出现裂纹甚至涂层脱落或者剥离现象的发生，涂层和基底的粘附性下降，从而导致气膜孔质量下降，影响发动机稳定性和工作寿命，因此亟需一种用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法来解决。

发明内容

本发明的目的是提供用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，以解决上述问题，达到提高气膜孔的质量，降低涂层和基底之间出现裂纹、涂层脱落、剥离现象发生的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，包括机架，所述机架上固接有平行激光发生组件、四光楔系统、同轴成像模组、振镜系统，所述四光楔系统位于所述振镜系统上方，所述振镜系统下方设有工件，所述工件安装在工件多轴移动平台上。

优选的，所述平行激光发生组件包括激光器，所述激光器与所述机架固接，所述激光器发射端设有激光器准直透镜，所述激光器准直透镜远离所述激光器一侧设有45°全反射镜，所述激光器发出的激光经过所述激光器准直透镜形成准直后的准平行激光束。

优选的，所述四光楔系统包括角度偏转光楔组件和位置光楔组件，所述位置光楔组件位于所述角度偏转光楔组件下方；所述角度偏转光楔组件包括第一光楔和第二光楔，所述第一光楔的斜面和所述第二光楔的斜面互相远离，所述第一光楔和所述第二光楔之间呈角度设置；所述位置光楔组件包括第三光楔和第四光楔，所述第三光楔的斜面和所述第四光楔的斜面互相靠近，所述第三光楔和所述第四光楔呈中心对称设置。

优选的，所述同轴成像模组包括同轴监控系统和双色镜，同轴监控系统用于生成工件的图像，双色镜用于反射所述准直后的准平行激光束。

优选的，所述振镜系统包括振镜x轴反射镜和振镜y轴反射镜，所述振镜x轴反射镜旋转轴线与所述振镜y轴反射镜旋转轴线空间垂直，所述振镜x轴反射镜一端固接有振镜x轴驱动电机的输出轴，所述振镜y轴反射镜一端固接有振镜y轴驱动电机的输出轴，所述振镜x轴驱动电机和所述振镜y轴驱动电机均与所述机架固接。

优选的，所述振镜y轴反射镜下方设有聚焦透镜，所述准直后的准平行激光束通过所述聚焦透镜后形成旋转的激光束。

用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，基于所述用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置，包括以下步骤：

步骤一：使所述四光楔系统和所述振镜系统处于复位状态，通过同轴成像模组观测所述工件的位置，通过所述工件多轴移动平台调整好工件状态和聚焦位置；

步骤二：通过所述振镜系统在所述工件表面加工出有锥度气膜孔；

步骤三：使所述振镜系统处于复位状态，通过所述四光楔系统进而将所述有锥度气膜孔加工为无锥度气膜孔。

本发明具有如下技术效果：高速振镜系统在加工气膜孔时，激光入口相较于激光出口孔径大，这种方式非常不利于气膜孔在发动机中的空气流动和加工高深径比的孔，但是由于光束的角度内偏，有利于涂层部分的散热，加工带涂层的工件时，对涂层的损伤较低，合适的参数可以使得涂层和基底的剥离长度低于0.2毫米甚至没有任何剥离。另一方面，利用四光楔系统加工，可以得到很好的深径比和很小的孔锥度，但是由于光线的外扩，容易在涂层连接处造成热量累积，非常容易导致涂层的损伤。在本发明中，将振镜系统和四光楔系统有序结合，分步骤加工的方式，有机整合了振镜和光楔的优点，先使用振镜加工出有锥度，不损伤热障涂层的情况下，然后使用光楔加工出无锥度的孔，达到满足要求的孔型。该设备能使用计算机协同控制，自动进行加工，加工效率高，并且设备集成简单，能够直接应用在激光头上，无需更复杂改造和精确的控制设备。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明结构示意图；

图2为本发明机械机构示意图；

图3为本发明步骤二中加工出的有锥度气膜孔截面示意图；

图4为本发明步骤三中加工出的无锥度气膜孔截面示意图；

图5为直接使用振镜系统加工出的工件截面实物图；

图6为直接使用四光楔系统加工出的工件截面实物图；

图7为本发明有锥度气膜孔实物图；

图8为本发明气膜孔涂层剥离长度的统计图；

其中，1、激光器；2、四光楔系统；3、振镜系统；4、同轴监控系统；5、聚焦透镜；6、工件；7、有锥度气膜孔；8、无锥度气膜孔；91、光楔加工时的涂层损伤和裂纹；92、复合加工时的涂层损伤和裂纹；11、激光器准直透镜；12、准直后的准平行激光束；13、45°全反射镜；31、振镜x轴驱动电机；32、振镜x轴反射镜；33、振镜y轴反射镜；34、振镜y轴驱动电机；41、双色镜；42、外部工件照明光；56、旋转的激光束；561、振镜加工时激光束在旋转过程中内偏光束；562、四光楔加工时激光束在旋转过程中外偏光束；61、工件陶瓷热障涂层；62、工件高温合金基底；101、核心控制系统；102、计算机操作系统；111、工件多轴移动平台；21、角度偏转光楔组件；22、位置光楔组件；211、第一光楔；212、第二光楔；221、第三光楔；222、第四光楔。

具体实施方式

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。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-8，本发明提供一种用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，包括机架（图1中未画出，图2中有显示），机架上固接有平行激光发生组件、四光楔系统2、同轴成像模组、振镜系统3，四光楔系统2位于振镜系统3上方，振镜系统3下方设有工件6，工件6安装在工件多轴移动平台111上。

具体的，平行激光发生组件、四光楔系统2、同轴成像模组、振镜系统3、工件多轴移动平台111均电性连接有核心控制系统101，核心控制系统101电性连接有计算机操作系统102；工件6为厚度为2mm的高温合金，工件6表面涂覆有热障涂层，热障涂层为0.35mm的陶瓷热障涂层；可在工件6斜上方设置外部工件照明光42；工件6包括工件高温合金基底62和工件陶瓷热障涂层61，工件高温合金基底62和工件陶瓷热障涂层61互相固接，工件陶瓷热障涂层61位于工件高温合金基底62上方。

平行激光发生组件可产生平行的激光，四光楔系统2可将有锥度气膜孔7加工为无锥度气膜孔8，同轴成像模组用于观测工件6的位置，工件多轴移动平台111可带动工件6运动，方便对工件6不同位置进行打孔处理，通过本发明的装置，先加工出有锥度气膜孔7，再将有锥度气膜孔7的加工为无锥度气膜孔8，将振镜系统3和四光楔系统2有序结合，分步骤加工的方式，有机整合了两者的优点，先使用振镜系统3加工出有锥度，不损伤热障涂层的情况下，然后使用四光楔系统2加工出无锥度的孔，达到满足要求的孔型。该设备能使用计算机协同控制，自动进行加工，加工效率高，并且设备集成简单，能够直接应用在激光头上，无需更复杂改造和精确的控制设备。

进一步优化方案，平行激光发生组件包括激光器1，激光器1与机架固接，激光器1发射端设有激光器准直透镜11，激光器准直透镜11远离激光器1一侧设有45°全反射镜13，激光器1发出的激光经过激光器准直透镜11形成准直后的准平行激光束12。

激光器1优选纳秒激光器，功率为300W，脉宽为240ns，单脉冲能量为2mJ，重复频率为150kHz；激光器1发出的1064nm波长的激光通过激光器准直透镜11形成准直后的准平行激光束12，经过45°全反射镜13将准直后的准平行激光束12转移到四光楔系统2中。

进一步优化方案，四光楔系统2包括角度偏转光楔组件21和位置光楔组件22，位置光楔组件22位于角度偏转光楔组件21下方；角度偏转光楔组件21包括第一光楔211和第二光楔212，第一光楔211的斜面和第二光楔212的斜面互相远离，第一光楔211和第二光楔212之间呈角度设置；位置光楔组件22包括第三光楔221和第四光楔222，第三光楔221的斜面和第四光楔222的斜面互相靠近，第三光楔221和第四光楔222呈中心对称设置。

具体的，第一光楔211、第二光楔212、第三光楔221和第四光楔222为倾角很小的光学透明楔形薄片，当第一光楔211、第二光楔212相互靠近，光束通过时会让光固定偏离中心轴向（光轴）一定角度，偏转的角度大小取决于第一光楔211、第二光楔212的相对角度，偏转的方向取决于第一光楔211、第二光楔212的绝对角度，第一光楔211、第二光楔212保持固定的角度，并同向同角速度旋转，这样光通过该角度偏转光楔组件21时就会导致光会以固定偏转角度沿着轴向旋转。

在位置光楔组件22中，第三光楔221和第四光楔222相对方向为180°，其轴向距离可调，光束通过时会让光固定偏移中心轴向一定距离，偏移和未偏移的光束相互平行，偏移的距离取决于第三光楔221和第四光楔222的相对距离，偏移的方向取决于第三光楔221和第四光楔222的绝对角度，两片光楔保持固定的180°角度，并保持一定距离，并同向同角速度旋转，这样光通过该角度偏转组件时就会导致光会以固定偏移量沿着轴向旋转。

总体的，根据角度偏转光楔组件21和位置光楔组件22的相同作用，四光楔系统2的整体作用就会使得光束在可控偏转位置和偏转角度的情况下沿着光轴旋转，从而做到旋切的目的。四光楔系统2不影响激光的传输。第一光楔211、第二光楔212、第三光楔221和第四光楔222的动作可通过旋转电机和直线电机的配合来实现，其连接方式为现有技术在此不做赘述。

进一步优化方案，同轴成像模组包括同轴监控系统4和双色镜41，同轴监控系统4用于生成工件6的图像，双色镜41用于反射准直后的准平行激光束12。

进一步优化方案，振镜系统3包括振镜x轴反射镜32和振镜y轴反射镜33，振镜x轴反射镜32旋转轴线与振镜y轴反射镜33旋转轴线空间垂直，振镜x轴反射镜32一端固接有振镜x轴驱动电机31的输出轴，振镜y轴反射镜33一端固接有振镜y轴驱动电机34的输出轴，振镜x轴驱动电机31和振镜y轴驱动电机34均与机架固接。

具体的，在振镜系统3中，在核心控制系统101的作用下，可以将最终加工的方向绘制成圆形，从而也可以做到旋切的目的。其复位状态为振镜x轴反射镜32和振镜y轴反射镜33互相呈45°摆放，其最终效果为将入射激光偏转90°并入射到聚焦透镜5的中心位置。

进一步优化方案，振镜y轴反射镜33下方设有聚焦透镜5，准直后的准平行激光束12通过聚焦透镜5后形成旋转的激光束56。

其中，四光楔系统2的产品型号为Rhino型号，振镜系统3的型号为intelliSCAN30，同轴监控系统4的型号为UCMOS09000KPB；

激光器1、第一光楔211、第二光楔212、第三光楔221、第四光楔222、振镜x轴反射镜32、振镜y轴反射镜33、同轴监控系统4均与核心控制系统101电性连接。

一种用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，基于用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置，包括以下步骤：

步骤一：使四光楔系统2和振镜系统3处于复位状态，通过同轴成像模组观测工件6的位置，通过工件多轴移动平台111调整好工件6状态和聚焦位置其中工件多轴移动平台111为ALS50060WB平台；同轴监控系统4可以实时显示工件6表面的图像，其清晰度与工件6和聚焦透镜5的距离相关，设备经过校准，最清晰的状态是激光聚焦最优的状态，因此可通过工件多轴移动平台111调整工件6和聚焦透镜5的距离便可调整好监控图像的清晰度，从而调整好激光聚焦位置；聚焦时的焦点在工件6表面以下2mm处；工件6的平面法线和水平面的倾斜角度为15~90°。

步骤二：通过振镜系统3在工件6表面加工出有锥度气膜孔7；

振镜x轴驱动电机31带动振镜x轴反射镜32转动，振镜y轴驱动电机34带动振镜y轴反射镜33转动，从而使准直后的准平行激光束12做螺旋扫描运动，进而使工件6表面形成有锥度气膜孔7；光束螺旋线的移动速度为500mm/s，螺旋线间隔为2μm，螺旋线直径为0.5mm；四光楔系统2转速为1000mm/s，圆形扫描直径为0.45mm；聚焦的高能激光在工件6表面进行剧烈加热，使得局部材料发生液化、气化，从而从工件6表面分离，工件6上形成凹坑，在计算机操作系统102控制振镜x轴反射镜32和振镜y轴反射镜33，从而控制激光螺旋扫描，进而形成大的凹坑和孔洞，随着时间的推移，工件6上孔洞逐渐加深，而孔壁逐渐缩窄，最终形成有锥度气膜孔7，其锥度约为4°。

步骤三：使振镜系统3处于复位状态，通过四光楔系统2进而将有锥度气膜孔7加工为无锥度气膜孔8；

使振镜系统3处于复位状态，固定第一光楔211和第二光楔212之间的角度，固定第三光楔221和第四光楔222之间的距离，使第一光楔211、第二光楔212、第三光楔221和第四光楔222同步同向转动，从而使准直后的准平行激光束12做旋转运动，进而将有锥度气膜孔7加工为无锥度气膜孔8。由于四光楔系统2的特殊工作模式，四光楔加工时激光束在旋转过程中外偏光束562比振镜加工时激光束在旋转过程中内偏光束561的外偏角很大，因此光束聚焦在工件6孔洞上时，会在通孔的内壁上聚焦更多能量，将有锥度气膜孔7进一步加工成无锥度气膜孔8，完成气膜孔的加工。而此步激光不会在工件6表面的涂层聚焦，因此对涂层的损伤很小。四光楔系统2控制光束的圆形外圈直径略小于振镜系统3控制的螺旋线直径。

进一步优化方案，四光楔系统2复位状态为第一光楔211和第二光楔212之间的角度为180°且边部平齐。

进一步优化方案，振镜系统3复位状态为振镜x轴反射镜32和振镜y轴反射镜33互成45°摆放。

使用该方案中步骤一到步骤三的加工带有涂层的气膜孔之后，通过对工件6进行剖切，得到的结果明显，对比图5和图6，可见只使用振镜系统3加工的工件6的孔型是一个正锥度的孔截面，并且实物图中的涂层疏损伤极小。而只使用四光楔系统2加工的工件6的孔型是一个基本无锥度截面，而且其光楔加工时的涂层损伤和裂纹91（分层）十分严重，甚至到达了1.3mm以上的程度。

而使用本发明的装置和方法复合加工，如图7，可见其截面基本无锥度，而复合加工时的涂层损伤和裂纹92只有0.35mm左右的分层。另外大批量测试显示，如图8，其复合加工时的涂层损伤和裂纹92程度平均在0.3mm左右，最大不超过0.5mm，其加工效果完全满足要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (3)

1.用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，其特征在于：通过用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置实现，所述用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置包括机架，所述机架上固接有平行激光发生组件、四光楔系统(2)、同轴成像模组、振镜系统(3)，所述四光楔系统(2)位于所述振镜系统(3)上方，所述振镜系统(3)下方设有工件(6)，所述工件(6)安装在工件多轴移动平台(111)上；

所述平行激光发生组件包括激光器(1)，所述激光器(1)与所述机架固接，所述激光器(1)发射端设有激光器准直透镜(11)，所述激光器准直透镜(11)远离所述激光器(1)一侧设有45°全反射镜(13)，所述激光器(1)发出的激光经过所述激光器准直透镜(11)形成准直后的准平行激光束(12)；

所述四光楔系统(2)包括角度偏转光楔组件(21)和位置光楔组件(22)，所述位置光楔组件(22)位于所述角度偏转光楔组件(21)下方；所述角度偏转光楔组件(21)包括第一光楔(211)和第二光楔(212)，所述第一光楔(211)的斜面和所述第二光楔(212)的斜面互相远离，所述第一光楔(211)和所述第二光楔(212)之间呈角度设置；所述位置光楔组件(22)包括第三光楔(221)和第四光楔(222)，所述第三光楔(221)的斜面和所述第四光楔(222)的斜面互相靠近，所述第三光楔(221)和所述第四光楔(222)呈中心对称设置；

所述振镜系统(3)包括振镜x轴反射镜(32)和振镜y轴反射镜(33)，所述振镜x轴反射镜(32)旋转轴线与所述振镜y轴反射镜(33)旋转轴线空间垂直，所述振镜x轴反射镜(32)一端固接有振镜x轴驱动电机(31)的输出轴，所述振镜y轴反射镜(33)一端固接有振镜y轴驱动电机(34)的输出轴，所述振镜x轴驱动电机(31)和所述振镜y轴驱动电机(34)均与所述机架固接；

用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，基于所述用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工装置，包括以下步骤：

步骤一：使所述四光楔系统(2)和所述振镜系统(3)处于复位状态，通过同轴成像模组观测所述工件(6)的位置，通过所述工件多轴移动平台(111)调整好工件(6)状态和聚焦位置；

步骤二：通过所述振镜系统(3)在所述工件(6)表面加工出有锥度气膜孔(7)；

步骤三：使所述振镜系统(3)处于复位状态，通过所述四光楔系统(2)进而将所述有锥度气膜孔(7)加工为无锥度气膜孔(8)；

四光楔系统(2)控制光束的圆形外圈直径略小于振镜系统(3)控制的螺旋线直径；

在所述步骤三中，使所述振镜系统(3)处于复位状态，固定所述第一光楔（211）和所述第二光楔（212）之间的角度，固定所述第三光楔（221）和所述第四光楔（222）之间的距离，使所述第一光楔（211）、所述第二光楔（212）、所述第三光楔（221）和所述第四光楔（222）同步同向转动，从而使所述准直后的准平行激光束（12）做旋转运动，进而将有所述锥度气膜孔（7）加工为所述无锥度气膜孔（8）。

2.根据权利要求1所述用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，其特征在于：所述同轴成像模组包括同轴监控系统(4)和双色镜(41)，同轴监控系统(4)用于生成工件(6)的图像，双色镜(41)用于反射所述准直后的准平行激光束(12)。

3.根据权利要求1所述用于气膜孔加工的四光楔和振镜一体化加工方法，其特征在于：所述振镜y轴反射镜(33)下方设有聚焦透镜(5)，所述准直后的准平行激光束(12)通过所述聚焦透镜(5)后形成旋转的激光束(56)。