CN117680828A - 一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，叶片安装在加工设备上，对叶片上的气膜孔的孔位进行多特征点定位以及进行倒圆定位；并提取叶片的三维倒圆数据，并将三维倒圆数据转化为二维加工数据，从而得到气膜孔倒圆的加工数据输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆，本发明是一种精确、高效、高质量的倒圆加工工艺方法，实现了叶片气膜孔与倒圆的加工工艺在同一加工设备、同一光源以及进行原位加工，本发明采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆，从而有效的缩短了加工流程，降低了对叶片表面完整性损害，避免了叶片异物残留的风险，提高了发动机的性能安全。

Description

一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，涉及一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法。

背景技术

涡轮叶片表面的加工气膜孔倒圆工艺通常是指在涡轮叶片上进行倒圆处理，以改善气膜孔的性能。这种工艺的目的是善气膜孔孔口质量，减少和防止裂纹产生。这个工艺的主要目标之一是减小气膜孔的直径，以便更有效地形成保护性的气膜。倒圆处理后的气膜孔还有助于减小气膜孔的边缘尖锐度，从而降低空气流动的阻力，提高气膜的稳定性。但是，这样的工艺一般需要高精度的机械加工或激光加工设备，并需要严格的质量控制来确保倒圆效果的一致性。这对于涡轮机械中的高温、高速应用尤为重要，以确保叶片表面的气膜能够有效地提供保护。

目前，加工叶片气膜孔的倒圆多采用磨粒流、磁力研磨、机械钻削等方式进行，加工流程长且对叶片表面完整性损害较大，部分工艺存在叶片异物残留等风险，对发动机性能安全存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，从而有效的缩短了加工流程，降低了对叶片表面完整性损害，避免了叶片异物残留的风险，提高了发动机的性能安全。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，包括，

S1，将叶片安装在加工设备上，并对叶片上气膜孔的孔位进行多特征点定位；

S2，对多特征点定位后的气膜孔孔位进行倒圆定位；

S3，对倒圆定位后的气膜孔孔位的叶片提取三维倒圆数据，并将三维倒圆数据转化为二维加工数据，从而得到气膜孔倒圆的加工数据；

S4，将气膜孔倒圆的加工数据输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆。

优选的，所述S1中通过快换工装将叶片安装在加工设备回转C轴上。

优选的，在多特征点定位时，通过选取多个叶片特征点进行叶片上气膜孔位置的定位。

优选的，所述气膜孔位置的定位时，沿气膜孔的加工方向对气膜孔进行沿上法线方向修正以及沿制孔方向修正。

优选的，S2的具体过程为：

将叶片气膜孔的孔心通过视觉系统进行对中找正，并采用视觉寻焦进行激光焦点寻焦，从而实现对叶片气膜孔孔位的倒圆定位。

优选的，S3中三维倒圆数据转化为二维加工数据的具体步骤包括：

对叶片的三维模型提取、三维模型分层处理、三维加工轮廓提取、三维轮廓投影为二维加工轮廓以及倒圆二维图形数据填充，从而得到气膜孔倒圆的加工数据。

优选的，S3中提取三维倒圆数据采用UG软件。

优选的，所述S4中对气膜孔倒圆进行加工的具体过程为：

S401，调用倒圆加工程序，采用飞秒激光振镜扫描工艺加工气膜孔膜上的倒圆；

S402，调用修整程序，采用飞秒激光旋切扫描工艺修整倒圆与气膜孔之间的过渡区域。

优选的，将加工完成后的气膜孔倒圆，利用压缩空气风枪清除气膜孔倒圆工件表面金属粉尘及污染物。

优选的，所述气膜孔的加工工艺采用飞秒激光加工工艺、电火花工艺或长脉冲激光工艺。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，叶片安装在加工设备上，对叶片上的气膜孔的孔位进行多特征点定位以及进行倒圆定位；并提取叶片的三维倒圆数据，并将三维倒圆数据转化为二维加工数据，从而得到气膜孔倒圆的加工数据输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆，本发明实现了叶片气膜孔与倒圆的加工工艺在同一加工设备、同一光源以及原位加工，是一种精确、高效、高质量的倒圆加工工艺方法；对一次加工成型气膜孔和倒圆加工处理后，无需再进行后处理工艺，从而有效的缩短了加工周期，提高了生产效率，降低了生产成本，有效的提高叶片气膜孔倒圆质量及效率。本发明采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆，从而有效的缩短了加工流程，降低了对叶片表面完整性损害，避免了叶片异物残留的风险，提高了发动机的性能安全。

此外，本发明还可以实现采用不同工艺加工后的气膜孔，但未进行倒圆处理后的气膜孔，采用本发明的加工工艺进行不同工艺加工后气膜孔的倒圆处理，有效扩展了本发明的倒圆加工的应用广泛性。

附图说明

图1为涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法流程图；

图2为多特征点定位图及叶片姿态调整气膜孔位置定位图，图(a)为多特征点定位图，图(b)为叶片姿态调整气膜孔位置定位图；

图3为气膜孔倒圆位置视觉定位图；

图4为三维倒圆数据转化为二维加工数据的过程图，图(a)为三维模型提取，图(b)为三维模型分层处理，图(c)为三维加工轮廓提取，图(d)三维轮廓投影为二维加工轮廓，图(e)为倒圆二维图形数据填充；

图5为气膜孔倒圆二维加工数据图；

图6为光束扫描工艺示意图，图(a)为旋切扫描工艺，图(b)为振镜扫描工艺；

图7为飞秒激光振镜扫描工艺加工气膜孔膜上的倒圆示意图，图(a)为加工气膜孔上的倒圆，图(b)为气膜孔；

图8为修整过渡区域示意图，图(a)为飞秒激光旋切扫描工艺修整过渡区域；

图9为叶片气膜孔倒圆清理后实物图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，具体包括以下步骤，如图1所示

(1)叶片固定安装：将叶片通过快换工装将叶片安装在加工设备回转C轴上。

(2)叶片气膜孔孔位定位：通过气膜孔加工数据，将已加工好的气膜孔(未进行倒圆处理)的叶片进行多特征点定位(如图2所示)，通过选取多个叶片特征点进行叶片上气膜孔位置的精确定位，包括沿法线方向修正、沿制孔方向修正)，实现叶片气膜孔孔位精确定位。

(3)叶片气膜孔孔位倒圆定位：将气膜孔孔心通过视觉系统进行对中找正，并采用视觉寻焦进行激光焦点寻焦。(如图3所示)

(4)倒圆图形数据处理：通过UG软件或其它图形处理软件在叶片模型上提取三维倒圆数据，将三维倒圆数据转化为二维加工数据，包括三维模型提取、三维模型分层处理、三维加工轮廓提取、三维轮廓投影为二维加工轮廓、倒角/倒圆二维图形数据填充(如图4所示)。其中，视觉寻焦，将激光焦点与视觉清晰度统一，通过视觉系统进行激光焦点自动寻焦。

(5)飞秒激光光束扫描的方式进行气膜孔倒圆加工：将处理完成的气膜孔倒圆数据(如图5所述)输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺进行扫描加工(如图6所示)。

按以下顺序加工：

1)调用倒圆加工程序，采用飞秒激光振镜扫描工艺加工气膜孔膜上的倒圆(如图7所示)。

2)调用修整程序，采用飞秒激光旋切扫描工艺修整倒圆与气膜孔之间的过渡区域(如图8所示)。

(6)工件表面清理：将加工完成的叶片气膜孔的倒圆，利用压缩空气风枪吹干净工件表面金属粉尘及污染物。

(7)工件质量检查：检查气膜孔倒圆加工质量。

实施例1，

以一种单晶工作叶片气膜孔倒圆加工为例：一种单晶工作叶片，已采用飞秒激光工艺加工了330个Φ0.3～Φ0.5±0.03mm气膜群孔，现对其330个气膜群孔进行孔口倒圆处理，要求无毛刺、且孔表面粗糙度Ra3.2及金相组织要求较高(无重熔层、无微裂纹、无热影响区)。

现采用基于飞秒激光光束扫描方式的涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法进行加工，通过下述的步骤实现的：

(1)叶片固定安装：将叶片通过快换工装将叶片安装在加工设备回转C轴上

(2)叶片气膜孔孔位定位：通过气膜孔加工数据，将已加工好气膜孔(未进行倒圆处理)的叶片进行多特征点定位，通过选取多个叶片特征点进行叶片上气膜孔位置的精确定位，包括沿法线方向修正、沿制孔方向修正)，实现叶片气膜孔孔位精确定位。

(3)叶片气膜孔孔位倒圆定位：将气膜孔孔心通过视觉系统进行对中找正，并采用视觉寻焦进行激光焦点寻焦。

(4)倒圆图形数据处理：通过UG软件或其它图形处理软件在叶片模型上提取三维倒圆数据，将三维倒圆数据转化为二维加工数据，包括三维模型提取、三维模型分层处理、三维加工轮廓提取、三维轮廓投影为二维加工轮廓、倒角/倒圆二维图形数据填充。

(5)飞秒激光光束扫描的方式进行气膜孔倒圆加工：将处理完成的气膜孔倒圆数据输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺进行扫描加工。飞秒激光光束扫描工艺包括了秒激光振镜扫描工艺与飞秒激光旋切扫描工艺；

按以下顺序加工：

a)调用倒圆加工程序，采用飞秒激光振镜扫描工艺加工气膜孔膜上的倒圆(图7)。

b)调用修整程序，采用飞秒激光旋切扫描工艺修整倒圆与气膜孔之间的过渡区域。

(6)工件表面清理：将加工完成的叶片气膜孔倒圆，利用压缩空气风枪吹干净工件表面金属粉尘及污染物。

(7)工件质量检查：检查气膜孔倒圆加工质量。

此外，本发明还可以实现采用不同工艺加工后的气膜孔，但未进行倒圆处理后的气膜孔，采用本发明的加工工艺进行不同工艺加工后气膜孔的倒圆处理，有效扩展了本发明的倒圆加工的应用广泛性。

例如：电火花工艺加工气膜孔+飞秒激光振镜扫描工艺加工倒圆；长脉冲激光工艺加工气膜孔+飞秒激光振镜扫描工艺加工倒圆；

将叶片的三维倒圆数据转化为二维加工数据通常包括多个步骤。以下是一般的步骤和方法：

1.对叶片三维模型提取：从设计软件或其他源中提取叶片的三维模型。一般由工程师使用计算机辅助设计(CAD)软件创建的。

2.三维模型分层处理：将三维模型进行分层处理，将其分解为适当的切片或层。为了在后续的步骤中更好地处理和转换为二维数据。

3.三维加工轮廓提取：从三维模型中提取与倒圆相关的轮廓信息。这可能涉及到选择特定的表面或曲线，以确定加工轮廓。

4.三维轮廓投影为二维加工轮廓：将三维轮廓投影到一个平面上，以生成二维加工轮廓。这可以通过选择一个适当的平面进行投影，通常与叶片的几何形状和设计要求相匹配。

5.二维加工轮廓进行倒圆处理：对二维加工轮廓进行倒圆处理。这可能涉及到将轮廓边缘进行倒角或倒圆，以便改善气膜孔的性能。

6.倒圆二维图形数据填充：将倒圆后的二维图形数据进行填充，确保它们符合制造和加工的要求。这可能包括添加必要的信息，如切割路径、工具轨迹等。

7.质量控制和验证：进行质量控制步骤，确保生成的二维加工数据与设计规范一致，并符合制造要求。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或加工设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或加工设备固有的其它步骤或单元。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，包括，

S1，将叶片安装在加工设备上，并对叶片上气膜孔的孔位进行多特征点定位；

S2，对多特征点定位后的气膜孔孔位进行倒圆定位；

S3，对倒圆定位后的气膜孔孔位的叶片提取三维倒圆数据，并将三维倒圆数据转化为二维加工数据，从而得到气膜孔倒圆的加工数据；

S4，将气膜孔倒圆的加工数据输入加工程序中，采用飞秒激光光束扫描工艺在气膜孔上加工倒圆。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，所述S1中通过快换工装将叶片安装在加工设备回转C轴上。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，在多特征点定位时，通过选取多个叶片特征点进行叶片上气膜孔位置的定位。

4.根据权利要求3所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，所述气膜孔位置的定位时，沿气膜孔的加工方向对气膜孔进行沿上法线方向修正以及沿制孔方向修正。

5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，S2的具体过程为：

将叶片气膜孔的孔心通过视觉系统进行对中找正，并采用视觉寻焦进行激光焦点寻焦，从而实现对叶片气膜孔孔位的倒圆定位。

6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，S3中三维倒圆数据转化为二维加工数据的具体步骤包括：

对叶片的三维模型提取、三维模型分层处理、三维加工轮廓提取、三维轮廓投影为二维加工轮廓以及倒圆二维图形数据填充，从而得到气膜孔倒圆的加工数据。

7.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，S3中提取三维倒圆数据采用UG软件。

8.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，所述S4中对气膜孔倒圆进行加工的具体过程为：

S401，调用倒圆加工程序，采用飞秒激光振镜扫描工艺加工气膜孔膜上的倒圆；

S402，调用修整程序，采用飞秒激光旋切扫描工艺修整倒圆与气膜孔之间的过渡区域。

9.根据权利要求8所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，将加工完成后的气膜孔倒圆，利用压缩空气风枪清除气膜孔倒圆工件表面金属粉尘及污染物。

10.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片表面微小群孔孔口倒圆工艺方法，其特征在于，所述气膜孔的加工工艺采用飞秒激光加工工艺、电火花工艺或长脉冲激光工艺。