一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及皮秒、飛秒等超快激光加工系統(tǒng)方面的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，提高飛機(jī)發(fā)動機(jī)的效率和推重比是通過提升燃燒室的溫度來實(shí)現(xiàn)，由于燃燒室的溫度在發(fā)動機(jī)工作時(shí)會達(dá)到1800°C以上，并且該溫度值與耐高溫的單晶高溫合金材料的渦輪葉片的熔點(diǎn)相近，造成了葉片的使用壽命縮短，發(fā)動機(jī)性能降低，使葉片在工作時(shí)，處于一個有安全隱患的環(huán)境下。目前，普遍采用了先進(jìn)的氣膜孔冷卻技術(shù)，使得渦輪葉片的使用壽命得到了延長，為葉片的正常工作提供了一個安全有效的環(huán)境，同時(shí)也使發(fā)動機(jī)的性能得到了提升。
[0003]氣膜孔冷卻技術(shù)是需要在葉片上打出成百上千個孔，冷卻氣體可以通過葉片上的小孔覆蓋整個葉片表面形成氣膜，從而隔絕外界溫度達(dá)到冷卻的作用。常規(guī)加工冷卻氣膜孔的方法包括:高速電火花打孔(EMD)、電化學(xué)打孔(ECM)、傳統(tǒng)的激光打孔(Laser)等方法。高速電火花打孔屬于熱加工，只能加工導(dǎo)電材料。高速電火花打孔加工速度快，但是，其電極制作和修復(fù)困難，加工尺寸精度不可控，加工錐度不可控，表面粗糙度低，毛刺多，容易產(chǎn)生重熔層。電化學(xué)打孔也叫電解打孔。電化學(xué)打孔不會產(chǎn)生重熔層，但是，其孔的輪廓形狀不可控，加工粗糙度差，不能加工異型孔，加工速度極慢，生產(chǎn)效率低，成本高。激光打孔加工能力較強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，氣膜冷卻孔的尺寸可以任意調(diào)節(jié)，對空間狹窄的加工難度大的部位進(jìn)行打孔，加工過程中不存在電極損耗的問題，不污染材料，工作噪聲小，對環(huán)境友好，在數(shù)控工作臺上安裝零件不需要制作復(fù)雜的工裝，是最適宜作為新機(jī)研制時(shí)打孔的工藝方法。傳統(tǒng)的激光打孔使用的是微秒U(xiǎn)s)和納秒(ns)激光，由于脈沖寬度長，導(dǎo)致和物質(zhì)作用時(shí)間長，屬于熱加工。熱加工對材料會產(chǎn)生一些影響，使用傳統(tǒng)脈沖激光打孔對被加工葉片損傷的示意圖如圖1所示，傳統(tǒng)脈沖激光的脈寬比較長，圖中黑色部分越長代表脈沖寬度越長，與被加工件作用時(shí)間越長，熱效應(yīng)越大。傳統(tǒng)脈沖激光加工原理是使被加工件內(nèi)部會沸騰，并通過氣化方式去除。在此過程中在被加工件內(nèi)部形成熔化區(qū)、重熔層，并且有很大范圍的熱影響區(qū)，在熱影響區(qū)內(nèi)會產(chǎn)生微裂紋。同時(shí)在材料內(nèi)部還產(chǎn)生沖擊波，熱量傳向周圍材料。在被加工件表面有噴射的熔化材料形成的碎片，沖擊波導(dǎo)致的褶皺，并且對臨近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的破壞，因此重熔層比較厚，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。
[0004]先進(jìn)的新型發(fā)動機(jī)對氣膜孔加工質(zhì)量要求越來越高，為了避免影響葉片的使用性能，不允許重熔層的存在。重熔層也可以稱為再鑄層，內(nèi)部常含有微裂紋，大大降低了材料的高溫力學(xué)性能。曾經(jīng)報(bào)道過飛機(jī)發(fā)動機(jī)在工作時(shí)從氣膜孔處疲勞斷裂的事故。因此，消除重熔層，并且適合大批量生產(chǎn)的加工葉片氣膜孔的方法急待提出。
[0005]高速電火花打孔和傳統(tǒng)的激光打孔都屬于熱加工，都不可避免的存在重熔層。高速電火花打孔還有一個缺點(diǎn)，只能加工導(dǎo)電材料。葉片表層有不導(dǎo)電的熱障層，高速電火花無法直接加工葉片，需要除掉葉片表層的熱障層之后才能加工。電化學(xué)打孔雖然不產(chǎn)生重熔層，但是效率太低，成本高，不適合大批量生產(chǎn)。電火花一電解組合加工雖然可以去除重熔層，但加工過程繁瑣、效率低、精度不可控，還有設(shè)備腐蝕損耗等問題?，F(xiàn)有技術(shù)尚不能解決在高效加工時(shí)不產(chǎn)生重熔層的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的氣膜冷卻技術(shù)中，飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片加工時(shí)產(chǎn)生的重熔層，生產(chǎn)效率低，成本過高，電極損耗大的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其包括:超快激光系統(tǒng)1、光束整形部分2、激光加工頭3和葉片夾具及控制系統(tǒng)4。所述的超快激光系統(tǒng)1可以是皮秒或飛秒激光系統(tǒng)；所述的光束整形部分2，包括若干個透鏡和光學(xué)元件；所述的激光加工頭3，包括上面的反射裝置和下面的聚焦透鏡，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4用于精確調(diào)整葉片的位置和姿態(tài)。
[0008]所述的超快激光系統(tǒng)1輸出的脈沖激光的脈沖寬度在5皮秒以下。
[0009]所述的反射鏡是一個反射鏡或者是一對XY方向的掃描振鏡。
[0010]所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4是七自由度機(jī)械手或者是五軸加工系統(tǒng)。
[0011]所述的超快激光系統(tǒng)1輸出皮秒或飛秒激光束，所述的皮秒或飛秒激光束經(jīng)過光束整形部分將光束整形，使其可以用于加工葉片，所述的整形后的皮秒或飛秒激光束經(jīng)過反射鏡轉(zhuǎn)向工作臺方向，再經(jīng)過聚焦透鏡聚焦在葉片的加工部位上，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4可以精確調(diào)整葉片的位置和姿態(tài)，滿足了對打孔的精確度和激光質(zhì)量的要求。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:激光與物質(zhì)作用過程中，激光能量首先傳輸給電子，電子把能量傳輸給晶格，然后在晶格內(nèi)部經(jīng)過原子晶格的碰撞，能量向材料內(nèi)部擴(kuò)散。這個過程中，電子對光子的吸收需要大約為飛秒量級(10 15s)，吸收的能量向晶格中傳輸大約需要lOOfs?幾個ps(10 12s)的時(shí)間。因此，超快激光由于作用時(shí)間極短，根本上避免了熱擴(kuò)散。由于超快激光有非常高的瞬時(shí)功率，使作用區(qū)域溫度瞬間急劇上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，材料高度電離，使處于高溫、高壓、高密度等離子體狀態(tài)。又由于光電場強(qiáng)度比原子內(nèi)部庫侖場高數(shù)倍，材料內(nèi)部原有束縛力已不足以遏制離子、電子的迅速膨脹，最終使材料以等離子體形式噴發(fā)并去除，而且?guī)缀鯉ё吡巳繜崃?，從而?shí)現(xiàn)所謂“冷加工”。超快激光加工時(shí)無熔化區(qū)，無細(xì)微裂痕，無沖擊波，因而在材料表面不會產(chǎn)生加工碎片，無重熔層，對周圍材料無損傷，加工效率高，成本低，加工過程中不存在電極損耗的問題。使用超快激光加工，將加工過程涉及的空間范圍大大縮小，提高了激光加工質(zhì)量和打孔的精確度，進(jìn)而提高了飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的可靠性和安全性。由于加工效率高，成本低，因此，超快激光可用于大規(guī)模飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0013]圖1是使用傳統(tǒng)脈沖激光技術(shù)打孔示意圖
[0014]圖2是基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置示意圖
[0015]圖3是使用超快激光技術(shù)打孔示意圖
[0016]1超快激光系統(tǒng) 2光束整形部分
[0017]3激光加工頭4葉片夾具及控制系統(tǒng)
【具體實(shí)施方式】
[0018]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0019]超快激光是脈沖寬度很短的脈沖激光，如皮秒和飛秒激光。如圖2所示，所述的一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其包括:超快激光系統(tǒng)1、光束整形部分2、激光加工頭3和葉片夾具及控制系統(tǒng)4。所述的超快激光系統(tǒng)1可以是皮秒或飛秒激光系統(tǒng)；所述的光束整形部分2，包括若干個透鏡和光學(xué)元件；所述的激光加工頭3，包括上面的反射裝置和下面的聚焦透鏡；所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4用于精確調(diào)整葉片的位置。所述的反射裝置是一個反射鏡或者是一對XY方向的掃描振鏡，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4是七自由度機(jī)械手或者是五軸加工系統(tǒng)。
[0020]所述的超快激光系統(tǒng)1輸出皮秒或飛秒激光束，所述的皮秒或飛秒激光束經(jīng)過光束整形部分2將光束整形，使其可以用于加工葉片，所述的整形后的皮秒或飛秒激光束經(jīng)過激光加工頭中的上面的反射鏡轉(zhuǎn)向工作臺方向，再經(jīng)過其下面的聚焦透鏡聚焦在葉片的加工部位上，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)4可以精確調(diào)整葉片的位置和姿態(tài)，滿足了對打孔的精確度和激光質(zhì)量的要求。
[0021]如圖3所示，當(dāng)脈沖激光的脈沖寬度在5皮秒以下時(shí)，脈沖激光與物質(zhì)作用時(shí)，由于作用時(shí)間極短，避免了熱擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了 “冷加工”。根據(jù)圖3可以看出脈沖激光的脈寬很短，加工時(shí)對被加工件損傷小，無熔化區(qū)，無重熔層，無熱影響區(qū)，無細(xì)微裂痕，無沖擊波，在被加工件表面不會產(chǎn)生加工碎片，對周圍材料無損傷。使用5皮秒以下脈寬激光加工，將加工過程涉及的空間范圍大大縮小，提高了激光加工質(zhì)量和打孔的精確度。
[0022]本發(fā)明提供的一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，使用了超快激光系統(tǒng)，并且脈沖激光的脈沖寬度在5皮秒以下，無重熔層，不會產(chǎn)生微裂紋，不需要工作電極，氣膜冷卻孔的尺寸可以任意調(diào)節(jié)，加工效率高，成本低，大大提高了發(fā)動機(jī)葉片的可靠性和安全性，可用于大規(guī)模飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的生產(chǎn)。
[0023]最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其特征在于，其包括:超快激光系統(tǒng)(I)、光束整形部分(2)、激光加工頭(3)和葉片夾具及控制系統(tǒng)(4)，所述的超快激光系統(tǒng)(I)是皮秒或飛秒激光系統(tǒng)；所述的光束整形部分(2)，包括若干個透鏡和光學(xué)元件；所述的激光加工頭(3)，包括上面的反射裝置和下面的聚焦透鏡，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)(4)用于精確調(diào)整葉片的位置和姿態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其特征在于，所述的超快激光系統(tǒng)(I)輸出的脈沖激光的脈沖寬度在5皮秒以下。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其特征在于，所述的反射裝置是一個反射鏡或者是一對XY方向的掃描振鏡。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其特征在于，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)(4)是七自由度機(jī)械手或者是五軸加工系統(tǒng)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于冷加工方式的葉片打孔的超快激光加工裝置，其包括：超快激光系統(tǒng)、光束整形部分、激光加工頭和葉片夾具及控制系統(tǒng)。所述的超快激光系統(tǒng)可以是皮秒或飛秒激光系統(tǒng)；所述的光束整形部分，包括若干個透鏡和光學(xué)元件；所述的激光加工頭，包括上面的反射裝置和下面的聚焦透鏡，所述的葉片夾具及控制系統(tǒng)用于精確調(diào)整葉片的位置和姿態(tài)。
【IPC分類】B23K26/064, B23K26/382
【公開號】CN105312782
【申請?zhí)枴緾N201510213306
【發(fā)明人】彭海波, 彭俊
【申請人】北京中科思遠(yuǎn)光電科技有限公司
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年4月29日