專利名稱：無重鑄層微深孔的激光復(fù)合加工及修形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光復(fù)合加工及修形方法，具體涉及一種無重鑄層微 深孔的激光復(fù)合加工及修形方法。
技術(shù)背景燃氣輪機是一種將氣體或液體燃料(如天然氣、燃油)燃燒產(chǎn)生的熱 能轉(zhuǎn)化為機械功的旋轉(zhuǎn)式葉輪動力機械裝置，廣泛應(yīng)用于能源、航空、交 通、國防等領(lǐng)域，是適應(yīng)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和航空工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵重大裝備。高溫渦輪葉片處于燃氣輪機溫度最高(140(TC以上)、應(yīng)力最復(fù)雜、 環(huán)境最惡劣的部位，其價值占產(chǎn)品整機的近50%，是燃氣輪機中的關(guān)鍵部 件。隨著大型燃氣輪機推力和推重比要求的不斷提高，渦輪前燃氣溫度不 斷提高，渦輪動葉片的冷卻技術(shù)成為決定燃氣輪機性能的關(guān)鍵因素之一。 為形成冷卻氣膜保護高溫下工作的葉片，目前渦輪動葉片上所采用的冷卻 措施多為葉身內(nèi)部有異型孔冷卻通道，葉身表面上尤其是在進氣邊開有密 布小孔的冷卻結(jié)構(gòu)形式。因而，葉片表面微深冷卻孔群的加工質(zhì)量也就成 為保證葉片在高溫、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境下使用壽命的關(guān)鍵。燃氣輪機的 高溫渦動葉片結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，由葉型、葉臺、葉柄和葉根組成；每個葉片 有數(shù)十至數(shù)百個冷卻孔，孔徑一般在O. 25 1. 25mm之間，孔的深度《0. 5mm， 深徑比《10;由于高溫渦動葉片的苛刻工作環(huán)境和工況要求，這些微冷卻 孔應(yīng)該無微觀裂紋、無再結(jié)晶層，以保證其高速和長壽命可靠地運行。 目前，大約有50余種微小孔加工方法用于不同情況的微小孔加工,而較常用的微小孔加工方法主要包括傳統(tǒng)的機械加工(鉆削、沖壓、研磨 和磨料流)、電火花加工、電解加工、超聲加工、電子束加工、離子束加 工和激光加工。在渦輪動葉片微深冷卻孔加工中，用的最多的是電火花加 工方法和普通大功率激光加工方法。由于葉片是用高溫鈦合金等難加工材 料制造，采用電火花加工的微深孔存在加工效率低、成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、 加工深度受到限制、盲孔加工時排屑困難等問題，而且所加工的微孔壁存 在一定厚度的重鑄層。同樣，使用激光加工微深孔雖然也有諸多優(yōu)點，如 加工材料范圍廣、加工能力強、加工精度高、生產(chǎn)率高、投資小等。但是， 由電火花和大功率激光器等方法加工出的孔的孔壁光潔度差，有錐度，孔 形圓整度不好，特別是在孔壁上產(chǎn)生重鑄層和微裂紋，這成為制約渦輪葉 片微冷卻孔加工技術(shù)發(fā)展的主要因素，因此目前主要用于渦輪靜葉片加 工。近年來， 一種超短脈沖激光——飛秒激光以其作用時間短、峰值功率 高、熱效應(yīng)小等特點受到人們的普遍關(guān)注。飛秒激光加工就是使激光能量 在飛秒時間內(nèi)注入加工區(qū)域,使加工區(qū)域溫度迅速升高。由于注入時間極 短，能量來不及擴散，加工區(qū)域材料迅速氣化并從材料表面噴出。因此， 飛秒激光加工的熔融區(qū)很小或沒有(優(yōu)化激光參數(shù)后)，所加工的孔洞邊 緣較為光滑、輪廓清晰、整齊，且加工表面無重鑄層和微裂紋。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種使用大功率激光器或者電火花等方法對 渦輪葉片微深冷卻孔初步加工之后，再利用飛秒激光對這些微深冷卻孔進 行二次精加工去除重鑄層與孔邊緣修整的無重鑄層微深孔的激光復(fù)合加 工及修形方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是首先采用大功率激光器、 電火花或其它鉆孔方法對渦輪葉片微深冷卻孔進行粗加工，孔徑所留的精 加工余量大于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度，再利用飛秒激光按照螺旋式 進給方式對微深冷卻孔進行二次精加工和修形。具體步驟如下1) 首先，利用大功率激光器、電火花或其它鉆孔方法在渦輪葉片上 孔加工出一個尺寸和精度接近要求值的粗糙孔，孔徑所留的精加工余量大 于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度；2) 采用飛秒激光按照螺旋式鉆孔加工方法，使飛秒激光光束與粗糙孔的孔邊緣進行接觸加工，并同時圍繞孔的中心軸線旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對該激 光覆蓋深度范圍內(nèi)的環(huán)形孔內(nèi)壁上重鑄層材料的蝕除；3) 在該層環(huán)形孔內(nèi)壁加工完成之后，將飛秒激光光束向下移動至下 一個加工位置，根據(jù)孔徑的大小調(diào)整光束傾斜的角度并采用長焦距透鏡使 焦深變長以減小光束照射范圍；4) 如此循環(huán)往復(fù)，逐步完成對整個冷卻孔內(nèi)壁的精加工和修形，最 終得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷卻孔。由于本發(fā)明首先采用大功率激光器、電火花或其它鉆孔方法對渦輪葉 片微深冷卻孔進行粗加工，再利用飛秒激光按照螺旋式進給方式對微深冷 卻孔進行二次精加工和修形，解決了渦輪葉片微深孔群的高效、高精度加 工的問題。


圖1，圖2是初加工后孔內(nèi)壁成分結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是激光有效加工部分的能量圖；圖4是飛秒激光光束傾斜角度精加工的示意圖； 圖5是調(diào)焦技術(shù)(使用長焦距透鏡使焦深變長)圖； 圖6是復(fù)合加工工藝流程示意圖； 圖7是飛秒^[光精加工修形示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見圖l, 2，首先，利用大功率激光器、電火花或其它鉆孔方法在渦 輪葉片上孔加工出一個尺寸和精度接近要求值的粗糙孔，參見圖3，孑L徑 所留的精加工余量大于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度；采用飛秒激光按照 螺旋式鉆孔加工方法并結(jié)合圖4的傾斜角度加工、與圖5中的選用長焦距 透鏡來使焦深變長的調(diào)焦手段，對粗加工后的粗糙孔內(nèi)壁進行精加工處 理，去除多余材料和重鑄層，最終得到符合加工要求的微冷卻孔，參見圖 6， 7，其具體過程為使飛秒激光光束與粗糙孔的孔邊緣進行接觸加工， 并同時圍繞孔的中心軸線0旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對該激光覆蓋深度范圍內(nèi)的環(huán)形 孔內(nèi)壁上重鑄層材料的蝕除；在該層環(huán)形孔內(nèi)壁加工完成之后，將飛秒激 光光束向下移動至下一個加工位置，在該過程中，由于隨著加工深度的增 加，若光束仍保持原有方式入射，對于小于0. 01,的微深孔，則可能對 已加工好的孔壁造成破壞，本發(fā)明采用將光束傾斜一定角度并結(jié)合選用長 焦距透鏡而使焦深變長以減小光束照射范圍的方法，來避免這一情況的發(fā) 生；根據(jù)孔徑的大小調(diào)整光束傾斜的角度并采用長焦距透鏡使焦深變長以 減小光束照射范圍；如此循環(huán)往復(fù)，逐步完成對整個冷卻孔內(nèi)壁的精加工 和修形，最終得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷卻孔。
權(quán)利要求
1、無重鑄層微深孔的激光復(fù)合加工及修形方法，其特征在于首先采用大功率激光器、電火花或其它鉆孔方法對渦輪葉片微深冷卻孔進行粗加工，孔徑所留的精加工余量大于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度，再利用飛秒激光按照螺旋式進給方式對微深冷卻孔進行二次精加工和修形。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無重鑄層微深孔的激光復(fù)合加工及修形方 法，其特征在于具體步驟如下1) 首先，利用大功率激光器、電火花或其它鉆孔方法在渦輪葉片上 孔加工出一個尺寸和精度接近要求值的粗糙 L，孔徑所留的精加工余量大 于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度；2) 采用飛秒激光按照螺旋式鉆孔加工方法，使飛秒激光光束與粗糙 孔的孔邊緣進行接觸加工，并同時圍繞孔的中心軸線旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對該激 光覆蓋深度范圍內(nèi)的環(huán)形孔內(nèi)壁上重鑄層材料的蝕除；3) 在該層環(huán)形孔內(nèi)壁加工完成之后，將飛秒激光光束向下移動至下 一個加工位置，根據(jù)孔徑的大小調(diào)整光束傾斜的角度并采用長焦距透鏡使 焦深變長以減小光束照射范圍；4) 如此循環(huán)往復(fù)，逐步完成對整個冷卻孔內(nèi)壁的精加工和修形，最 終得到尺寸和精度均符合加工要求的微冷卻孔。
全文摘要
無重鑄層微深孔的激光復(fù)合加工及修形方法。首先，使用大功率激光器或者電火花等方式對渦輪葉片微深冷卻孔進行粗加工，孔徑所留的精加工余量大于該加工方法產(chǎn)生的重鑄層厚度，再利用飛秒激光對微深冷卻孔進行二次精加工和修形。當(dāng)使用飛秒脈沖激光對這些初加工后的微深冷卻孔進行精加工修形時，在保證與工件重鑄層作用的激光能量高于材料的燒蝕閾值的前提下，按照螺旋式鉆孔方式，將光束傾斜一定角度并結(jié)合選用長焦距透鏡來使焦深變長的方法，對孔內(nèi)壁的重鑄層進行蝕除和修整。這一復(fù)合加工方法的思想和具體加工技術(shù)將用于解決關(guān)于渦輪葉片微深孔群的高效、高精度加工的問題。
文檔編號B23K26/38GK101332559SQ20081015038
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月18日
發(fā)明者姜歌東, 楊成娟, 梅雪松, 王文君 申請人:西安交通大學(xué)