[发明专利]一种用于涡轮叶片打孔的激光微水刀加工装置

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮叶片打孔技术领域，特别涉及一种用于涡轮叶片打孔的激光微水刀加工装置。

背景技术

涡轮是航空发动机的关键部件，需要承受极大的热负荷和机械负荷。而为了提升发动机的推力和推重比，需要不断提高燃烧室的温度，也就意味着涡轮叶片在发动机循环中要承受极高温的高压燃气的冲击。因此，涡轮叶片冷却技术成为了保证涡轮在高温环境下可靠工作、延长零件使用寿命的可行且高效的途径。其中，气膜冷却技术是具有代表性的重要结构改进之一，其主要的特点是在涡轮叶片前缘、叶身型面等部位设计了大量的气膜孔，以保证部件表面被一层薄薄的冷空气覆盖。

气膜孔的加工技术是涡轮叶片制造的关键技术之一。目前，叶片气膜冷却孔的加工主要采用激光打孔、电火花打孔、电液束打孔等方法。传统的激光打孔效率高，但存在热影响区，会产生熔渣、微裂纹、褶皱、熔化区和重熔层等一些加工缺陷；电火花打孔重熔层相对较薄，但只能加工金属材料；而电液束打孔虽然无重熔层，加工质量好，但效率较低。

激光水刀是克服上述加工方法缺点的一种有效的技术手段。激光聚焦后被导入微水柱中心，利用光在微水柱与空气界面全反射的原理，引导激光沿着水柱行进，当水柱与工件接触时，激光被水柱导引至工件表面及至工件内部，激光与材料相互作用，材料被去除并被水流带走，同时水流冷却工件，没有热影响区，不产生熔渣。因此，激光水刀不仅具有传统激光加工的优点，还有效消除了热影响区、微裂纹、重熔层和毛刺等问题，得到更高的加工质量。此外，由于激光束被束缚在液体流中不存在焦点，使得激光水刀的有效工作距离长，通常能达到喷嘴孔径的1000倍。传统固体激光加工时激光束在焦点处呈锥形，在被加工件上形成的加工槽为上端大的倒三角形，整体切割缝比较大。激光水刀加工时激光束在液体束之中，无焦点，始终为直径均匀的圆柱形，加工形成的切割缝比较窄。不过为了满足涡轮叶片打孔极高的精度以及加工质量要求，所使用的激光水刀必须具有更小的直径和高度集中的能量，因此需要使用激光微水刀来进行加工。

发明内容

本发明的目的在于，为提高打孔的精度和加工质量，提供一种用于涡轮叶片打孔的激光微水刀加工装置。

本发明提供了一种用于涡轮叶片打孔的激光微水刀加工装置。该装置包括：激光系统，光束接口，光束整形系统，激光微水刀发生装置，加工台和加工控制系统；所述的激光系统位于最前端，所述的光束接口位于所述的激光系统输出激光束的空间光路中，或者通过光纤与激光器输出端口连接，所述的光束整形系统位于所述的光束接口输出的光路中，所述的激光微水刀发生装置位于所述的光束整形系统输出的光路中，且二者的光轴在垂直方向上共线，所述的加工台位于所述的激光微水刀发生装置的下方，所述的加工控制系统分别与所述的激光系统、所述的激光微水刀发生装置以及所述的加工台相连。

所述的加工控制系统控制所述的激光系统的运作，所述的激光系统输出脉冲激光束，该光束经由自由空间传播，或者光纤耦合进入所述的光束接口，光传播方向转变为垂直向下，然后通过所述的光束整形系统；经过整形的激光束从上方入射到所述的激光微水刀发生装置，并在其中由聚焦透镜耦合到向下方喷出的微小水流中，形成水束光纤；该水束光纤对所述的工作台上的涡轮叶片进行打孔加工。所述的加工控制系统调整所述的激光微水刀发生装置实现激光与水流的对准耦合，并在加工过程中控制所述的加工台的动作以定位工件。

所述的激光系统包括：固体脉冲激光器或者固体连续激光器，或者光纤激光器，以及电源、水冷机。

所述的光束接口为激光反射镜或者光纤接口。

所述的光束整形系统是由若干透镜和光学元件组成的光学系统，也可以是光纤准直系统。

所述的激光微水刀发生装置包括：用于激光耦合的光学系统和微水流发生装置。所述的微水流发生装置是一个与微流泵相连的容器，该容器上方有一个玻璃的激光入射窗口，其正下方有一个微孔径喷水嘴，该容器通过侧壁上的入水口与微流泵相连。

所述的加工台是高精度的六自由度的机械手或者五轴加工系统。

所述的加工控制系统包括：主机，控制板和外置运动平台控制器。

所述的固体脉冲激光器或者固体连续激光器或者光纤激光器的输出波长范围是515nm—1064nm。

本发明的优点在于：本发明能实现直径达到20μm—1000μm的极细的水束光纤，可以打出直径更小、更深的微孔，加工过程中不产生重熔层、熔渣毛刺，在涡轮叶片的打孔加工中可获得更高的加工精度、质量和效率，而且成品率高、成本较低。

附图说明