[发明专利]一种激光与机械结合对发动机涡轮叶片气膜孔的加工方法及装置

说明书

本发明公开了一种激光与机械结合对发动机涡轮叶片气膜孔的加工方法及装置。该装置由数控机床、激光加工头、机械加工头、三维扫描仪及五轴工作台构成，本发明借助该装置，分两步在涡轮叶片上加工气膜孔，第一步，采用超快激光器通过激光加工头在涡轮叶片欲加工气膜孔位置上加工出气膜孔的盲孔，充分利用超快激光在涡轮叶片表面精准的加工盲孔；第二步，采用机械加工头通过钻头将气膜孔的盲孔打通，完成气膜孔的加工，充分利用钻头打孔孔型规整、深度易控的特点，避免了激光打孔造成后壁损伤的问题。本发明实现了涡轮叶片上高品质气膜孔的加工，从根本上解决了涡轮叶片气膜孔的后壁损伤问题，为涡轮叶片气膜孔的加工提供了全新技术手段。

技术领域

本发明涉及激光加工与机械加工技术领域，尤其是一种激光与机械结合对发动机涡轮叶片气膜孔的加工方法及装置。

背景技术

涡轮叶片作为航空发动机的核心部件，其设计要求、制造精度及隔离高温燃气流的性能直接影响航空发动机的工作性能和使用寿命。现有国外先进的战机涡轮前燃气温度范围已达1800-2100 K，对涡轮叶片的降温及隔离高温燃气流至关重要，现有技术多采用热障涂层技术、气膜冷却技术或二者技术的结合对涡轮叶片实施降温，其热障涂层技术的要点是在高温合金热端部件表面喷涂热障涂层，热障涂层一般由金属粘结底层和外部的陶瓷面组成；其气膜冷却技术的要点是在发动机热端的涡轮叶片上加工大量的气膜孔。由于热障涂层技术和气膜冷却技术能使涡轮叶片同时具备金属材料的高韧性、高塑性和陶瓷材料的耐高温、耐腐蚀性，在航空、航天等领域得到了广泛关注。

由于单晶涡轮叶片内部构造复杂，气膜孔具有孔型小、数量多、深径比高、空间角度复杂及质量要求高的特点，存在的问题是，单晶涡轮叶片后壁与涡轮叶片材料表面之间空间非常狭小，因此，直接采用激光加工头超快激光打孔就存在着后壁损伤及孔型不规整的问题，此外，单晶涡轮叶片上加工气膜孔的外表多为曲面或斜面，若直接采用机械加工头钻头打孔，钻头的刃口易滑移，造成叶片表面划伤，气膜孔成型不规整，因此带热障涂层的单晶涡轮叶片气膜孔的加工成为了行业难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种激光与机械相结合在涡轮叶片上加工气膜孔的方法，本发明将单晶涡轮叶片上加工气膜孔的过程分为两步完成，第一步，采用超快激光器通过激光加工头在涡轮叶片欲加工气膜孔位置上加工出气膜孔的盲孔，充分利用超快激光具有加工材料范围广、非接触且峰值功率高和脉冲超短的特点，在涡轮叶片表面精准的加工盲孔，具有无重铸层和无热影响区的冷加工特点；第二步，采用机械加工头通过钻头将气膜孔的盲孔打通，完成气膜孔的加工，充分利用钻头打孔，孔型规整、深度易控的特点，在涡轮叶片材料各表面非常狭小的空间之间，避免了激光打孔造成后壁损伤的问题。本发明实现了涡轮叶片上高品质气膜孔的加工，从根本上解决了涡轮叶片气膜孔的后壁损伤问题，为涡轮叶片气膜孔的加工提供了全新技术手段，对于加快我国航空发动机自主化进程具有重要的支撑意义。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种激光与机械结合对发动机涡轮叶片气膜孔的加工方法，其特点在于，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：安装涡轮叶片

首先，将欲加工气膜孔的涡轮叶片安装在数控机床的五轴工作台上；

步骤2：校准涡轮叶片的空间姿态

将设计好的欲加工气膜孔的涡轮叶片的三维坐标数据以及所述涡轮叶片上每个欲加工气膜孔的三维坐标数据分别输入数控机床的计算机内，通过三维扫描仪对所述涡轮叶片的空间姿态进行扫描，得到扫描三维坐标数据并输入计算机，计算机将所述扫描三维坐标数据与所述涡轮叶片的设计三维坐标数据进行比较，驱动五轴工作台对所述涡轮叶片空间姿态的安装误差进行校准；

步骤3：激光加工盲孔