[发明专利]用于航空发动机火焰筒的无锥度冷却气膜孔激光加工方法

说明书

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种用于航空发动机火焰筒的无锥度冷却气膜孔激光加工方法。本发明在不改变现有光路系统的基础上，使用原有振镜系统，通过五轴位移系统，增加一个倾角补偿角度，使得加工出的气膜孔为一个无锥度的孔，甚至为倒锥孔，稳定了气流量，提高了气膜孔激光加工的一致性和稳定性，在不使用大功率激光器的情况下，高效率的加工出无锥度的航空发动机气膜孔。此外，本发明能够在加工中完全使用程序控制，加工过程中无需人工干预，无需改变振镜或冲击的激光加工系统，在自动倾转补偿角度的过程中实现无锥度的气膜孔加工。本发明能在保证火焰筒气膜孔加工的效率和质量的同时，提高气膜孔气流量和气流稳定性。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种用于航空发动机火焰筒的无锥度冷却气膜孔激光加工方法。

背景技术

提高航空发动机的工作温度可以显著的提高发动机的燃气效率和推重比，但发动机的火焰筒和叶片的耐受温度严重制约了其工作温度。而火焰筒上的气膜孔可以使得冷气在火焰筒壁上形成一层均匀的气膜，从而隔绝燃烧室的热流，从而提高燃烧室的工作温度，提高燃气效率。

现阶段加工气膜孔主要采用电火花加工方式，随着热障涂层、复合材料等不导电的新型材料在发动机上的应用，电火花加工逐渐出现弊端，因此主流研究方向采用激光加工的方式。激光加工可加工各种材料，基本对材料没有选择性，加工精度好，重熔层薄，孔径、孔型易于控制等优点。

而在激光加工高深径比的气膜孔时，由于使用高斯聚焦的高能激光束通过上方狭窄的小孔时，能量会急剧的损耗，会导致加工板材背面的孔变小，孔型容易形成一个正锥形结构。同时，如果使用振镜系统，由于光路本身的优化问题，会导致光束方向朝着中轴线汇聚，因此，在不加干预的情况下，会更容易加工出正锥形的孔型，即激光入口处孔径大，出口处孔径小。这种情况下不但会导致气膜孔气流通量减小，同时也会造成加工高深径比的孔时不易穿透，热影响区增加，还会导致加工的稳定性，孔型的一致性急剧下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于航空发动机火焰筒的无锥度冷却气膜孔激光加工方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于航空发动机火焰筒的无锥度冷却气膜孔激光加工方法，该方法所使用的装置包括激光加工平台，所述激光加工平台上安装有激光器、振镜、聚焦透镜和五轴位移系统，所述激光器产生的激光束依次经过所述振镜、所述聚焦透镜后在待加工的工件表面形成的聚焦光点为激光头，所述五轴位移系统用于在激光加工过程中控制工件与激光头之间的相对位移量和偏转角度；

所述的无锥度冷却气膜孔激光加工方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将工件使用夹具固定在激光加工平台上，对激光束进行调焦，并确定激光束照射在工件上的角度，使该角度方向与设计的气膜孔中轴线重合；

步骤二、在工件上加工正锥度的孔；激光器产生的激光束，经过振镜和聚焦透镜后聚焦在工件表面上，使用振镜旋切的方式在工件上预制孔，并利用激光束穿透工件得到正锥度的孔；

步骤三：设置倾转补偿角度；将振镜加工方式调整为圆形旋切，通过五轴位移系统使工件倾转一个角度，激光束照射在工件上的角度与设计的气膜孔中轴线之间形成的夹角为倾转补偿角度；所述倾转补偿角度用于补偿聚焦的激光束能量在孔中的损失；在工件倾转时，激光头与气膜孔表面孔径中心相对位置保持固定；

步骤四：进行无锥度的气膜孔加工；在保持倾转补偿角度不变的基础上，通过五轴位移系统驱动工件，驱动方式为该倾转补偿角度绕设计的气膜孔中轴线旋转的方式；

步骤五：加工完成后，五轴位移系统将工件驱动到初始位置，为下一个气膜孔做准备；

步骤六：重复步骤二～步骤五，直到完成所有气膜孔的加工。

优选的，所述激光器使用光纤纳秒激光器。