一種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于激光微孔加工技術領域，具體設及一種飛秒激光加工航空發動機 葉片氣膜冷卻孔的裝置。
【背景技術】
[0002] 現代先進的航空發動機普遍采用小孔氣膜冷卻式滿輪葉片，W增加滿輪前溫度， 從而提高發動機的推重比。航空發動機性能的好壞很大程度上取決于葉片上氣膜冷卻孔的 形狀和質量，氣膜冷卻孔因其對發動機的冷卻有較明顯的效果，故一直受到航空裝備業的 廣泛關注。然而由于氣膜孔的加工技術難度高，一直是航空裝備制造業亟需解決的難題。
[0003] 氣膜冷卻孔的直徑通常為0.1 mm~0.8mm，其空間分布復雜，且定位精度要求高，角 度多為15°~90°的斜孔，孔的形狀多為圓錐形或鑛貸形等，運些要求大大增加了其制造的 難度，決定了傳統的機械加工方法已經很難滿足大批量微小氣膜孔的加工需求。目前航空 發動機滿輪葉片氣膜孔的加工一般采用電火花、電液束流、長脈沖激光加工等方式。電火花 加工是利用導電零件材料和工具電極之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現象將多余材料去 除的方法。電火花加工主要缺點是電極損耗大，但制作和修復較困難，生產效率低，且只能 加工導體，同時也會產生微裂紋和重烙層。盡管針對重烙層的問題，研究人員對此開展了很 多研究，如使用高速電火花穿孔加工技術、優化電火花加工參數、使用新材料電極等，W減 小重烙層厚度，但運并不能從根本上解決重烙層問題。電液束加工包括電射流加工、毛細管 電解加工和噴射液束電解加工=種不同的加工方式。電液束加工氣膜孔不會產生重烙層、 微裂紋和熱影響區，但電液束的加工效率極低，輪廓形狀最不可控，尺寸精度重復性差，且 只能加工一定尺寸范圍的圓孔，很難加工異形孔及多角度斜孔，不能滿足批量生產需求。長 脈沖激光加工航空發動機葉片氣膜孔的孔壁一般存在數十微米厚的重烙層，而且重烙層內 通常也存在微裂紋，有的甚至進入基體。運些缺陷的存在直接影響了葉片的疲勞壽命，更嚴 重的會導致葉片在工作中疲勞斷裂，其后果不堪設想(張曉兵.激光加工滿輪葉片氣膜孔的 現狀及發展趨勢.應用激光.2002)。
[0004] 隨著激光技術的快速發展，高功率、高光束質量的超短脈沖出現，飛秒（lCTis秒)激 光冷加工技術備受關注，在加工微孔、微槽和切割方面的質量遠遠優于其他加工方式。飛秒 激光加工和傳統長脈沖激光加工的機理不同，飛秒激光加工基本不產生熱影響區，飛秒激 光加工中激光脈沖同材料的作用時間極短，能夠W極快的速度將全部能量注入到很小的作 用區域，避免了激光能量的轉移和擴散，能克服等離子體屏蔽，具有穩定的加工闊值，加工 時的熱量來不及傳播，可視作無熱影響區，無材料損傷。在整個加工過程中，材料的去除方 式W蒸發和汽化的形式進行，無烙融相，因此沒有重烙層的形成。飛秒激光超精細冷加工是 對傳統加工方式的革新，也是當今裝備制造業的主要方式之一。同時隨著材料科學的快速 發展，未來航空發動機葉片必然會被陶瓷復合材料、碳娃復合材料等性能優良的新型材料 所取代，而當前采用最多的電火花加工方式無法加工非導電材料。因此，飛秒激光加工是航 空發動機滿輪葉片氣膜孔加工的一種重要的發展趨勢。 【實用新型內容】
[0005] 本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種飛秒激光加工航空發 動機葉片氣膜孔的裝置，具有加工效率高、無重烙層、對材料無選擇性等優點。
[0006] 為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案：
[0007] -種飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的裝置，包括飛秒激光器系統、光學導 光系統、機械加工平臺系統和控制系統，所述飛秒激光器系統的光路出口與光學導光系統 的光路入口相對，光學導光系統的光路出口與機械加工平臺系統的工作區域相對，所述飛 秒激光器系統輸出的激光光束由光學導光系統進行處理，光學導光系統引導激光光束至機 械加工平臺系統工作區域的工件表面，光學導光系統對飛秒激光器系統輸出的激光光束進 行整形、均勻、擴束、準直和聚焦，保證加工工件表面獲得所需的光斑形狀、尺寸及功率密 度;所述機械加工平臺系統與控制系統相連，控制系統調節機械加工平臺系統的運動方向 和運動速度。
[0008] 所述飛秒激光器系統包括飛秒激光器，所述飛秒激光器由電源裝置提供電源，所 述飛秒激光器與冷卻裝置通過兩根軟管相連，冷卻裝置對使用中的飛秒激光器進行冷卻； 所述飛秒激光器與控制系統連接。
[0009] 所述光學導光系統包括反射鏡、波長轉換器、光闊、光電快口系統、擴束鏡、二向分 色鏡、掃描振鏡;所述飛秒激光器系統輸出的激光光束光路依次是反射鏡、波長轉換器、光 闊、光電快口系統、擴束鏡、二向分色鏡的一面、掃描振鏡、工件表面;在二向分色鏡的另一 面設有顯微成像單元，顯微成像單元與控制系統連接。
[0010] 所述反射鏡與激光光束光路的夾角為45%更方便設置各部分部件的位置，同時更 利于激光光束的傳播。
[0011] 所述光闊的通光孔徑在過濾掉光束中不圓的部分，獲得較好的圓形 光斑，從而使光束聚焦后的光斑在徑向的均勻分布，保證了聚焦光斑質量。利用可調通光孔 徑的光闊，可W在不同情況下選擇合適的光闊通光孔徑，來獲得需要的光斑。
[0012] 所述光電快口系統包括快n控制器和激光快n，所述快n控制器對激光快n進行 控制，所述快口控制器與控制系統通信，控制系統控制快口控制器的通斷時間，同時由控制 系統對激光快口和機械加工平臺系統進行協調控制，保證加工完成的結構完整。
[0013] 所述擴束鏡包括輸入負透鏡和輸出正透鏡，輸入負透鏡將一個虛焦點光束傳送給 輸出正透鏡，實現激光的擴束功能，從而壓縮光束發散角，利于獲得更小的聚焦光斑。
[0014] 所述二向分色鏡與激光光束光路的夾角為45°。
[0015] 所述掃描振鏡包括場鏡和二維片轉掃描反射鏡，所述掃描振鏡與控制系統連接， 使激光光束經過由X軸反射鏡后反射至Y軸反射鏡，在控制系統控制下完成指定二維圖形掃 描。
[0016] 所述顯微成像單元包括CCD和鏡頭，對焦點基準位置進行微細調整，還可W對加工 過程進行實時檢測與觀察。
[0017] 所述機械加工平臺系統包括五軸聯動工作平臺，所述五軸聯動工作平臺上設有夾 具，五軸聯動加工平臺具有較高的精度參數，保證了加工過程中聚焦定位的高重復性，及微 孔加工尺寸的高可靠性。
[0018] 所述五軸聯動工作平臺的一側設有吹氣裝置，吹氣裝置對五軸聯動工作平臺工件 表面吹壓縮氮氣，將工件表面的去除材料及時吹除，保證加工工件的整潔，五軸聯動工作平 臺處設置照明裝置對五軸聯動工作平臺工作區域提供照明。
[0019] 飛秒激光加工航空發動機葉片氣膜孔的的方法，包括W下步驟：
[0020] 步驟1:確定葉片上氣膜孔的形狀和氣膜孔之間的相對位置；
[0021] 步驟2:將葉片置于機械加工平臺系統的加工區域，并固定葉片的位置；
[0022] 步驟3:調節激光光斑與葉片的相對位置，并保證初始激光焦點位置在葉片上表 面；
[0023] 步驟4:根據預加工軌跡確定機械加工平臺系統的加工動作過程；
[0024] 步驟5:由控制系統調節光學導光系統的加工參數，保證光學導