CN103406669A - 一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法 - Google Patents

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张晓兵
陈新松
张晓鹏
焦佳能
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Abstract

本发明是一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，该方法的核心内容是利用二维数控旋转激光加工头的特点，并应用配置二维旋转加工头的多轴数控激光加工机床的RTCP功能，即围绕刀具中心点旋转功能，实现倾斜于材料表面的异型孔(含漏斗状的入口以及圆柱状的出口)，一次装夹、定位激光直接自动加工完成。弥补了原有二次加工方式的不足。该方法已经进行了试验验证，加工异型孔的效率、精度均得到明显提高，具备实用条件。该方法不仅应用于航空发动机制造，而且可以推广应用于燃气轮机等民用产品。

Description

一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法
技术领域
本专利是一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，属于激光材料加工技术领域。
背景技术
入口近似梯形的异型孔在航空发动机涡轮导向叶片气膜冷却结构设计中采用将明显增加气膜冷却效果，国内的某型航空发动机涡轮I级导向叶片目前也采用了此类异型孔，见附图一。
目前，该类气膜孔加工采用二次加工的工艺，首先采用激光或电火花加工圆柱形通孔，再重新装夹、定位或更换加工头二次定位，采用电火花成型电极加工梯形体(或漏斗状)入口。该工艺带来的最直接问题是二次装夹或二次定位导致的孔位置和角度偏差以及成型电极放电加工损耗导致异型孔表面形状一致性差，见附图二，而且成型电极的大量加工和消耗也使加工成本居高不下，更严重的是该方法加工效率太低。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，其目的是实现用激光直接一次加工涡轮导向叶片异型孔。
本发明方法是在二维数控旋转激光加工头及其配置的多轴数控加工装置的基础上，充分利用动光式激光加工头的特点及加工装置的数控功能来完成的，并且已经进行了试验验证，加工结果表明该方法可行、实用，而且加工效率比原方法要高得多。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，其特征在于：该方法加工的异型孔为斜孔，异型孔的入口(1)在叶片表面的形状为等边梯形的两腰(4)与圆柱形通孔(2)相切，异型孔的三维形状表现为漏斗状的梯形体(上大下小)与圆柱形通孔(2)在内部圆滑过渡相接，孔出口仍为圆孔。
该方法的步骤是：
(1)采用一台配置二维数控旋转激光加工头(5)的八轴五联动数控激光加工机床，该机床具备RTCP功能，加工异型孔前，将该机床的二维数控旋转激光加工头(5)的激光加工头中心点(6)设定在叶片异型孔的出口(8)的中心位置，将二维数控旋转激光加工头(5)的S轴偏摆到梯形两腰(4)夹角值的1/2，调整安装叶片的机床转台B轴的倾角为异型孔梯形体倾斜角θ，梯形体倾斜角θ是指异型孔的梯形长边(3)所在的梯形体侧面与叶片表面夹角，平移二维数控旋转激光加工头(5)使激光束的焦点至异型孔的入口(1)的梯形长边(3)的一个端点并作为切割起点(10)；
(2)启动机床的RTCP功能，编程时设定S轴的偏摆角度为两腰(4)的夹角的负值，从梯形长边(3)的一个端点切割至梯形长边(3)的另一个端点；
(3)取消机床的RTCP功能，保持此时二维数控旋转激光加工头(5)的S轴的偏摆角度和机床转台B轴的倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形腰(4)至梯形短边(9)的一个端点；
(4)旋转二维数控旋转激光加工头(5)的S轴，使其偏摆到梯形两腰(4)夹角值的1/2，然后平移二维数控旋转激光加工头(5)，使激光束的焦点至梯形长边(3)的切割起点(10)，保持机床转台B轴倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形另一腰(4)至梯形短边(9)的另一端点；
(5)旋转二维数控旋转激光加工头(5)的S轴，使其轴偏摆为0°，调整机床转台B轴的倾角为到圆柱形通孔倾斜角α，α角是指圆柱形通孔(2)的中心轴(7)与叶片表面的夹角，将二维数控旋转激光加工头(5)的焦点位置平移回到刚才加工结束的端点，通过机床X、Y、Z轴直线插补完成梯形短边(9)的切割；
(6)保持二维数控旋转激光加工头(5)的S轴的偏摆角度仍为0°和机床转台B轴倾角不变，以梯形短边(10)中心点为圆心，梯形短边(10)的长度的1/2为半径，通过X、Y、Z轴圆弧插补切割圆柱形通孔(2)。
本发明提出的加工方法所针对的异型孔为斜孔，孔入口表面形状为等边梯形与圆形通孔相切。异型孔的三维形状表现为漏斗状的梯形体(上大下小)与圆柱体在表面相切并在内部圆滑过渡相接，孔出口仍为圆孔。由于激光束直线传导的特点，激光直接加工异型孔的难点在于漏斗形状入口的切割加工，不但需要一次连续切割得到所要求的梯形体入口，而且确保在切割过程中，激光束在随后加工的圆柱形孔的出口范围内透过，否则会破坏圆孔的完整性。
为了避免上述问题，本发明所提出加工方法的技术关键在于利用二维数控旋转激光加工头可以偏摆、旋转的特点，并应用了5轴联动机床的RTCP(Rotation around Tool Center Point)功能，即围绕刀具中心点旋转功能，进行梯形体的切割。
RTCP功能的实质是刀具中心点(在激光加工应用时，可以看作为激光束焦点或用户自己定义的激光束作用方向某一点，此发明中将该中心点称为激光加工头中心点)，在激光加工头旋转或偏摆运动或同时二维旋转过程中，通过机床X、Y、Z轴相应联动保证X、Y、Z坐标位置始终不动。简单地说，就是启动RTCP功能后，仅仅输入加工头转动位移指令，在加工头旋转运动时，数控***自动控制X、Y、Z轴同步运动，实现定义的激光加工头中心点位置静止不动。
利用RTCP功能，在激光切割异形孔漏斗状梯形体四边时，可以让激光束始终围绕定义的激光加工头中心点作用，本发明中将激光加工头中心点定义在圆柱形通孔内，即孔出口的中心轴处，这样就可以避免激光在穿透性切割加工中损伤不需要去除的材料基体部分。
本发明方法经试验验证表明，该方法可行、实用，而且加工效率比原方法要高得多。
附图说明
图1为航空发动机涡轮叶片上异型孔的形状示意图
图2为现有技术加工的异型孔所显示出的排列及形状不一致的示意图
图3为八轴五联动数控激光加工机床的结构示意图
图4为二维数控旋转激光加工头的结构示意图
图5为梯形异型孔的正面形状示意图
图6为梯形异型孔的侧面剖视形状示意图
图7为本发明方法异型孔加工路径的示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作一步地详述：
参见附图3～7所示，该种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，其特征在于：该方法加工的异型孔为斜孔，异型孔的入口(1)在叶片表面的形状为等边梯形的两腰(4)与圆柱形通孔(2)相切，异型孔的三维形状表现为漏斗状的梯形体(上大下小)与圆柱形通孔(2)在内部圆滑过渡相接，孔出口仍为圆孔。
该方法的步骤是：
(1)采用一台配置二维数控旋转激光加工头5的八轴五联动数控激光加工机床，该机床具备RTCP功能，加工异型孔前，将该机床的二维数控旋转激光加工头5的激光加工头中心点6设定在叶片异型孔的出口8的中心位置，将二维数控旋转激光加工头5的S轴偏摆到梯形两腰4夹角值的1/2，调整安装叶片的机床转台B轴的倾角为异型孔梯形体倾斜角θ，梯形体倾斜角θ是指异型孔的梯形长边3所在的梯形体侧面与叶片表面夹角，平移二维数控旋转激光加工头5使激光束的焦点至异型孔的入口1的梯形长边3的一个端点并作为切割起点10；
(2)启动机床的RTCP功能，编程时设定S轴的偏摆角度为两腰4的夹角的负值，从梯形长边3的一个端点切割至梯形长边3的另一个端点；
(3)取消机床的RTCP功能，保持此时二维数控旋转激光加工头5的S轴的偏摆角度和机床转台B轴的倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形腰4至梯形短边9的一个端点；
(4)旋转二维数控旋转激光加工头5的S轴，使其偏摆到梯形两腰4夹角值的1/2，然后平移二维数控旋转激光加工头5，使激光束的焦点至梯形长边3的切割起点10，保持机床转台B轴倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形另一腰4至梯形短边9的另一端点；
(5)旋转二维数控旋转激光加工头5的S轴，使其轴偏摆为0°，调整机床转台B轴的倾角为到圆柱形通孔倾斜角α，α角是指圆柱形通孔2的中心轴7与叶片表面的夹角，将二维数控旋转激光加工头5的焦点位置平移回到刚才加工结束的端点，通过机床X、Y、Z轴直线插补完成梯形短边9的切割；
(6)保持二维数控旋转激光加工头5的S轴的偏摆角度仍为0°和机床转台B轴倾角不变，以梯形短边10中心点为圆心，梯形短边10的长度的1/2为半径，通过X、Y、Z轴圆弧插补切割圆柱形通孔2。
与现有技术相比，本方法加工涡轮叶片异型气膜孔具有非接触加工、无电极损耗、无需二次装夹或定位、精度高、速度快、加工灵活性好、可以实现在非导电材料上加工等优点，弥补了原有二次加工方式的不足。该方法已经进行了试验验证，加工异型孔的效率、精度均得到明显提高，具备实用条件。该方法不仅应用于航空发动机制造，而且可以推广应用于燃气轮机等民用产品。

Claims (1)

1.一种激光直接加工涡轮叶片气膜异型孔的方法，其特征在于：该方法加工的异型孔为斜孔，异型孔的入口(1)在叶片表面的形状为等边梯形的两腰(4)与圆柱形通孔(2)相切，异型孔的三维形状表现为漏斗状的梯形体(上大下小)与圆柱形通孔(2)在孔内部圆滑过渡相接，孔出口仍为圆孔。该方法的步骤是：(1)采用一台配置二维数控旋转激光加工头(5)的八轴五联动数控激光加工机床，该机床具备RTCP功能，加工异型孔前，将该机床的二维数控旋转激光加工头(5)的激光加工头中心点(6)设定在叶片异型孔的出口(8)的中心位置，将二维数控旋转激光加工头(5)的S轴偏摆到梯形两腰(4)夹角值的1/2，调整安装叶片的机床转台B轴的倾角为异型孔梯形体倾斜角θ，梯形体倾斜角θ是指异型孔的梯形长边(3)所在的梯形体侧面与叶片表面夹角，平移二维数控旋转激光加工头(5)使激光束的焦点至异型孔的入口(1)的梯形长边(3)的一个端点并作为切割起点(10)；
(2)启动机床的RTCP功能，编程时设定S轴的偏摆角度为两腰(4)的夹角的负值，从梯形长边(3)的一个端点切割至梯形长边(3)的另一个端点；
(3)取消机床的RTCP功能，保持此时二维数控旋转激光加工头(5)的S轴的偏摆角度和机床转台B轴的倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形腰(4)至梯形短边(9)的一个端点；
(4)旋转二维数控旋转激光加工头(5)的S轴，使其偏摆到梯形两腰(4)夹角值的1/2，然后平移二维数控旋转激光加工头(5)，使激光束的焦点至梯形长边(3)的切割起点(10)，保持机床转台B轴倾角不变，通过机床X、Y、Z轴直线插补切割梯形另一腰(4)至梯形短边(9)的另一端点；
(5)旋转二维数控旋转激光加工头(5)的S轴，使其轴偏摆为0°，调整机床转台B轴的倾角为到圆柱形通孔倾斜角α，α角是指圆柱形通孔(2)的中心轴(7)与叶片表面的夹角，将二维数控旋转激光加工头(5)的焦点位置平移回到刚才加工结束的端点，通过机床X、Y、Z轴直线插补完成梯形短边(9)的切割；
(6)保持二维数控旋转激光加工头(5)的S轴的偏摆角度仍为0°和机床转台B轴倾角不变，以梯形短边(10)中心点为圆心，梯形短边(10)的长度的1/2为半径，通过X、Y、Z轴圆弧插补切割圆柱形通孔(2)。
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