CN107931844A - 一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，加工过程中，脉冲激光头保持不动，利用多自由度机器臂带动工件、同轴送粉器和喷水喷头，获得满足复杂曲面形状的叶轮进行修复、强化和校形的空间轨迹。本发明还公开一种使用叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置。本发明技术方案的叶轮再制造方法为集修复、强化和校形于一体的工艺流程，能够对叶轮掉块区域进行修复同时激光锻打强化，恢复叶轮形状，提高再制造叶轮的综合机械性能。

Description

一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法和装置
技术领域
本发明涉及再制造技术领域，特别涉及一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法和装置。
背景技术
叶轮是航空发动机的关键零部件，整体式的叶轮毛坯一般为整体锻造件，因此加工余量较大，材料去除率高，在材料上通常使用钛合金或者高温合金等比较难加工的金属材料。另外，叶轮片为空间上呈复杂扭曲的曲面，结构复杂，叶片壁厚度较薄，因此加工过程中容易产生变形和让刀现象，叶片加工容易产生扭曲，通道开敞性较差，精度要求较高。因此使得叶轮的加工制造效率较低，周期较长和花费较高。
叶轮在使用过程的工况复杂，常常因为高速运转产生疲劳和外物损伤等原因导致叶轮出现叶片掉块，但是叶轮是航空发动机等设备的关键且重要零部件，从上述制造问题可以知道其制造加工难度较大，容易导致加工企业不能完全保证按时供货，往往成为航空发动机维修企业在维修成本和周期上的一个重要制约因素。对航空发动机，关键零部件的技术寿命往往是制约整机寿命的瓶颈，一旦这些重要零部件寿命到期，整机只有报废，因此对这些关键的零部件进行再生制造，延长整机的使用寿命具有极其重要意义。
再制造是维修发展的高级阶段，以先进技术和产业化生产作为手段，通过对废旧产品进行修理和改造，使得质量和性能达到或者超过新品，而成本则低于新品的技术，因此再制造技术符合绿色制造的理念。
其中，激光熔覆、电弧熔积等是目前使用较多的再制造技术，但是这些技术普遍存在一些共性技术问题，例如存在气孔、未熔合、裂纹和缩松内部缺陷等，这些内部缺陷严重影响再制造零件的内部质量、力学性能及构件的服役使用安全。因此，对掉块的叶轮进行再制造，以得到满足高性能长寿命的叶轮修复件是目前该领域研究人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，本发明还提出一种使用叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置，旨在对叶轮掉块区域进行修复的同时激光锻打强化，恢复叶轮形状，提高再制造叶轮的综合机械性能。
为实现上述目的，本发明提出一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，包括以下步骤：
S1：对待处理的叶轮清洗且对掉块处打磨处理，去除损坏的区域；
S2：通过扫描获取待处理叶轮三维模型数据，并将采集到的三维模型数据与完整的叶轮原始数据进行比对，设计出再制造方案；
S3：对待处理的叶轮逐一区域分层同时进行激光熔覆和激光冲击锻打；
S4：对修复后的叶轮进行应力测量和宏观形状测量，获得叶轮的整体应力分布和宏观形状模型，并且将测量数据导入至计算机分析处理；
S5：根据所述步骤S4的测量数据对叶轮进行激光冲击强化和激光冲击校形；
S6：对叶轮进行平衡测试，作出适当调整并直至满足要求。
优选地，所述步骤S2进一步为：利用三坐标测量仪获取清洗好的叶轮三维模型数据，并将叶轮三维模型数据传入三维设计软件中，与完整的叶轮原始数据对比分析，确定需修复区域并以分单元修复，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽。
优选地，所述步骤S3进一步为：根据待加工叶轮的复杂曲面形状，机械臂控制***控制夹持机械臂和熔覆机械臂进行空间运动轨迹，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂耦合运动；同轴送粉喷头垂直待加工层，脉冲激光束照射在锻打区域内，激光熔覆和激光冲击锻打同步进行。
优选地，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂为六轴联动机械臂。
优选地，激光熔覆过程在惰性气氛保护的环境中进行。
优选地，所述步骤S6的所述平衡测试包括叶轮静平衡和动平衡。
本发明还提出一种使用所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置，用于夹持叶轮的夹持机械臂和末端固定惰性气氛加工室的熔覆机械臂，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂同时与所述机械臂控制***电连接，所述机械臂控制***与计算机电连接，所述计算机还分别与设置于所述惰性气氛加工室上方的脉冲激光器、设置于所述惰性气氛加工室内部的监测***以及连续激光发生器电连接，所述连续激光发生器还与设置于所述惰性气氛加工室内的同轴送粉器电连接。
优选地，所述惰性气氛加工室顶面设有激光透镜玻璃，所述脉冲激光器控制冲击强化激光头向下发射激光束照射于叶轮待加工位置。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明提出的叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，为集修复、强化和校形于一体的工艺流程，其中叶轮的强化包括两方面，一方面在激光熔覆修复同时，在最佳温度区内进行激光锻打强化，减少气孔、未熔合、裂纹和缩松等内部缺陷，消除残余应力，另一方面在修复完成后，对整个叶轮进行激光冲击强化，优化整个叶轮的应力分布，提高硬度、耐腐蚀性能。另外还考虑到叶轮的叶片壁厚很薄，在服役过程和修复过程中都会产生变形，通过校形得到与设计尺寸更吻合的曲面形状。
本发明还提出一种使用叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置，通过六自由度的夹持机械臂夹持工件以及六自由度的熔覆机械臂安装惰性气氛工作室或者喷水喷头，脉冲激光不动的方式，完成复杂曲面的叶轮的修复和锻打轨迹运动。由于脉冲激光调整方向比较困难，所以脉冲激光头保持不动，由两个机械臂耦合运动完成加工过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造装置的结构示意图；
图2为本发明叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造装置的工作原理图；
图3为本发明叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的工作流程图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参见图1至图3，本发明提出一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，包括以下步骤：
S1：对待处理的叶轮12清洗且对掉块处打磨处理，去除损坏的区域；
S2：通过扫描获取待处理叶轮12三维模型数据，并将采集到的三维模型数据与完整的叶轮原始数据进行比对，设计出再制造方案；
S3：对待处理的叶轮12逐一区域分层同时进行激光熔覆和激光冲击锻打；
S4：对修复后的叶轮12进行应力测量和宏观形状测量，获得叶轮12的整体应力分布和宏观形状模型，并且将测量数据导入至计算机5分析处理；
S5：根据上述步骤S4进行测量数据对叶轮12进行激光冲击强化和激光冲击校形；
S6：对叶轮12进行平衡测试，作出适当调整并直至满足要求。
优选地，上述步骤S2进一步为，利用三坐标测量仪获取清洗好的叶轮三维模型数据，并将叶轮三维模型数据传入三维设计软件中，与完整的叶轮原始数据对比分析，确定需修复区域并以分单元修复，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽。
优选地，上述步骤S3进一步为：根据待加工叶轮12的复杂曲面形状，机械臂控制***2控制夹持机械臂1和熔覆机械臂3进行空间运动轨迹，夹持机械臂1和熔覆机械臂3耦合运动；同轴送粉器7的喷头垂直待加工层，脉冲激光束照射在最佳锻打区域内，激光熔覆和激光冲击锻打同步进行。
优选地，夹持机械臂1和熔覆机械臂3为六轴联动机械臂。
优选地，激光熔覆过程在惰性气氛保护的环境中进行。
优选地，上述步骤S6的平衡测试包括叶轮静平衡和动平衡。
本发明还提出一种使用叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置，用于夹持叶轮的夹持机械臂1和末端固定惰性气氛加工室11的熔覆机械臂3，夹持机械臂1和熔覆机械臂3同时与机械臂控制***2电连接，机械臂控制***2与计算机5电连接，计算机5还分别与设置于惰性气氛加工室11上方的脉冲激光器8、设置于惰性气氛加工室11内部的监测***6以及连续激光发生器4电连接，连续激光发生器4还与设置于惰性气氛加工室11内的同轴送粉器7电连接。
优选地，惰性气氛加工室11顶面设有激光透镜玻璃10，脉冲激光器8控制冲击强化激光头9向下发射激光束照射于叶轮12待加工位置。
请参见图1至图3，本发明技术方案叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造装置的工作原理为：
首先对待处理的叶轮12进行清洗，然后对掉块处进行打磨处理，以去除损坏的区域。
然后通过扫描获取待处理叶轮三维模型数据，并将采集得到的叶轮12三维模型数据与完整的叶轮原始数据进行对比，并设计出再制造方案。具体地，利用三坐标测量仪测量获得清洗好的待处理叶轮12的三维模型数据，并将该三维模型数据传入至计算机5的三维设计软件中，通过与完整的叶轮原始数据模型的三维模型数据进行对比分析，从而确定需修复区域并以分单元形式进行修复。通过分析对比，确定夹持机械臂1和熔覆机械臂3的运动轨迹。通过设计每个修复区域的每一熔覆层厚度，确定每一时刻的喷粉量、脉冲激光和连续激光的功率、频率、脉宽、光斑大小等参数。
然后对待处理叶轮12逐一区域分层进行激光熔覆和激光冲击锻打。具体地，通过夹具将叶轮12固定在六自由度的夹持机械臂1末端，夹持机械臂1带动叶轮12伸入到惰性气氛加工室11中并按照预设的空间轨迹运动，与此同时，熔覆机械臂3带动惰性气氛加工室11进行相应的空间轨迹运动。连续激光发生器4与同轴送粉器7控制送粉量，通过对送粉量和激光束的控制，从而实现对待修复区域进行逐层熔覆。与此同时，计算机5通过脉冲激光器8控制冲击强化激光头9向下发出激光束，激光束经过设置于惰性气氛工作室11上方的激光透镜玻璃10对当前熔覆层在最佳锻打的温度区域范围内进行冲击锻打，从而减小气孔、未熔合、裂纹和缩松等内部缺陷，消除残余应力，以得到具有高性能长寿命的修复叶片。
优选地，为保证运动轨迹的精确和保证修复以及激光冲击锻打达到最好效果，本发明技术方案中，惰性气氛工作室11内部设有监测***6与计算机5电连接，监测***6全程测量修复区的温度场，并将监测数据反馈到计算机5中，计算机5根据反馈数据进行分析，然后通过控制同轴送粉器7、脉冲激光器8以及夹持机械臂1和熔覆机械臂3实现对加工参数微调。
根据待加工叶轮12的复杂曲面形状，计算机5控制夹持机械臂1空间运动轨迹和带动惰性气氛工作室12的熔覆机械臂3的空间运动轨迹，并且使两个机械臂进行耦合运动，保证叶轮12待加工层处于水平状态，同轴送粉器7的喷头垂直于待加工层，使得脉冲激光束照射于最佳锻打区域内。
为满足叶轮12复杂曲面形状的要求，两个机械臂均为六轴联动，在加工过程中，脉冲激光器12的冲击强化激光头9在位置上保持不动，轨迹由两个机械臂配合工作以保证。
然后对修复后的叶轮12进行应力测量和宏观形状测量，获得叶轮12的整体应力分布和宏观形状模型，并将测量得到的数据导入到计算机5进行分析处理。
然后对叶轮12进行激光冲击强化和激光冲击校形。由于大部分叶轮片的厚度较薄，在工作过程中，虽然没有发生掉块失效现象，但叶轮片很多区域也会发生一定程度的微小变形，影响叶轮的后续使用性能，另外激光熔覆的高温热效应也会使得薄壁的叶轮片产生微小变形，而熔覆技术也无法实现非常精确的成型，因此需要使用激光校形，进一步提高叶轮12再制造精度。具体地，将熔覆机械臂3原来夹持固定的惰性气氛工作室11更换为可喷洒纯净水的喷头，而连续激光发生器4和同轴送粉器7更换为喷水***，对上述步骤中加工完毕后的叶轮12进行测量应力场分布和宏观形状，通过设计强化方案，针对机械臂的运动轨迹、脉冲激光的功率、频率、脉宽、光斑大小、光斑尺寸等参数对叶轮进行表面强化。在强化过程中，强化激光头保持不动，而加工空间轨迹上通过夹持机械臂1和熔覆机械臂3耦合实现。
最后对叶轮12进行平衡测试，通过叶轮12进行静平衡和动平衡测试，并做出适当调整并直至满足要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对待处理的叶轮清洗且对掉块处打磨处理，去除损坏的区域；
S2：通过扫描获取待处理叶轮三维模型数据，并将采集到的三维模型数据与完整的叶轮原始数据进行比对，设计出再制造方案；
S3：对待处理的叶轮逐一区域分层同时进行激光熔覆和激光冲击锻打；
S4：对修复后的叶轮进行应力测量和宏观形状测量，获得叶轮的整体应力分布和宏观形状模型，并且将测量数据导入至计算机分析处理；
S5：根据所述步骤S4的测量数据对叶轮进行激光冲击强化和激光冲击校形；
S6：对叶轮进行平衡测试，作出适当调整并直至满足要求。
2.如权利要求1所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：利用三坐标测量仪获取清洗好的叶轮三维模型数据，并将叶轮三维模型数据传入三维设计软件中，与完整的叶轮原始数据对比分析，确定需修复区域并以分单元修复，确定每个修复单元的曲面形状和叶片壁厚、加工路径、喷粉量、激光扫面速度、激光功率和脉宽。
3.如权利要求1所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，所述步骤S3进一步为：根据待加工叶轮的复杂曲面形状，机械臂控制***控制夹持机械臂和熔覆机械臂进行空间运动轨迹，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂耦合运动；同轴送粉喷头垂直待加工层，脉冲激光束照射在锻打区域内，激光熔覆和激光冲击锻打同步进行。
4.如权利要求2所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂为六轴联动机械臂。
5.如权利要求2所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，激光熔覆过程在惰性气氛保护的环境中进行。
6.如权利要求1所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法，其特征在于，所述步骤S6的所述平衡测试包括叶轮静平衡和动平衡。
7.一种使用如权利要求1至6任一所述叶轮掉块去应力激光冲击锻打再制造方法的装置，其特征在于，用于夹持叶轮的夹持机械臂和末端固定惰性气氛加工室的熔覆机械臂，所述夹持机械臂和所述熔覆机械臂同时与所述机械臂控制***电连接，所述机械臂控制***与计算机电连接，所述计算机还分别与设置于所述惰性气氛加工室上方的脉冲激光器、设置于所述惰性气氛加工室内部的监测***以及连续激光发生器电连接，所述连续激光发生器还与设置于所述惰性气氛加工室内的同轴送粉器电连接。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述惰性气氛加工室顶面设有激光透镜玻璃，所述脉冲激光器控制冲击强化激光头向下发射激光束照射于叶轮待加工位置。
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