[发明专利]一种激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于半开离心式整体叶轮的加工方法，具体涉及一种激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法，属于机械切削加工制造技术领域。

背景技术

叶轮是航空航天器件中复杂曲面加工的典型零件，在传统的铣削过程中不可避免地会产生大量切削热，从而在叶片表面引起残余拉应力，导致微裂纹的出现，降低整体叶轮的使用寿命。由于叶轮叶片侧壁薄，薄壁叶片在应力释放后极易产生变形，从而降低了叶轮制造精度。

近年来，我国对叶轮制造加工技术开展了广泛研究，公开号为CN101590587的中国专利申请提出了一种整体叶轮的加工方法，基本满足了加工质量；公开号为CN101658999A的中国专利申请提出了一种双叶片闭式叶轮加工工艺，该加工工艺能够大幅减轻叶轮的实际重量，并降低产品成本；公开号为CN102218649A的中国专利申请采用常规的四轴立式加工中心对曲面风力整体叶轮进行精确曲面加工，达到生产成本低、加工效率高的效果；公开号为CN102085576A的中国专利申请提出了一种整体叶轮叶片部分五轴联动变轴插铣数控加工的方法，提高了生产效率；公开号为CN1600485A的中国专利申请公开了一种高强度叶轮焊接及消除应力方法，该方法虽然能减少焊接后的残余应力，但需要把叶轮放入炉膛中进行热处理。所有上述专利都无法解决叶轮叶片加工中由于切削热引起的残余拉应力在释放后导致叶片发生变形及叶片表面出现微裂纹等问题，随着我国航空航天制造业的飞速发展，急需一种实时祛除残余应力的整体叶轮叶片的机械切削加工方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法，在铣削加工前先采用激光束对叶轮叶片表面进行激光喷丸强化处理，使先后两工序分别产生的残余压应力与残余拉应力相互抵消，有效地控制叶轮叶片在应力释放后产生的变形并减少微裂纹的产生。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法，其特征在于：在热处理工序之后和常规半精加工工序之前，采用脉冲激光束对叶轮叶片表面进行激光喷丸强化处理，随后对叶轮叶片表面进行铣削加工，去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层。

本发明所述的激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法包括如下步骤：

(1)在待加工的整体叶轮叶片的圆弧上取十等分点，逐点测定残余应力大小，取其平均值作为后续激光强化的残余应力补偿值；

(2)将待加工的整体叶轮装夹在数控加工中心的工作台上，在待加工的叶轮叶片表面喷涂黑漆，作为激光喷丸强化的吸收层；

(3)将铣刀装夹在数控加工中心的主轴上，将激光头安装在数控加工中心上并使之与所述整体叶轮叶片无干涉，该激光头照射形成的光斑落在叶轮叶片表面上且与铣刀保持一距离；

(4)开启激光器，将步骤(1)所得残余应力补偿值作为目标值，设定相应的激光的脉冲宽度、功率密度和光斑大小；

(5)启动数控加工中心，沿叶轮叶片的表面先后进行激光喷丸强化和铣削加工，铣削去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层。

所述数控加工中心为高精度五轴联动数控加工中心；所述整体叶轮叶片的材质为镍基高温合金，厚度为0.5-2.5cm，曲面光滑，无应力集中。

所述步骤(3)中，铣刀为整体硬质合金立铣刀，激光头的光轴与数控加工中心的主轴形成60°角度，激光头的光斑与铣刀的距离为5-10cm；所述步骤(4)中，脉冲宽度为10ns、功率密度为7×10⁹GW/cm²，光斑大小为5mm；所述步骤(5)中，激光头与铣刀的进给速度相同，铣削为顺铣方式并采用水基切削液。

本发明的有益效果是：所述激光辅助祛除残余应力的整体叶轮叶片的半精加工方法首先采用脉冲激光束对待加工镍基高温合金叶轮叶片表面进行激光喷丸强化处理，再采用铣刀对叶片表面进行铣削加工，去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层，使激光喷丸强化处理工序产生的残余压应力与铣加工时切削力-热耦合作用引起的残余拉应力相互抵消，从而有效地控制薄壁叶片在应力释放后产生的变形，并且减少微裂纹的产生，使加工后的整体叶轮叶片具有良好的稳定性和可靠性。