[发明专利]一种激光加工异型孔的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种激光加工异型孔的方法。

背景技术

目前叶片气膜孔加工主要是采用机械加工、电火花方法、传统的纳秒激光及电液束流等方式进行加工，电液束流加工效率最低，孔的轮廓形状最不可控、加工粗糙度很差、不能加工异型孔，未能成为目前航空精密加工的主流加工方式。

1.机械加工：具有强冲击力和热效应，在加工小于200微米的微孔或者微槽的难度很大、而且产品合格率也很低。

2.电火花加工：这种加工方式具有难以克服的缺点：加工尺寸精度不可控，加工锥度不可控，这对于要求一致性良好的倒锥形的喷油孔，是难以克服的瓶颈问题；表面粗糙度低，毛刺多；加工效率不高；只能加工导体；热效应明显。传统的电火花加工由于要求加工工件必须具有导电性，所以对具有热障涂层的叶片无能为力。

3.长脉冲激光加工：其效率和尺寸控制精度都有极大地改善，但是加工表面粗糙度很低且有很大的热影响区，并出现如溅落物、微裂纹等许多缺陷，因此必然会对加工区域附近的材料性能产生负面影响，大大影响工件的使用寿命和冷却效果。因此，其应用领域只能集中在精细度要求不高的激光切割和激光焊接等领域，对于需要超精细加工的领域却无能为力。

根据目前的加工方式，提高发动机性能最急需解决的关键问题就是重铸层和再结晶加工过程热影响的问题，只有在此基础上提高孔尺寸的一致性问题才能进一步提高发动机的热效率。

飞秒激光冷加工技术是超精细冷加工制造工艺的典型代表，也是先进制造技术的新兴方向，该技术的开发和应用克服了传统激光、电火花加工和电液束流加工的缺点，突破了传统加工存在热效应、材料选择性以及精度低的技术瓶颈，在航空领域将极大的提高发动机的寿命和无故障运行时间、提高航空发动机的推重比且应用于燃烧室可以实现飞机的节能减排。

发明内容

针对目前新一代航空发动机异型气膜孔加工的存在精度低、加工效率低、有重铸层、有微裂纹、有再结晶等工艺瓶颈，本发明研究一种采用超快激光作为“特殊刀具”实现高效超精细异型孔冷加工的工艺手段和方法。针对上述问题，本发明提出了一种利用飞秒激光在金属上加工异型孔的方法，保证圆孔与异型孔的加工位于同一工位上，与高精度控制系统配套保证了异型孔孔中圆孔的位置精度。利用微动二维平台的一个摆动轴与五轴平台的一个直线轴进行运动复合，再加上激光器快门的实时控制，可以精确地控制激光束刀具加工各种各样的异型形状。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。具体如下：

1)驱动激光以直线方式扫描被加工工件表面，同时驱动工件沿着与所述直线垂直的方向前进；

2)随着工件的前进，根据预先设定，改变所述直线方式扫描的线段长度，形成不规则的切割面；

3)工件复位，重复步骤1)和2）；

4)多次重复所述步骤3)，直至工件表面的加工厚度达到预设值，形成不规则孔。

进一步地，所述步骤2)中，通过改变激光扫描时的振幅或激光开关快门时间来改变扫描的线段长度。

进一步地，通过PZT致动反射镜的方式来驱动激光振荡扫描。

本发明的有益效果是：

攻克传统加工存在热效应、材料选择性以及精度低的技术瓶颈，在航空领域将极大的提高发动机的寿命和无故障运行时间、提高航空发动机的推重比且应用于燃烧室可以实现飞机的节能减排。

附图说明

图1是异型孔加工实验装置原理图。

图2是变振幅复合加工运动原理图。

图3是单层异型面的控制流程图。

图4是异型孔的控制流程图.

图5是光束快门变振幅复合加工运动原理图。

图6所示为单层异型面通过光束快门时序控制方法控制流程图。

图7为异型孔激光加工的整体控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，实现本发明的加工异型孔方法激光加工设备主要由二维摆动光学微动平台1（如PZT致动微动平台）、45°平面反射镜2、平行平板玻璃3、聚焦镜4、以及被加工工件5组成。其中，二维摆动光学微动平台可以实现绕平面反射镜中心的一维、二维摆动，可以实现绕平面反射镜法线的二维摆动，从而对入射进来的激光光束实现螺旋运动、圆运动、直线运动。平行平板玻璃可以绕其中心轴做高速回转运动；聚焦镜对入射进来的平行光束进行能量汇聚，传导到被加工材料并被吸收，转化为温度场，从而熔化、气化材料，经过排屑，便形成了簸箕孔的加工。