一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法和裝置，根據(jù)榫槽底部的幾何特征，采用光路變換系統(tǒng)將激光束的圓形光斑變?yōu)楦吖β拭芏鹊臈l形光斑，同時(shí)在榫槽底部的兩個(gè)端面分別設(shè)置導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的水約束層對(duì)榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。本發(fā)明能有效避免“等離子體屏蔽”效應(yīng)和水約束層不均勻、不穩(wěn)定現(xiàn)象，保證榫槽底部平面強(qiáng)化的質(zhì)量，可應(yīng)用于飛機(jī)葉片榫槽底部平面強(qiáng)化。
【專利說明】一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，提高飛機(jī)葉片與葉盤連接的可靠性，延長其使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的動(dòng)力，也是飛機(jī)的心臟。葉片是一種特殊的零件，它的數(shù)量多，形狀復(fù)雜，要求高，加工難度大，一直以來是各發(fā)動(dòng)機(jī)廠的生產(chǎn)的關(guān)鍵，被稱為“心臟的心臟”。飛機(jī)葉片通過葉片底部的榫頭與葉盤上的榫槽連接，因此飛機(jī)葉片榫頭的榫槽底部是典型的應(yīng)力集中區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，疲勞裂紋容易在榫槽底部平面上萌生和擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片松動(dòng)、振動(dòng)或失衡，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、可靠性和使用壽命大大降低，增加維護(hù)的成本。因此，對(duì)榫槽底部平面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，降低磨損，抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展至關(guān)重要。
[0003] 激光沖擊強(qiáng)化LSP，又叫激光噴丸，是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波力學(xué)效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行加工，具有聞壓、聞能、超快和超聞應(yīng)變率等特點(diǎn)。其形成的殘余壓應(yīng)力層能有效地消除材料內(nèi)部的應(yīng)力集中和抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力。大量的研究證明激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是延長裂紋萌生時(shí)間降低裂紋擴(kuò)展速度提高材料壽命的有效手段。
[0004]但由于飛機(jī)葉片榫頭的榫槽底部通常很窄，只有幾毫米。在進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，激光束會(huì)首先照射到榫槽底部側(cè)壁產(chǎn)生等離子體，從而形成“等離子體屏蔽”效應(yīng)，阻礙激光束照射到榫槽底部平面，影響激光沖擊強(qiáng)化的效果。同時(shí)，由于水流的附壁效應(yīng)顯著，在榫槽底部內(nèi)難以形成均勻穩(wěn)定的水約束層從而也會(huì)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化效果造成影響。而榫槽底部是容易產(chǎn)生失效的部位，尤其需要進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法和裝置，避免“等離子體屏蔽”現(xiàn)象，且實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的水約束層，提高激光沖擊強(qiáng)化效果。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明根據(jù)榫槽底部的幾何特征，采用光路變換系統(tǒng)將激光束的圓形光斑轉(zhuǎn)換為高功率密度的條形光斑對(duì)榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，且在榫槽底部的兩個(gè)端面分別設(shè)置導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置以實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定的水約束層，具體技術(shù)方案如下:
[0007]一種飛機(jī)葉片榫槽底部激光沖擊強(qiáng)化方法，其特征在于:根據(jù)榫槽底部的幾何特征，采用光路變換系統(tǒng)將圓形光斑激光束轉(zhuǎn)換為高功率密度的條形光斑激光束對(duì)覆蓋有吸收層的榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化；同時(shí)采用導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置，分別控制榫槽底部進(jìn)水端和出水端的水流參數(shù)，在榫槽底部內(nèi)形成穩(wěn)定1-1.5mm均勻的水約束層；
[0008]所述的條形光斑激光束寬度為0.5-lmm,長度為7_14mm，脈沖能量為5-12J，脈沖寬度為10-30ns。[0009]一種實(shí)施所述飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:包括激光器(10)，激光器控制裝置(11)，光路變換系統(tǒng)(13)，五軸工作臺(tái)(19)，夾具I (23)，夾具II (22)，夾具III (21)，水箱(27)，導(dǎo)流噴射裝置(26)，輸水軟管(25)，噴頭(24)，抽水管頭(16)，抽水軟管(20)，水泵(17)和水槽(18);夾具I (23)、夾具II (22)和夾具III (21)安裝在五軸工作臺(tái)(19)上，夾具II (22)位于夾具I (23)與III (21)之間，噴頭(24)安裝在夾具I (23)頂部，噴頭(24)與導(dǎo)流噴射裝置(26)通過輸水軟管(25)相連，導(dǎo)流噴射裝置(26)的進(jìn)水管與水箱(27)相接，抽水管頭(16)安裝在夾具III (21)頂部，抽水管頭(16)通過抽水軟管(20)與水泵(17)相連，水泵(17)出水口與水槽(18)相連，激光器(10)位于五軸工作臺(tái)(19)正上方，光路變換系統(tǒng)(13)位于激光器(10)與五軸工作臺(tái)(19)之間。
[0010]導(dǎo)流噴射裝置(26)用于控制水流的壓力和流量，控制壓力值范圍在0.1-0.3MPa之間，進(jìn)口流量范圍在0.8X 10_5-2.0X 10_5m3/s之間。
[0011]所述的水泵出口流量范圍為0.8X 10_5-2.0X 10_5m3/s，使榫槽底部內(nèi)水約束層進(jìn)出流量相等，確保水膜均勻。
[0012]所述的噴頭(24)為扁平狀,所述噴頭(24)的端面出水口寬度為1.5mm,長度為IOmm0
[0013]所述的抽水管頭(16)為扁平狀,所述抽水管頭(16)的端面出水口寬度為1.5mm,長度為10mm。
[0014]使用該裝置的具體步驟為:
[0015].在葉片榫槽底部平面涂上黑漆或鋁箔吸收層，然后將葉片安裝在夾具II上，使榫槽底部平面保持水平；
[0016].將噴頭安裝在夾具I頂 部，使噴頭出水口端面與榫槽底部的一個(gè)端面緊貼，并且噴頭出水口底面與榫槽底部平面位于同一平面,兩個(gè)側(cè)面均位于榫槽底部側(cè)面外；
[0017].用輸水軟管連接噴頭和導(dǎo)流噴射裝置，再將導(dǎo)流噴射裝置的進(jìn)水管接水箱；
[0018]?將抽水管頭安裝在夾具III頂部，使抽水管頭進(jìn)水口端面與榫槽底部的另一個(gè)端面緊貼，并且抽水管頭進(jìn)水口底面與榫槽底部平面位于同一平面，兩個(gè)側(cè)面均位于榫槽底部側(cè)面外；
[0019].用抽水軟管連接抽水管頭和水泵，再將水泵的出水管接水槽；
[0020].通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的光斑直徑，脈沖能量和脈沖寬度；
[0021].通過光路變換系統(tǒng)將圓形光斑激光束變?yōu)楦吖β拭芏鹊臈l形光斑激光束，并保證條形光斑激光束與水平面垂直，激光束焦點(diǎn)位于榫槽底部平面上；
[0022].調(diào)節(jié)導(dǎo)流噴射裝置和水泵的參數(shù)，在榫槽底部內(nèi)形成一定厚度的均勻穩(wěn)定的水約束層；
[0023].打開激光器，開始對(duì)榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，通過工作臺(tái)的平移完成整個(gè)榫槽底部平面的強(qiáng)化。
[0024]本發(fā)明專利工藝創(chuàng)新在于根據(jù)榫槽底部的幾何特征，采用光路變換系統(tǒng)將激光束的圓形光斑轉(zhuǎn)換為高功率密度的條形光斑對(duì)榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，避免了“等離子體屏蔽”現(xiàn)象，同時(shí)也保證了加工效率；采用導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置，同時(shí)控制榫槽底部進(jìn)水端和出水端的水流參數(shù)，保證榫槽底部內(nèi)水約束層的均勻穩(wěn)定。
[0025]本發(fā)明具有益效果:本發(fā)明通過對(duì)飛機(jī)葉片榫頭的榫槽底部平面的激光沖擊強(qiáng)化，能抑制榫槽底部上疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，避免葉片松動(dòng)、振動(dòng)或失衡等現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為飛機(jī)葉片示意圖；
[0027]圖2為“等離子體屏蔽”示意圖；
[0028]圖3為飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化示意圖；
[0029]圖4為噴頭出水口端面示意圖；
[0030]圖5為抽水管頭進(jìn)水口端面示意圖；
[0031 ] 圖6為激光沖擊強(qiáng)化加工路徑不意圖；
[0032]圖7為榫槽底部平面殘余應(yīng)力測(cè)試采點(diǎn)示意圖。
[0033]圖中:1.葉片，2.榫槽底部平面，3.榫頭，4.等離子體，10.激光器，11.激光器控制裝置，12.圓形光斑激光束，13.光路變換系統(tǒng)，14.條形光斑激光束，15.葉片，16.抽水管頭，17.水泵，18.水槽，19.五軸工作臺(tái)，20.抽水軟管，21.夾具III，22.夾具II，23.夾具I ,24.噴頭，25.輸水軟管，26.導(dǎo)流噴射裝置，27.水箱，30.噴頭出水口端面，31.抽水管頭進(jìn)水口端面，32.加工路徑，41.A點(diǎn)，42.B點(diǎn)，43.C點(diǎn)，44.D點(diǎn)，45.E點(diǎn)，46.F點(diǎn)；
[0034]出水口高度Hl為1.5mm,長度LI為10_。
[0035]出水口高度H2為1. 5mm,長度L2為10mm。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。
[0037]實(shí)施例1
[0038]在對(duì)圖1所示的飛機(jī)葉片榫槽底部平面進(jìn)行強(qiáng)化時(shí)，為了避免出現(xiàn)圖2所示的“等離子體屏蔽”效應(yīng)，采用了如圖3所示的一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化的裝置。該裝置包括:激光器10，激光器控制裝置11，光路變換系統(tǒng)13，五軸工作臺(tái)19，夾具I 23，夾具II 22，夾具III 21，水箱27，導(dǎo)流噴射裝置26，輸水軟管25，噴頭24，抽水管頭16，抽水軟管20，水泵17和水槽18。其中，噴頭24的出水口端面和抽水管頭16的進(jìn)水口端面分別如圖4和圖5所示。
[0039]夾具I 23、夾具II 22和夾具III 21安裝在五軸工作臺(tái)19上并且夾具II 22位于夾具I 23和夾具III 21之間，噴頭24安裝在夾具I 23頂部，噴頭24與導(dǎo)流噴射裝置26通過輸水軟管25相連，導(dǎo)流噴射裝置26的進(jìn)水管接水箱27，抽水管頭16安裝在夾具III 21頂部，抽水管頭16與水泵17通過抽水軟管20相連，水泵17出水口與水槽18相連，激光器10位于五軸工作臺(tái)19正上方，光路變換系統(tǒng)13位于激光器10與五軸工作臺(tái)19之間。
[0040]實(shí)施例2
[0041]使用該裝置的具體步驟為:
[0042]在葉片的榫槽底部平面2涂上吸收層黑漆，然后葉片15安裝在夾具II 22上，使榫槽底部平面2保持水平；
[0043].將噴頭24安裝在夾具I 23頂部，使噴頭出水口端面30與榫槽底部的一個(gè)端面緊貼，并且噴頭24的出水口底面與榫槽底部平面2位于同一平面，兩個(gè)側(cè)面均位于榫槽底部的側(cè)面外；
[0044]?用輸水軟管25連接噴頭24和導(dǎo)流噴射裝置26，再將導(dǎo)流噴射裝置26的進(jìn)水管接水箱27 ；
[0045].將抽水管頭16安裝在夾具III 21頂部，使抽水管頭端面31與榫槽底部的另一個(gè)端面緊貼，并且抽水管頭16的進(jìn)水口底面與榫槽底部平面2位于同一平面，兩個(gè)側(cè)面均位于榫槽底部的側(cè)面外；
[0046].用抽水軟管20連接抽水管頭16和水泵17，再將水泵17的出水管接水槽18 ；
[0047]?通過激光器控制裝置設(shè)定激光器10的光斑直徑為3mm，脈沖能量為5J和脈沖寬度為IOns ；
[0048].通過光路變換系統(tǒng)13將圓形光斑激光束12變?yōu)楦吖β拭芏鹊臈l形光斑激光束14，其寬度為0.5mm，長度為14mm，并保證條形光斑激光束14與水平面垂直，條形光斑激光束14焦點(diǎn)位于榫槽底部平面2上；
[0049].調(diào)節(jié)導(dǎo)流噴射裝置26和水泵17的參數(shù)，使其壓力值為0.1MPa,流量均為
0.8X 10_5m3/s,在榫槽底部內(nèi)形成厚度l-2mm的均勻穩(wěn)定的水約束層；
[0050]?打開激光器10，開始對(duì)榫槽底部平面2進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，通過控制五軸工作臺(tái)19的平移按照?qǐng)D6所示的加工路徑32完成整個(gè)榫槽底部平面2的強(qiáng)化。
[0051].加工結(jié)束后根據(jù)圖7中所標(biāo)記的點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試以評(píng)估飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化的效果。
[0052]實(shí)施例3
[0053]將實(shí)施例二中的脈沖能量改為6J，脈沖寬度改為20ns，條形光斑的寬度改為1mm，長度改為7mm，導(dǎo)流噴射裝置和水泵的壓力值改為0.2MPa，流量改為1.5 X 10_5m3/s，其它方法和步驟不變。
[0054]實(shí)施例4
[0055]將實(shí)施例二中的脈沖能量改為12J，脈沖寬度改為30ns，條形光斑的寬度改為2mm，長度改為3.5mm,導(dǎo)流噴射裝置和水泵的壓力值改為0.3MPa，流量改為2.0 X 10_5m3/s，其它方法和步驟不變。從表1中可以看出采用本方法能有效地將200多兆帕以上的殘余壓應(yīng)力引入飛機(jī)葉片榫槽底部平面，從而有利于提高飛機(jī)葉片的使用壽命。
[0056]表1實(shí)施例中飛機(jī)葉片榫槽底部平面殘余應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法，其特征在于:根據(jù)榫槽底部的幾何特征，采用光路變換系統(tǒng)將圓形光斑激光束轉(zhuǎn)換為高功率密度的條形光斑激光束對(duì)覆蓋有吸收層的榫槽底部平面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化；同時(shí)采用導(dǎo)流噴射裝置和抽水裝置，分別控制榫槽底部進(jìn)水端和出水端的水流參數(shù)，在榫槽底部內(nèi)形成穩(wěn)定1-1.5 mm均勻的水約束層； 所述的條形光斑激光束寬度為0.5-1 mm，長度為7-14 mm，脈沖能量為5_12 J，脈沖寬度為 10-30 nso
2.一種實(shí)施如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:包括激光器(10)，激光器控制裝置(11)，光路變換系統(tǒng)(13)，五軸工作臺(tái)(19)，夾具I (23)，夾具II (22)，夾具III (21)，水箱(27)，導(dǎo)流噴射裝置(26)，輸水軟管(25)，噴頭(24)，抽水管頭(16)，抽水軟管(20)，水泵(17)和水槽(18);夾具I (23)、夾具II (22)和夾具III (21)安裝在五軸工作臺(tái)(19)上，夾具II (22)位于夾具I (23)與III (21)之間，噴頭(24)安裝在夾具I (23)頂部，噴頭(24)與導(dǎo)流噴射裝置(26)通過輸水軟管(25)相連，導(dǎo)流噴射裝置(26)的進(jìn)水管與水箱(27)相接，抽水管頭(16)安裝在夾具III (21)頂部，抽水管頭(16)通過抽水軟管(20)與水泵(17)相連，水泵(17)出水口與水槽(18)相連，激光器(10)位于五軸工作臺(tái)(19)正上方，光路變換系統(tǒng)(13)位于激光器(10)與五軸工作臺(tái)(19)之間。
3.—種如權(quán)利要求2所述的實(shí)施飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:導(dǎo)流噴射裝置(26)用于控制水流的壓力和流量，控制壓力值范圍在0.1-0.3MPa之間，進(jìn)口流量范圍在0.8X10_5-2.0X10_5 m3/s之間。
4.一種如權(quán)利要求2所述的實(shí)施飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:所述的水泵(17)出口流量范圍為0.8X10_5-2.0X10_5 m3/s，使榫槽底部內(nèi)水約束層進(jìn)出流量相等，確保水膜均勻。
5.一種實(shí)施權(quán)利要求2所述的一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化的裝置，其特征在于:所述的噴頭(24)為扁平狀，所述噴頭(24)的端面出水口寬度為1.5mm，長度為10mmD
6.一種實(shí)施權(quán)利要求2所述的一種飛機(jī)葉片榫槽底部平面激光沖擊強(qiáng)化的裝置，其特征在于:所述的抽水管頭(16)為扁平狀，所述抽水管頭(16)的端面出水口寬度為1.5 mm,長度為10 mm。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK103468925SQ201310384555
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】薛偉, 魯金忠, 羅密, 張永康, 戴峰澤 申請(qǐng)人:溫州大學(xué), 江蘇大學(xué), 東南大學(xué)