异型孔加工方法及异型孔与流程

本发明涉及激光加工孔技术领域，特别是涉及一种异型孔加工方法及异型孔。

背景技术：

异型孔，由于具有更好的气膜冷却效果，早已在航空发动机涡轮叶片冷却结构中应用。

异型孔主要由通孔及扩散段组成，针对异型孔的结构特征，国内外采取了多种加工方法。最早采取的方法是电火花加工，但效率较低；为提高效率有采用二步法加工，即激光加工圆柱形孔，电火花成型电极加工孔的扩散段；也有采用毫秒脉冲激光直接切割加工的方法，扩散段加工需要激光调整入射角度使与扩散段内壁面平行，为避免激光加工扩散段破坏圆柱形孔形状，需要优化工艺，甚至采用填入防护材料的方法。

但上述方法存在以下不足：

完全电火花加工的效率较低，会产生再铸层等热致缺陷，而且无法完成在表面先制备不导电陶瓷基热障涂层的零件上制孔；

激光-电火花二次加工的工艺、设备复杂，二次对准精度不易保证；

毫秒脉冲激光切割加工方法虽然效率高，但加工形状受限，需保证沿扩散段孔壁表面切割加工不破坏异型孔的形状完整性，需要严格控制切割深度或采取填充防护材料等保护措施，并且较大能量的毫秒长脉冲激光切割会导致严重的热影响，产生再铸层、微裂纹等热致缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种异型孔加工方法，减小甚至避免激光直接加工异型孔产生的明显热致缺陷，包括在表面制备有热障涂层的工件上实现先制备热障涂层后加工异型孔孔壁而无再铸层、微裂纹，涂层无明显崩块，提高异型孔的形状及尺寸精度，而且可行性、有效性和先进性高。

本发明的异型孔加工方法，提出了完全基于扫描振镜填充加工的方式，首先加工小于孔径要求的通孔以排出加工过程产生的气化物、熔融物，避免重凝物沉积，再粗加工异型孔扩散段，再调整激光焦点位置在排尘通孔的基础上扩孔，加工达到孔径要求的圆柱形通孔，最后精确调整焦点位置逐层加工扩散段，避免了现有技术加工异型孔，尤其是在表面制备有热障涂层的工件上加工异型孔，所导致的热致缺陷，如再铸层、微裂纹，涂层崩块等，而且提高了异型孔的形状及尺寸精度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种异型孔加工方法，包括以下步骤：

a、加工初始通孔，将激光聚焦于工件表面待加工孔的中心，激光通过扫描振镜填充方式加工出通孔，所述通孔的孔径小于要求孔径；

b、加工扩散段的外围区域，外围区域是指异型孔三维结构去掉圆柱形通孔的空间区域，该圆柱形孔由出口延伸至扩散段入口工件表面，采用三维数模切片法按预设距离逐层生成填充加工路径，加工顺序为从扩散段的内部向外部、底部向顶部；

c、圆柱形孔扩孔加工，激光焦点下移，聚焦于所述扩散段与所述圆柱形孔的衔接面，将所述圆柱形孔的孔径加工至要求尺寸；

d、扩散段修饰加工，激光焦点按步骤b的路径并按所述预设距离上移逐层加工，扩大所述扩散段的尺寸，提高所述扩散段的形状精度及表面质量；

所述激光光源为飞秒、皮秒或纳秒脉冲激光；并且，在加工的过程中，激光束始终与异型孔的通孔的轴线平行。

本发明的根据上述的异型孔加工方法所加工出的异型孔，包括依次连接的圆柱形孔和扩散段。

本发明提出的异型孔加工方法，是基于纳秒、皮秒或飞秒脉冲激光以扫描振镜填充方式完成异型孔加工，即首先加工小于孔径要求的排尘通孔，再粗加工异型孔扩散段，再调整激光焦点位置在排尘通孔的基础上扩孔，加工达到孔径要求的圆柱形通孔，最后精确调整焦点位置逐层加工扩散段，该方法可实现激光加工异型孔(包括在表面制备有热障涂层的工件上加工异型孔)无再铸层、微裂纹及重凝物沉积等，涂层无明显开裂、崩块，并能够提高异型孔的形状及尺寸精度，可实现一次性、自动化、高质量加工异型孔。

上述激光光源为飞秒、皮秒和纳秒脉冲激光的一种；较大能量长脉冲的毫秒激光切割会导致严重的热影响，产生再铸层、微裂纹等热致缺陷。使用飞秒、皮秒或纳秒脉冲激光可解决此问题。

步骤a中，通孔的孔径小于要求孔径的目的在于为后续的扩散段加工及异型孔高质量加工形成易于加工过程产生的气化物、熔融物排出的通道，避免重凝物沉积。

步骤b为扩散段外围区域加工，是扩散段的粗加工，加工顺序是由内及外，由内及外不仅仅指先加工扩散段每层的内部区域再加工外部区域，而且每层加工的顺序是先加工扩散段底层再逐步分层加工扩散段上部区域，最后至工件表面，由内及外加工顺序的目的同样是实现加工过程产生的气化物、熔融物易于排出。

现有技术通常为由外及内加工，即先加工扩散段再加工圆柱形通孔的加工顺序，但是这样容易形成孔壁再铸层，或重凝物沉积，本发明的加工顺序可解决此问题。

步骤c完成圆柱形孔的扩孔加工，使其达到孔径要求，并减小锥度。

步骤d通过逐层精确去除，提高扩散段尺寸、形状精度及表面质量以完成修饰加工。

加工采用如上所述a、b、c、d的四步法，整个过程可以通过程序设定，数控自动完成。加工过程多次调整激光焦点位置，有效减小锥度效应，以减小孔形尺寸与设计间存在的明显差异。

在一些实施方式中，基于扫描振镜生成加工路径，采用激光扫描填充去除法加工异型孔，加工过程激光束始终与异型孔的圆柱形孔轴线平行。

在一些实施方式中，所述激光扫描振镜为二维扫描振镜或可以实现动态聚焦的三维扫描振镜。

在一些实施方式中，所述工件的表面可制备有热障涂层，当然，也可未制备热障涂层。

由于采用较小能量的激光，加工过程中热效应较小，对于表面带热障涂层的工件仍有较好的应用效果，也就是说可完成在表面先制备不导电陶瓷基热障涂层的工件上制孔，有助于进一步提高异型孔使用性能及使用寿命的要求。

本发明的根据上述异型孔加工方法所加工出的异型孔，包括依次连接的圆柱形孔和扩散段。

在一些实施方式中，所述扩散段为从所述衔接面到所述圆柱形孔沿其轴线投影至工件表面的区域；所述扩散段的截面尺寸呈逐步放大趋势。

在一些实施方式中，所述扩散段的截面形状为圆锥形。

在一些实施方式中，所述扩散段的截面形状为梯形。

在一些实施方式中，所述扩散段的截面形状为多边形。

可以理解，截面形状还可以是逐步放大的其他形状，如长圆形、豌豆形等。

由于采用的是纳秒，甚至皮秒、飞秒脉冲激光，通过本发明提出的加工新方法，可以实现基于扫描振镜的扫描填充法一次性、自动化、高质量加工异型孔，不仅仅可以实现加工孔壁无再铸层、微裂纹，而且可以改进加工异型孔的孔形尺寸精度。尤其是本方法同样适用于表面带热障涂层工件先涂层后高质量加工异型孔，保证涂层无开裂、崩块等热致缺陷。试验结果也证明了该方法的可行性、有效性、先进性。

经济及社会效益主要体现在由于该方法易于实现加工异型孔结构的多样性及加工材料的适应性，可以提高叶片异型孔设计的灵活性及合理性，并相应提高冷却性能，另外，通过提高加工异型孔的质量，能够实现先制备热障涂层后制孔，有助于进一步提高异型孔使用性能及使用寿命的要求。

附图说明

图1为本发明提供的一种异型孔的俯视及剖视结构示意图；

图2为本发明一个实施例中的使用现有加工方法加工出的异型孔孔壁表面形貌及微观质量的扫描电镜图；

图3为本发明一个实施例中的使用本发明的异型孔加工方法加工出的异型孔孔壁表面形貌及微观质量的扫描电镜图；

图4为本发明一个实施例中的使用现有加工方法加工出的异型孔孔壁纵截面整体形貌及孔壁表面微观质量的扫描电镜图；

图5为本发明一个实施例中的使用本发明的异型孔加工方法加工出的异型孔孔壁纵截面整体形貌及孔壁表面微观质量的扫描电镜图。

附图标记：

1-孔的中心；2-圆柱形孔；3-扩散段；4-外围区域；5-衔接面。

具体实施方式

实施例一

一种异型孔加工方法：

扫描振镜为二维扫描振镜或可以实现动态聚焦的三维扫描振镜，激光光源选择飞秒、皮秒和纳秒脉冲激光的一种，加工过程中激光束始终与异型孔的通孔的轴线平行。

首先加工初始通孔：如图1所示，将激光聚焦于工件表面孔的中心1，振镜扫描填充方式加工出口直径小于要求孔径的初始通孔。

然后加工扩散段3的外围区域4：即仅加工与扩散段的圆孔不重叠区域，且加工路径采用三维数模切片法生成填充加工路径，加工顺序是由内及外即先加工扩散段每层的内部区域再加工外部区域，而且每层加工的顺序是先加工扩散段底层再逐步分层加工扩散段上部区域，最后至工件表面。

可以理解，外围区域4实质上是异型孔去掉由底部至表面圆柱形孔的区域，也就是从孔轴截面看，去掉中间的圆形孔的部分。

接着进行圆柱形孔2扩孔加工：将激光焦点下移，聚焦于扩散段3与圆柱形孔2的衔接面5，将圆柱形孔2的孔径加工至要求尺寸。

最后进行扩散段3修饰加工：将激光焦点位置逐层上移，上移距离为切片选取的间隔，按上述的三维数模切片法生成填充加工的路径并按上述预设距离上移逐层加工，扩大扩散段3的尺寸，提高扩散段3的形状精度及表面质量。

电镜扫描观察异型孔孔壁表面形貌及微观质量及异型孔孔壁纵截面整体形貌及孔壁表面微观质量。结果如图3和图5所示，可见异型孔孔壁锥度较小且孔壁无再铸层和重凝物沉积，说明本方案有良好的可行性。

此外，当使用现有加工方法加工异型孔时，结果如图2和图4所示，可见孔壁仍存在明显再铸层，或重凝物沉积，且孔壁纵截面存在明显锥度和再铸层。

本申请加工出的异型孔明显优于使用现有技术加工出的。说明本申请的方案有良好的可行性和有效性，并能够提高异型孔的形状及尺寸精度，可实现一次性、自动化、高质量加工异型孔。

实施例二

一种异型孔加工方法：

异型孔加工于表面制备有热障涂层的工件上。

其他步骤同实施例一。

最后需要说明的是，以上实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。