一种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于激光微孔加工技术领域，具体设及一种飞秒激光加工航空发动机 叶片气膜冷却孔的装置。
【背景技术】
[0002] 现代先进的航空发动机普遍采用小孔气膜冷却式满轮叶片，W增加满轮前溫度， 从而提高发动机的推重比。航空发动机性能的好坏很大程度上取决于叶片上气膜冷却孔的 形状和质量，气膜冷却孔因其对发动机的冷却有较明显的效果，故一直受到航空装备业的 广泛关注。然而由于气膜孔的加工技术难度高，一直是航空装备制造业亟需解决的难题。
[0003] 气膜冷却孔的直径通常为0.1 mm~0.8mm，其空间分布复杂，且定位精度要求高，角 度多为15°~90°的斜孔，孔的形状多为圆锥形或鑛貸形等，运些要求大大增加了其制造的 难度，决定了传统的机械加工方法已经很难满足大批量微小气膜孔的加工需求。目前航空 发动机满轮叶片气膜孔的加工一般采用电火花、电液束流、长脉冲激光加工等方式。电火花 加工是利用导电零件材料和工具电极之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象将多余材料去 除的方法。电火花加工主要缺点是电极损耗大，但制作和修复较困难，生产效率低，且只能 加工导体，同时也会产生微裂纹和重烙层。尽管针对重烙层的问题，研究人员对此开展了很 多研究，如使用高速电火花穿孔加工技术、优化电火花加工参数、使用新材料电极等，W减 小重烙层厚度，但运并不能从根本上解决重烙层问题。电液束加工包括电射流加工、毛细管 电解加工和喷射液束电解加工=种不同的加工方式。电液束加工气膜孔不会产生重烙层、 微裂纹和热影响区，但电液束的加工效率极低，轮廓形状最不可控，尺寸精度重复性差，且 只能加工一定尺寸范围的圆孔，很难加工异形孔及多角度斜孔，不能满足批量生产需求。长 脉冲激光加工航空发动机叶片气膜孔的孔壁一般存在数十微米厚的重烙层，而且重烙层内 通常也存在微裂纹，有的甚至进入基体。运些缺陷的存在直接影响了叶片的疲劳寿命，更严 重的会导致叶片在工作中疲劳断裂，其后果不堪设想(张晓兵.激光加工满轮叶片气膜孔的 现状及发展趋势.应用激光.2002)。
[0004] 随着激光技术的快速发展，高功率、高光束质量的超短脉冲出现，飞秒（lCTis秒)激 光冷加工技术备受关注，在加工微孔、微槽和切割方面的质量远远优于其他加工方式。飞秒 激光加工和传统长脉冲激光加工的机理不同，飞秒激光加工基本不产生热影响区，飞秒激 光加工中激光脉冲同材料的作用时间极短，能够W极快的速度将全部能量注入到很小的作 用区域，避免了激光能量的转移和扩散，能克服等离子体屏蔽，具有稳定的加工阔值，加工 时的热量来不及传播，可视作无热影响区，无材料损伤。在整个加工过程中，材料的去除方 式W蒸发和汽化的形式进行，无烙融相，因此没有重烙层的形成。飞秒激光超精细冷加工是 对传统加工方式的革新，也是当今装备制造业的主要方式之一。同时随着材料科学的快速 发展，未来航空发动机叶片必然会被陶瓷复合材料、碳娃复合材料等性能优良的新型材料 所取代，而当前采用最多的电火花加工方式无法加工非导电材料。因此，飞秒激光加工是航 空发动机满轮叶片气膜孔加工的一种重要的发展趋势。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种飞秒激光加工航空发 动机叶片气膜孔的装置，具有加工效率高、无重烙层、对材料无选择性等优点。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
[0007] -种飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的装置，包括飞秒激光器系统、光学导 光系统、机械加工平台系统和控制系统，所述飞秒激光器系统的光路出口与光学导光系统 的光路入口相对，光学导光系统的光路出口与机械加工平台系统的工作区域相对，所述飞 秒激光器系统输出的激光光束由光学导光系统进行处理，光学导光系统引导激光光束至机 械加工平台系统工作区域的工件表面，光学导光系统对飞秒激光器系统输出的激光光束进 行整形、均匀、扩束、准直和聚焦，保证加工工件表面获得所需的光斑形状、尺寸及功率密 度;所述机械加工平台系统与控制系统相连，控制系统调节机械加工平台系统的运动方向 和运动速度。
[0008] 所述飞秒激光器系统包括飞秒激光器，所述飞秒激光器由电源装置提供电源，所 述飞秒激光器与冷却装置通过两根软管相连，冷却装置对使用中的飞秒激光器进行冷却； 所述飞秒激光器与控制系统连接。
[0009] 所述光学导光系统包括反射镜、波长转换器、光阔、光电快口系统、扩束镜、二向分 色镜、扫描振镜;所述飞秒激光器系统输出的激光光束光路依次是反射镜、波长转换器、光 阔、光电快口系统、扩束镜、二向分色镜的一面、扫描振镜、工件表面;在二向分色镜的另一 面设有显微成像单元，显微成像单元与控制系统连接。
[0010] 所述反射镜与激光光束光路的夹角为45%更方便设置各部分部件的位置，同时更 利于激光光束的传播。
[0011] 所述光阔的通光孔径在过滤掉光束中不圆的部分，获得较好的圆形 光斑，从而使光束聚焦后的光斑在径向的均匀分布，保证了聚焦光斑质量。利用可调通光孔 径的光阔，可W在不同情况下选择合适的光阔通光孔径，来获得需要的光斑。
[0012] 所述光电快口系统包括快n控制器和激光快n，所述快n控制器对激光快n进行 控制，所述快口控制器与控制系统通信，控制系统控制快口控制器的通断时间，同时由控制 系统对激光快口和机械加工平台系统进行协调控制，保证加工完成的结构完整。
[0013] 所述扩束镜包括输入负透镜和输出正透镜，输入负透镜将一个虚焦点光束传送给 输出正透镜，实现激光的扩束功能，从而压缩光束发散角，利于获得更小的聚焦光斑。
[0014] 所述二向分色镜与激光光束光路的夹角为45°。
[0015] 所述扫描振镜包括场镜和二维片转扫描反射镜，所述扫描振镜与控制系统连接， 使激光光束经过由X轴反射镜后反射至Y轴反射镜，在控制系统控制下完成指定二维图形扫 描。
[0016] 所述显微成像单元包括CCD和镜头，对焦点基准位置进行微细调整，还可W对加工 过程进行实时检测与观察。
[0017] 所述机械加工平台系统包括五轴联动工作平台，所述五轴联动工作平台上设有夹 具，五轴联动加工平台具有较高的精度参数，保证了加工过程中聚焦定位的高重复性，及微 孔加工尺寸的高可靠性。
[0018] 所述五轴联动工作平台的一侧设有吹气装置，吹气装置对五轴联动工作平台工件 表面吹压缩氮气，将工件表面的去除材料及时吹除，保证加工工件的整洁，五轴联动工作平 台处设置照明装置对五轴联动工作平台工作区域提供照明。
[0019] 飞秒激光加工航空发动机叶片气膜孔的的方法，包括W下步骤：
[0020] 步骤1:确定叶片上气膜孔的形状和气膜孔之间的相对位置；
[0021] 步骤2:将叶片置于机械加工平台系统的加工区域，并固定叶片的位置；
[0022] 步骤3:调节激光光斑与叶片的相对位置，并保证初始激光焦点位置在叶片上表 面；
[0023] 步骤4:根据预加工轨迹确定机械加工平台系统的加工动作过程；
[0024] 步骤5:由控制系统调节光学导光系统的加工参数，保证光学导