CN102528404B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了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，采用脉冲激光束对待加工整体叶轮叶片表面进行激光喷丸强化处理，再铣削去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层，使先后两工序分别产生的残余压应力和残余拉应力相互抵消，从而有效地控制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。本发明适用于各种结构复杂叶轮叶片的祛除应力机械切削加工。
Description
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。
实践证明，按照本发明所述方法对GH4169镍基高温合金叶轮的长叶片半精加工后，采用X-350A型X射线衍射仪测得，上述整体叶轮叶片的圆弧上十等分点处的平均残余应力值从402MPa减少到71MPa，最大变形量从0.032降低到0.019，大幅度减少了叶片半精加工后的残余拉应力和最大变形量。
附图说明
图1为被加工的整体叶轮的示意图。
图2为本发明的加工示意图。
图3为图2的侧视图。
其中，1长叶片，2短叶片，3叶轮叶片，4铣刀，5激光头，6光斑。
具体实施方式
本发明是用于半开离心式整体叶轮的激光辅助祛除应力的加工方法，被加工的整体叶轮如图1所示，其轮面上设有弧形的长叶片1和短叶片2。该整体叶轮的材质为镍基高温合金，叶片厚度为0.5-2.5cm，曲面光滑，无应力集中。
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的内容是：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。从而达到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，有效地控制叶片在应力释放后产生的变形并减少微裂纹产生的效果。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，阐述所述方法各个步骤的详细内容。
请结合参阅图2和图3，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3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3表面喷涂黑漆，作为激光喷丸强化的吸收层，其中，数控加工中心为高精度五轴联动数控加工中心。
(3)将铣刀4装夹在数控加工中心的主轴上；将激光头5安装在数控加工中心上，使激光头5与所述整体叶轮叶片3无干涉，并且激光头5的光轴与数控加工中心的主轴形成60°角度，该激光头5照射形成的强化光斑6落在叶轮叶片3的表面上，并且与铣刀4保持5-10cm的距离；其中，铣刀4为整体硬质合金立铣刀。
(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，其中，脉冲宽度为10ns、功率密度为7×109GW/cm2，光斑大小为5mm。
(5)启动数控加工中心，沿叶轮叶片3弧形的表面先后进行激光喷丸强化和铣削加工，整体硬质合金立铣刀4以侧铣方式铣削去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层；加工过程中，激光头5与铣刀4的进给速度相同，铣削为顺铣方式并采用水基切削液。
本发明具有如下特点：
1、所述方法能够实现对任意轮廓曲面进行连续加工。
2、激光喷丸强化的黑漆吸收层以及在叶片表面产生的变形能够在后续的铣加工中去除，并未降低叶片的表面质量。
3、后续的精加工由于切除余量小，故对整体叶轮叶片表面的质量影响不大。
4、采用顺铣和水基切削液控制切屑飞溅，以免影响激光喷丸强化效果，并作为激光喷丸强化处理的约束层。
5、激光辅助祛除残余应力属于激光冷加工方法，脉冲时间短，无热量产生。
以下为本发明的实施例：
待加工的整体叶轮的材质为GH4169镍基高温合金叶轮，其长叶片1沿表面弧线方向上厚度为1.0-1.9mm不等，长叶片1最大高度为18mm。加工在高精度五轴联动数控加工中心上进行，铣刀4采用直径12mm，螺旋角30°的四刃硬质合金整体锥度铣刀。
在热处理工序之后和常规半精加工工序之前，应用本发明进行加工的过程如下：
(1)在待加工的整体叶轮叶片3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，测量得到残余应力的平均值为402MPa，最大变形量为0.032mm。
(2)将待加工的整体叶轮装夹在高精度五轴联动数控加工中心的工作台上，在待加工的叶轮叶片3表面喷涂黑漆，作为激光喷丸强化的吸收层。
(3)将整体硬质合金立铣刀4装夹在高精度五轴联动数控加工中心的主轴上；将激光头5安装在高精度五轴联动数控加工中心上，使激光头5与所述整体叶轮的各叶片3不发生干涉，并且激光头5的光轴与高精度五轴联动数控加工中心的主轴轴线形成60°角度，该激光头5照射形成的强化光斑6落在叶轮叶片3的表面上，并且与整体硬质合金立铣刀4保持10cm的距离。
(4)开启激光器，将步骤(1)所得残余应力补偿值402MPa作为目标值，设定相应的激光喷丸强化参数为能量10J、波长1064nm、光斑大小5mm、脉冲宽度10ns、功率密度7×109GW/cm2、重复频率10Hz。
(5)启动高精度五轴联动数控加工中心，沿叶轮叶片3弧形的表面先进行激光喷丸强化，后进行铣削加工，整体硬质合金立铣刀4以侧铣方式铣削去除激光喷丸强化处理所引起的表面变形层；加工过程中采用水基切削液和顺铣方式，以防止切屑飞溅影响强化效果；激光头5与铣刀4的进给速度相同，切削参数为：切削速度50m/min、进给速度350mm/min、主轴转速4200r/min、径向切深0.3mm。
按本发明方法对GH4169镍基高温合金叶轮的长叶片1半精加工后，采用X-350A型X射线衍射仪测得上述十等分点处的平均残余应力值从402MPa减少到71MPa，最大变形量从0.032降低到0.019，大幅减少了长叶片1半精加工后的残余拉应力与最大变形量。
本发明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抵消铣加工时切削力-热耦合作用引起的残余拉应力，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。本发明适用于各种结构复杂叶轮叶片的祛除应力机械切削加工。
Claims (4)
1.一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；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，激光头的光轴与数控加工中心的主轴形成60°角度，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5-10cm的距离；
（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为10ns、功率密度为7×109GW/cm2，光斑大小为5mm；
（5）启动数控加工中心，激光头与铣刀的进给速度相同，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。
2.根据权利要求1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，其特征在于：所述步骤（3）中，铣刀为整体硬质合金立铣刀。
3.根据权利要求1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，其特征在于：所述步骤（5）中，铣削为顺铣方式并采用水基切削液。
4.根据权利要求1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，其特征在于：所述数控加工中心为高精度五轴联动数控加工中心。
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