專利名稱：一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于半開離心式整體葉輪的加工方法，具體涉及一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，屬于機(jī)械切削加工制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
葉輪是航空航天器件中復(fù)雜曲面加工的典型零件，在傳統(tǒng)的銑削過程中不可避免地會產(chǎn)生大量切削熱，從而在葉片表面引起殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋的出現(xiàn)，降低整體葉輪的使用壽命。由于葉輪葉片側(cè)壁薄，薄壁葉片在應(yīng)力釋放后極易產(chǎn)生變形，從而降低了葉輪制造精度。近年來，我國對葉輪制造加工技術(shù)開展了廣泛研究，公開號為CN101590587 的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N整體葉輪的加工方法，基本滿足了加工質(zhì)量；公開號為 CN101658999A的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N雙葉片閉式葉輪加工工藝，該加工工藝能夠大幅減輕葉輪的實(shí)際重量，并降低產(chǎn)品成本；公開號為CN102218649A的中國專利申請采用常規(guī)的四軸立式加工中心對曲面風(fēng)力整體葉輪進(jìn)行精確曲面加工，達(dá)到生產(chǎn)成本低、加工效率高的效果；公開號為CN102085576A的中國專利申請?zhí)岢隽艘环N整體葉輪葉片部分五軸聯(lián)動變軸插銑數(shù)控加工的方法，提高了生產(chǎn)效率；公開號為CN1600485A的中國專利申請公開了一種高強(qiáng)度葉輪焊接及消除應(yīng)力方法，該方法雖然能減少焊接后的殘余應(yīng)力，但需要把葉輪放入爐膛中進(jìn)行熱處理。所有上述專利都無法解決葉輪葉片加工中由于切削熱引起的殘余拉應(yīng)力在釋放后導(dǎo)致葉片發(fā)生變形及葉片表面出現(xiàn)微裂紋等問題，隨著我國航空航天制造業(yè)的飛速發(fā)展，急需一種實(shí)時祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的機(jī)械切削加工方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，在銑削加工前先采用激光束對葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，使先后兩工序分別產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力相互抵消，有效地控制葉輪葉片在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的變形并減少微裂紋的產(chǎn)生。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來解決其技術(shù)問題的一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于在熱處理工序之后和常規(guī)半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，隨后對葉輪葉片表面進(jìn)行銑削加工，去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層。本發(fā)明所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片的圓弧上取十等分點(diǎn)，逐點(diǎn)測定殘余應(yīng)力大小，取其平均值作為后續(xù)激光強(qiáng)化的殘余應(yīng)力補(bǔ)償值；(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數(shù)控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片說明書
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表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強(qiáng)化的吸收層；(3)將銑刀裝夾在數(shù)控加工中心的主軸上，將激光頭安裝在數(shù)控加工中心上并使之與所述整體葉輪葉片無干涉，該激光頭照射形成的光斑落在葉輪葉片表面上且與銑刀保
持一距離；(4)開啟激光器，將步驟⑴所得殘余應(yīng)力補(bǔ)償值作為目標(biāo)值，設(shè)定相應(yīng)的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大?。?5)啟動數(shù)控加工中心，沿葉輪葉片的表面先后進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化和銑削加工，銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層。所述數(shù)控加工中心為高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心；所述整體葉輪葉片的材質(zhì)為鎳基高溫合金，厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應(yīng)力集中。所述步驟(3)中，銑刀為整體硬質(zhì)合金立銑刀，激光頭的光軸與數(shù)控加工中心的主軸形成60°角度，激光頭的光斑與銑刀的距離為5-lOcm;所述步驟中，脈沖寬度為 10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm;所述步驟(5)中，激光頭與銑刀的進(jìn)給速度相同，銑削為順銑方式并采用水基切削液。本發(fā)明的有益效果是所述激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法首先采用脈沖激光束對待加工鎳基高溫合金葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，再采用銑刀對葉片表面進(jìn)行銑削加工，去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層，使激光噴丸強(qiáng)化處理工序產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與銑加工時切削力-熱耦合作用引起的殘余拉應(yīng)力相互抵消，從而有效地控制薄壁葉片在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的變形，并且減少微裂紋的產(chǎn)生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)踐證明，按照本發(fā)明所述方法對GH4169鎳基高溫合金葉輪的長葉片半精加工后，采用X-350A型X射線衍射儀測得，上述整體葉輪葉片的圓弧上十等分點(diǎn)處的平均殘余應(yīng)力值從402ΜΙ^減少到71MPa，最大變形量從0. 032降低到0. 019，大幅度減少了葉片半精加工后的殘余拉應(yīng)力和最大變形量。


圖1為被加工的整體葉輪的示意圖。圖2為本發(fā)明的加工示意圖。圖3為圖2的側(cè)視圖。其中，1長葉片，2短葉片，3葉輪葉片，4銑刀，5激光頭，6光斑。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是用于半開離心式整體葉輪的激光輔助祛除應(yīng)力的加工方法，被加工的整體葉輪如圖1所示，其輪面上設(shè)有弧形的長葉片1和短葉片2。該整體葉輪的材質(zhì)為鎳基高溫合金，葉片厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應(yīng)力集中。所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法的內(nèi)容是在熱處理工序之后和常規(guī)半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，隨后對葉輪葉片表面進(jìn)行銑削加工，去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層。從而達(dá)到使先后兩工序分別產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力相互抵消，有效地控制葉片在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的變形并減少微裂紋產(chǎn)生的效果。下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，闡述所述方法各個步驟的詳細(xì)內(nèi)容。請結(jié)合參閱圖2和圖3，本發(fā)明所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片3的圓弧上取十等分點(diǎn)，逐點(diǎn)測定殘余應(yīng)力大小，取其平均值作為后續(xù)激光強(qiáng)化的殘余應(yīng)力補(bǔ)償值。(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數(shù)控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片 3表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強(qiáng)化的吸收層，其中，數(shù)控加工中心為高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。(3)將銑刀4裝夾在數(shù)控加工中心的主軸上；將激光頭5安裝在數(shù)控加工中心上， 使激光頭5與所述整體葉輪葉片3無干涉，并且激光頭5的光軸與數(shù)控加工中心的主軸形成60°角度，該激光頭5照射形成的強(qiáng)化光斑6落在葉輪葉片3的表面上，并且與銑刀4保持5-lOcm的距離；其中，銑刀4為整體硬質(zhì)合金立銑刀。(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應(yīng)力補(bǔ)償值作為目標(biāo)值，設(shè)定相應(yīng)的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大小，其中，脈沖寬度為10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm ο(5)啟動數(shù)控加工中心，沿葉輪葉片3弧形的表面先后進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化和銑削加工，整體硬質(zhì)合金立銑刀4以側(cè)銑方式銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層；加工過程中，激光頭5與銑刀4的進(jìn)給速度相同，銑削為順銑方式并采用水基切削液。本發(fā)明具有如下特點(diǎn) 1、所述方法能夠?qū)崿F(xiàn)對任意輪廓曲面進(jìn)行連續(xù)加工。2、激光噴丸強(qiáng)化的黑漆吸收層以及在葉片表面產(chǎn)生的變形能夠在后續(xù)的銑加工中去除，并未降低葉片的表面質(zhì)量。3、后續(xù)的精加工由于切除余量小，故對整體葉輪葉片表面的質(zhì)量影響不大。4、采用順銑和水基切削液控制切屑飛減，以免影響激光噴丸強(qiáng)化效果，并作為激光噴丸強(qiáng)化處理的約束層。5、激光輔助祛除殘余應(yīng)力屬于激光冷加工方法，脈沖時間短，無熱量產(chǎn)生。以下為
具體實(shí)施例方式待加工的整體葉輪的材質(zhì)為GH4169鎳基高溫合金葉輪，其長葉片1沿表面弧線方向上厚度為1. 0-1. 9mm不等，長葉片1最大高度為18mm。加工在高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心上進(jìn)行，銑刀4采用直徑12mm，螺旋角30°的四刃硬質(zhì)合金整體錐度銑刀。在熱處理工序之后和常規(guī)半精加工工序之前，應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行加工的過程如下(1)在待加工的整體葉輪葉片3的圓弧上取十等分點(diǎn)，逐點(diǎn)測定殘余應(yīng)力大小，取其平均值作為后續(xù)激光強(qiáng)化的殘余應(yīng)力補(bǔ)償值，測量得到殘余應(yīng)力的平均值為402MPa，最大變形量為0. 032mm。(2)將待加工的整體葉輪裝夾在高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片3表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強(qiáng)化的吸收層。(3)將整體硬質(zhì)合金立銑刀4裝夾在高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的主軸上；將激光頭5安裝在高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心上，使激光頭5與所述整體葉輪的各葉片3 不發(fā)生干涉，并且激光頭5的光軸與高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心的主軸軸線形成60°角度，該激光頭5照射形成的強(qiáng)化光斑6落在葉輪葉片3的表面上，并且與整體硬質(zhì)合金立銑刀4保持IOcm的距離。(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應(yīng)力補(bǔ)償值402MI^作為目標(biāo)值，設(shè)定相應(yīng)的激光噴丸強(qiáng)化參數(shù)為能量10J、波長1064nm、光斑大小5mm、脈沖寬度10ns、功率密度 7X109GW/cm2、重復(fù)頻率 10Hz。(5)啟動高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心，沿葉輪葉片3弧形的表面先進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化，后進(jìn)行銑削加工，整體硬質(zhì)合金立銑刀4以側(cè)銑方式銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層；加工過程中采用水基切削液和順銑方式，以防止切屑飛濺影響強(qiáng)化效果；激光頭5與銑刀4的進(jìn)給速度相同，切削參數(shù)為切削速度50m/min、進(jìn)給速度350mm/ min、主軸轉(zhuǎn)速4200r/min、徑向切深0. 3mm。按本發(fā)明方法對GH4169鎳基高溫合金葉輪的長葉片1半精加工后，采用X-350A 型X射線衍射儀測得上述十等分點(diǎn)處的平均殘余應(yīng)力值從402MPa減少到71MPa，最大變形量從0. 032降低到0. 019，大幅減少了長葉片1半精加工后的殘余拉應(yīng)力與最大變形量。本發(fā)明采用脈沖激光束對待加工鎳基高溫合金葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，再采用銑刀對葉片表面進(jìn)行銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層，使激光噴丸強(qiáng)化處理工序產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力抵消銑加工時切削力-熱耦合作用引起的殘余拉應(yīng)力，從而有效地控制薄壁葉片在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的變形，并且減少微裂紋的產(chǎn)生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明適用于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜葉輪葉片的祛除應(yīng)力機(jī)械切削加工。
權(quán)利要求
1.一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于在熱處理工序之后和常規(guī)半精加工工序之前，采用脈沖激光束對葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，隨后對葉輪葉片表面進(jìn)行銑削加工，去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述方法包括如下步驟(1)在待加工的整體葉輪葉片的圓弧上取十等分點(diǎn)，逐點(diǎn)測定殘余應(yīng)力大小，取其平均值作為后續(xù)激光強(qiáng)化的殘余應(yīng)力補(bǔ)償值；(2)將待加工的整體葉輪裝夾在數(shù)控加工中心的工作臺上，在待加工的葉輪葉片表面噴涂黑漆，作為激光噴丸強(qiáng)化的吸收層；(3)將銑刀裝夾在數(shù)控加工中心的主軸上，將激光頭安裝在數(shù)控加工中心上并使之與所述整體葉輪葉片無干涉，該激光頭照射形成的光斑落在葉輪葉片表面上且與銑刀保持一距離；(4)開啟激光器，將步驟(1)所得殘余應(yīng)力補(bǔ)償值作為目標(biāo)值，設(shè)定相應(yīng)的激光的脈沖寬度、功率密度和光斑大??；(5)啟動數(shù)控加工中心，沿葉輪葉片的表面先后進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化和銑削加工，銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(3)中，激光頭的光軸與數(shù)控加工中心的主軸形成60°角度，激光頭的光斑與銑刀的距離為5-lOcm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟⑷中，脈沖寬度為10ns、功率密度為7X109GW/cm2，光斑大小為5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(5)中，激光頭與銑刀的進(jìn)給速度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(3)中，銑刀為整體硬質(zhì)合金立銑刀。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述步驟(5)中，銑削為順銑方式并采用水基切削液。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述數(shù)控加工中心為高精度五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其特征在于所述整體葉輪葉片的材質(zhì)為鎳基高溫合金，厚度為0. 5-2. 5cm,曲面光滑，無應(yīng)力集中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光輔助祛除殘余應(yīng)力的整體葉輪葉片的半精加工方法，其在熱處理工序之后和常規(guī)半精加工工序之前，采用脈沖激光束對待加工整體葉輪葉片表面進(jìn)行激光噴丸強(qiáng)化處理，再銑削去除激光噴丸強(qiáng)化處理所引起的表面變形層，使先后兩工序分別產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力相互抵消，從而有效地控制葉片在應(yīng)力釋放后產(chǎn)生的變形，并且減少微裂紋的產(chǎn)生，使加工后的整體葉輪葉片具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。本發(fā)明適用于各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜葉輪葉片的祛除應(yīng)力機(jī)械切削加工。
文檔編號C21D7/06GK102528404SQ201210037309
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)明者安慶龍, 李軍利, 牛秋林, 王呈棟, 陳明 申請人:上海交通大學(xué)