整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化激光頭，屬于航空發(fā)動機整體葉盤激光沖擊強化處理領域，該激光頭包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺、擺臂、激光頭末端、大聚焦鏡、小聚焦鏡、小反射鏡及小反射鏡鏡座；擺臂的一端固定安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺上；擺臂的另一端與激光頭末端相連接，小反射鏡鏡座固定在激光頭末端的端部，小反射鏡鑲嵌在小反射鏡鏡座的槽中，小聚焦鏡固定在激光頭末端的出光口處。當有光束直徑＜27mm、波長為1064nm、發(fā)散角＜3mrad的激光束進入激光頭在葉片表面形成圓形光斑，從而實現(xiàn)對整體葉盤遮蔽部位激光沖擊沖擊強化。本發(fā)明使發(fā)動機整體葉盤上難以加工和不能加工的部位變得能夠加工，保證了激光沖擊強化質(zhì)量的均勻性和穩(wěn)定性。
【專利說明】整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于航空發(fā)動機整體葉盤葉片強化處理領域，具體地說是一種用于航空發(fā)動機的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭。
【背景技術】
[0002]整體葉盤把葉片和輪盤設計為一個零件，代替通常葉片榫齒與輪盤榫槽再加鎖片的連接結構，提高了發(fā)動機的氣動效率、推重比及可靠性。單個葉片的傳統(tǒng)強化技術是噴丸強化，噴丸強化對表面不規(guī)則部件實施困難，容易引起薄壁件的變形，對表面粗糙度和尺寸可能產(chǎn)生影響。激光沖擊強化可以克服噴丸強化的不足，尤其適用于結構形狀復雜的整體葉盤。
[0003]激光沖擊強化技術是利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。由于它與現(xiàn)有的冷擠壓、噴丸等金屬材料表面強化手段相比，具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點，自產(chǎn)生之日起就得到了廣泛的關注和研究。
[0004]但是，隨著航空發(fā)動機性能要求的不斷提高，對航空發(fā)動機整體葉盤的結構要求也更為苛刻，為了進一步提高效率和推重比，葉片扭曲越來越大、葉片越來越密集，以直徑約Im的三級葉盤為例，葉片數(shù)目達到了 40多個，從而使得激光束無法進入葉片間的狹小空間，使得遮蔽部位無法進行激光沖擊強化，針對目前整體葉盤激光沖擊強化存在的問題，本發(fā)明開發(fā)的航空發(fā)動機整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭,解決了航空發(fā)動機整體葉盤遮蔽部位無法加工的問題，可以大幅度提高航空發(fā)動機整體葉盤的激光沖擊強化效率和航空發(fā)動機整體葉盤的抗疲勞性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種整體葉盤激光沖擊強化用激光頭。該航空發(fā)動機整體葉盤激光沖擊強化用激光頭能夠有效地將激光束引入航空發(fā)動機整體葉盤的遮蔽部位，解決航空發(fā)動機整體葉盤遮蔽部位無法加工的問題，提高航空發(fā)動機葉盤的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能指標。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0007]一種整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，該激光頭包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺、擺臂、激光頭末端、大聚焦鏡、小聚焦鏡、小反射鏡及小反射鏡鏡座；其中:數(shù)控轉(zhuǎn)臺和大聚焦鏡分別通過螺釘和鏡架安裝在光學平臺上，擺臂的一端固定安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺上；擺臂的另一端與激光頭末端相連接，小反射鏡鏡座固定在激光頭末端的端部，小反射鏡鑲嵌在小反射鏡鏡座的槽中，激光頭末端的端部側(cè)面上設置出光口，小聚焦鏡固定在激光頭末端的出光口處；小反射鏡鏡座與出光口設置的位置使得照射到小反射鏡上的入射光與通過小反射鏡反射出的反射光之間夾角為30-34°。
[0008]所述擺臂由連接板、連接管和導光管組成；其中:連接板與數(shù)控轉(zhuǎn)臺之間通過螺釘固定；連接板與連接管之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定；導光管與連接管之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定。
[0009]所述連接板與數(shù)控轉(zhuǎn)臺固定前在其之間墊一層膠墊保證擺臂水平；所述導光管與連接管連接前，在連接管內(nèi)轉(zhuǎn)動導光管，用于調(diào)整激光頭末端的出光口處輸出激光的方向，然后再擰緊螺釘進行固定。
[0010]所述擺臂的導光管與激光頭末端之間通過軸肩定位，并由鎖定螺釘A緊固。
[0011]在數(shù)控轉(zhuǎn)臺上通過螺釘安裝有配重塊，用于平衡擺臂的重量，擺臂、激光頭末端和小反射鏡鏡座均采用鋁合金材料，配重塊采用不銹鋼材料。
[0012]所述小反射鏡鏡座通過M3的平頭螺釘固定在激光頭末端的端部；其中:小反射鏡鏡座采用沉頭孔結構設計；擰緊平頭螺釘之前，在螺釘螺紋處、小反射鏡鏡座與激光頭末端的端部的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊螺釘后，放入紫外固化箱中固化30s，對結合面進行密封。
[0013]所述小反射鏡鍍高反射膜，反射膜R > 99.8il064nm,反射膜損傷閾值為脈沖25J/cm2、10ns、2Hz ;入射角為α=16±2°，波長532nm及1064nm激光在其上的16±2°角反射率達到99.5%以上。
[0014]所述小聚焦鏡通過鎖定螺釘B固定在激光頭的末端的出光口處，采用軸肩定位的方式進行定位；其中:擰緊鎖定螺釘B之前，在鎖定螺釘B螺紋處、小聚焦鏡邊緣與激光頭末端出光口處的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊鎖定螺釘B后，放入紫外固化箱中固化30s,對結合面 進行密封。
[0015]所述小聚焦鏡的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2Hz，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率達到99.5%以上。
[0016]用于將大聚焦鏡固定在光學平臺上的鏡架其裝調(diào)機構均采用4維調(diào)整機構，大聚焦鏡的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2HZ，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率達到99.5%以上。
[0017]上述激光頭在使用時，首先通過自動控制或手動控制的方式使數(shù)控轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)工作，將擺臂和激光頭末端進入工作位，即讓激光頭進入工作位置。當有光束直徑< 27_、波長為1064nm、發(fā)散角< 3mrad的激光束垂直入射到直徑為50mm、焦距為1300mm的大聚焦鏡上時，大聚焦鏡將光束聚焦到大小為IOmmX9mmX2mm的小反射鏡上,通過小反射鏡的反射，將激光束進入直徑為10mm、焦距為IOmm的小聚焦鏡中，通過小聚焦鏡將光束聚焦在葉片表面，葉片距鏡片外表面為2mm，在葉片表面形成直徑大小約為3mm、平頂分布的圓形光斑。從而實現(xiàn)對整體葉盤遮蔽部位的激光沖擊強化。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為:
[0019]1.本發(fā)明能夠?qū)娇瞻l(fā)動機整體葉盤遮蔽部位進行激光沖擊強化，解決了航空發(fā)動機整體葉盤遮蔽部位不能被加工的難題。
[0020]2.本發(fā)明結構小巧，安全可靠，加工位置調(diào)整方便。
[0021]3.本發(fā)明輸出的激光束均勻，保證了加工質(zhì)量的均勻可靠。
[0022]4.本發(fā)明使用方便、加工效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】[0023]圖1為本發(fā)明的安裝激光頭的光路系統(tǒng)；
[0024]圖2為本發(fā)明的安裝于設備中的激光頭；
[0025]圖3為本發(fā)明的光路示意圖；
[0026]圖4為激光頭末端結構；
[0027]圖5為小反射鏡鏡座。
[0028]其中:1為激光器，2為光學平臺，3為導光管，4為大聚焦鏡，5為數(shù)控轉(zhuǎn)臺，6為擺臂，7為激光頭末端,8為導光管,9為連接管，10為連接板,11為配重塊,12為小聚焦鏡，13為鎖定螺釘B，14為小反射鏡，15為平頭螺釘，16為鎖定螺釘A，17為小反射鏡鏡座，18為出光口。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。
[0030]本發(fā)明整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭結構如圖1-5所示，該激光頭包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺5、擺臂6、激光頭末端7、大聚焦鏡4、小聚焦鏡12、小反射鏡14及小反射鏡鏡座17 ;其中:數(shù)控轉(zhuǎn)臺5和大聚焦鏡4分別通過螺釘和鏡架安裝在光學平臺2上，擺臂6的一端固定安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺5上，通過手動或自動的方式可以使擺臂6進入工作位和離開工作位；擺臂6的另一端與 激光頭末端7相連接,小反射鏡鏡座17固定在激光頭末端7的端部，小反射鏡14鑲嵌在小反射鏡鏡座17的槽中，激光頭末端7的端部側(cè)面上設置出光口 18，小聚焦鏡12固定在激光頭末端7的出光口 18處；小反射鏡鏡座17與出光口 18設置的位置使得照射到小反射鏡14上的入射光與通過小反射鏡14反射出的反射光之間夾角為30-34°。
[0031]所述擺臂6由連接板10、連接管9和導光管8組成；其中:連接板10與數(shù)控轉(zhuǎn)臺5之間通過螺釘固定，連接板10與數(shù)控轉(zhuǎn)臺5之間通過墊一層膠墊保證擺臂水平；連接板10與連接管9之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定；導光管8與連接管9之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定；導光管8與連接管9連接前，可事先在連接管9內(nèi)轉(zhuǎn)動導光管8，調(diào)整激光頭末端7輸出激光的方向，本發(fā)明中是通過轉(zhuǎn)動導光管8用來保證出光口處激光水平方向輸出，然后再擰緊螺釘進行固定防止轉(zhuǎn)動。
[0032]所述擺臂6的導光管8與激光頭末端7之間通過軸肩定位，并由鎖定螺釘A16緊固。
[0033]在數(shù)控轉(zhuǎn)臺5上通過螺釘安裝有配重塊11，用于平衡擺臂6的重量，保證數(shù)控轉(zhuǎn)臺5正常工作，同時為了減輕擺臂6的重量，擺臂6、激光頭末端7和小反射鏡鏡座17均采用鋁合金材料，配重塊11采用不銹鋼材料，在保證重量的同時，防止在潮濕空氣中生銹。
[0034]所述小反射鏡鏡座17通過M3的平頭螺釘15固定在激光頭末端7的尾部；其中:小反射鏡鏡座17采用沉頭孔結構設計；擰緊平頭螺釘15之前，在平頭螺釘15螺紋處、小反射鏡鏡座17與激光頭末端7的尾部的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊螺釘后，放入紫外固化箱中固化30s，對結合面進行密封，防止激光沖擊強化加工過程中，有水進入激光頭內(nèi)部損壞鏡片。
[0035]大小為IOmmX 9mmX 2mm的小反射鏡14鑲嵌在小反射鏡鏡座17上大小為IOmmX 9mmX 2mm的槽中。其中，小反射鏡:鍍高反射膜，反射膜R > 99.8@1064nm，損傷閾值為脈沖25J/cm2、10ns、2HZ ;入射角為α =16±2°，波長532nm及1064nm激光在其上的反射率均可達到99.5%以上。
[0036]小聚焦鏡12通過鎖定螺釘B13固定在激光頭的末端7的出光口 18處，采用軸肩定位的方式進行定位；其中:擰緊鎖定螺釘B13之前，在鎖定螺釘B13螺紋處、小聚焦鏡12邊緣與激光頭末端7出光口 18處的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊鎖定螺釘B13后，放入紫外固化箱中固化30s，對結合面進行密封，防止激光沖擊強化加工過程中，有水進入激光頭內(nèi)部損壞鏡片；小聚焦鏡12的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2HZ，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率均可達到99.5%以上。
[0037]大聚焦鏡4通過鏡架固定在光學平臺2上。其中:用于將大聚焦鏡4固定在光學平臺2上的鏡架其裝調(diào)機構均采用4維調(diào)整機構，具有鎖緊功能，可以實現(xiàn)兩個方向的水平移動及兩個方向的轉(zhuǎn)動，從而能夠調(diào)整激光束正好垂直從大聚焦鏡的中心穿過；大聚焦鏡4的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2HZ，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率均可達到99.5%以上。
[0038]小聚焦鏡12的直徑為10mm，焦距為10mm，厚度為7mm。
[0039]大聚焦鏡4的直徑為50mm，焦距為1300mm，厚度為4mm。
[0040]擺臂6安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺5上，通過自動控制或手動的方式控制數(shù)控轉(zhuǎn)臺在90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，激光頭可以切入工作位和離開工作位。[0041 ] 激光頭末端7端部的大小為23 X 21 X 19mm,保證其在葉片間運動自如，和葉片無碰撞。
[0042]當有光束直徑< 27mm、波長為1064nm、發(fā)散角< 3mrad、脈寬8_25ns、頻率0_5Hz的激光束進入激光頭，在距激光頭出光孔2mm處形成直徑大小約為3mm、平頂分布的圓形光斑。
[0043]上述激光頭在使用時，首先通過自動控制或手動控制的方式使數(shù)控轉(zhuǎn)臺5旋轉(zhuǎn)工作，將擺臂6和激光頭末端7進入工作位，即讓激光頭進入工作位置。當有光束直徑< 27_、波長為1064nm、發(fā)散角< 3mrad的激光束垂直入射到直徑為50mm、焦距為1300mm的大聚焦鏡上時，大聚焦鏡將光束聚焦到大小為IOmmX9mmX 2mm的小反射鏡上,通過小反射鏡的反射，將激光束進入直徑為10mm、焦距為IOmm的小聚焦鏡中，通過小聚焦鏡將光束聚焦在葉片表面，葉片距鏡片外表面為2mm，在葉片表面形成直徑大小約為3mm、平頂分布的圓形光斑，從而實現(xiàn)對整體葉盤遮蔽部位的激光沖擊沖擊強化。
【權利要求】
1.一種整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:該激光頭包括數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)、擺臂(6)、激光頭末端(7)、大聚焦鏡(4)、小聚焦鏡(12)、小反射鏡(14)及小反射鏡鏡座(17);其中:數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)和大聚焦鏡(4)分別通過螺釘和鏡架安裝在光學平臺(2)上，擺臂(6)的一端固定安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)上；擺臂(6)的另一端與激光頭末端(7)相連接，小反射鏡鏡座(17)固定在激光頭末端(7)的端部，小反射鏡(14)鑲嵌在小反射鏡鏡座(17)的槽中，激光頭末端(7)的端部側(cè)面上設置出光口(18)，小聚焦鏡(12)固定在激光頭末端(7)的出光口(18)處；小反射鏡鏡座(17)與出光口(18)設置的位置使得照射到小反射鏡(14)上的入射光與通過小反射鏡(14)反射出的反射光之間夾角為30-34°。
2.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述擺臂(6)由連接板(10)、連接管(9)和導光管(8)組成；其中:連接板(10)與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)之間通過螺釘固定；連接板(10)與連接管(9)之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定；導光管(8 )與連接管(9 )之間通過軸肩定位，并由鎖緊螺釘固定。
3.按權利要求2所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述連接板(10)與數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)固定前在其之間墊一層膠墊保證擺臂水平；所述導光管(8)與連接管(9 )連接前，在連接管(9 )內(nèi)轉(zhuǎn)動導光管(8 )，用于調(diào)整激光頭末端(7 )的出光口( 18 )處輸出激光的方向，然后再擰緊螺釘進行固定。
4.按權利要求2所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述擺臂(6)的導光管(8)與激光頭末端(7)之間通過軸肩定位，并由鎖定螺釘A (16)緊固。
5.按權利要求1或2所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(5)上通過螺釘安裝有配重塊(11)，用于平衡擺臂(6)的重量，擺臂(6)、激光頭末端(7)和小反射鏡鏡座(17)均采用鋁合金材料，配重塊(11)采用不銹鋼材料。
6.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述小反射鏡鏡座(17)通過M3的平頭螺釘(15)固定在激光頭末端(7)的端部；其中:小反射鏡鏡座(17)采用沉頭孔結構設計；擰緊平頭螺釘(15)之前，在螺釘(15)螺紋處、小反射鏡鏡座(17)與激光頭末端(7)的端部的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊螺釘后，放入紫外固化箱中固化30s，對結合面進行密封。
7.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述小反射鏡(14)鍍高反射膜，R > 99.8il064nm ;損傷閾值為脈沖25J/cm2，10ns、2Hz，入射角為α=16±2°，波長532nm及1064nm激光在其上的16±2°角反射率達到99.5%以上。
8.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述小聚焦鏡(12)通過鎖定螺釘B (13)固定在激光頭的末端(7)的出光口(18)處，采用軸肩定位的方式進行定位；其中:擰緊鎖定螺釘B (13)之前，在鎖定螺釘B (13)螺紋處、小聚焦鏡(12)邊緣與激光頭末端(7)出光口( 18)處的結合面處涂一層紫外固化膠，擰緊鎖定螺釘B (13)后，放入紫外固化箱中固化30s，對結合面進行密封。
9.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:所述小聚焦鏡(12)的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2Hz，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率達到99.5%以上。
10.按權利要求1所述的整體葉盤遮蔽部位激光沖擊強化用激光頭，其特征在于:用于將大聚焦鏡(4)固定 在光學平臺(2)上的鏡架其裝調(diào)機構均采用4維調(diào)整機構，大聚焦鏡(4)的鏡片損傷閾值:脈沖25J/cm2、10ns、2HZ，波長532nm及1064nm激光在其上的透射率達到99.5%以上。
【文檔編號】C21D1/09GK103898281SQ201210568009
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月24日 優(yōu)先權日:2012年12月24日
【發(fā)明者】喬紅超, 劉偉軍, 趙吉賓, 于彥鳳 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所