一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法和裝置與流程
2023-06-03 02:43:37 3
本發明涉及機械製造領域，具體涉及一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法和裝置。
背景技術：
航空發動機是一種高度複雜和精密的熱力機械，被譽為「工業之花」。葉片是航空發動機「肚子」裡的主要「心臟」，也是涉及航空發動機安全性能的關鍵動部件，航空發動機葉片屬於典型的高精度、變截面薄壁類零件，其數量多，加工難度大，精度要求高。葉片表面質量經過近成形及精確成形加工後，其表面質量尚無法滿足其技術要求，其中葉片表面粗糙度的增加會削弱葉片的機械性能，並且粗糙度越大其性能損失越嚴重，從而導致航空發動機的安全性、可靠性和疲勞強度大大降低，因此，必須控制葉片表面粗糙度，對葉片表面進行雷射噴丸處理，來降低其表面粗糙度，提高其表面形狀精度，從而葉片疲勞強度及使用壽命。
雷射噴丸是一種新型的材料表面處理技術，利用強雷射束輻照工件表面，工件表面的保護層材料在吸收雷射能量後氣化、離化產生爆炸衝擊波，在水約束層的約束作用下，衝擊波向工件內部傳播，使工件表面產生微塑性變形，並且雷射噴丸處理後工件表面形成殘餘壓應力層，可以提高工件表面形狀精度和延長疲勞壽命。
平頂光束指的是雷射能量分布具有一均勻的平頂區域，在雷射加工領域具有廣泛的應用。由於雷射能量近似均勻分布，因而與高斯光束相比，使用平頂光束進行雷射噴丸更具優勢。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法和裝置，尤其適用於變截面薄壁複雜結構件的表面處理。
本發明所採用的技術方案：一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法，包括如下步驟：
步驟1：藉助表面粗糙度測量儀通過透射鏡對雷射噴丸處理前的變截面薄壁複雜葉片表面粗糙度進行測量得到處理前的測定值，並將所述處理前的測定值通過信息採集系統傳遞到計算機控制系統；
步驟2：計算機控制系統根據所述變截面薄壁複雜葉片所需的表面粗糙度精度要求，在計算機控制系統內置的雷射噴丸光束平頂變化度與粗糙度之間的對應關係的資料庫中，以線性插值的方式，確定需進行表面處理的雷射噴丸參數；
步驟3：計算機控制系統根據所述雷射噴丸參數控制葉片零件機器人控制系統進而控制葉片零件機器人的運動，並同時控制塗水機器人控制系統進而控制塗水機器人的運動，按所述計算機控制系統確定的所述雷射噴丸參數通過計算機控制系統控制雷射器電源開啟雷射噴丸設備對所述變截面薄壁複雜葉片表面需處理部位進行雷射噴丸處理；
步驟4：利用表面粗糙度測量儀對經雷射噴丸處理後的所述變截面薄壁複雜葉片表面的粗糙度進行測量得到處理後的測得值，將所述處理後的測得值通過信息採集系統傳遞到計算機控制系統，如果所述處理後的測得值未達到設計要求，則依次重複步驟2、步驟3，直至所述處理後的測得值達到設計要求。
優選的，所述雷射噴丸參數包括雷射噴丸光束平頂分布變化度和路徑。
優選的，所述雷射噴丸設備為高功率脈衝雷射器。
優選的，所述雷射噴丸光束為平頂光束，雷射光斑大小為3mm-8mm,雷射脈衝寬度為8ns-16ns，脈衝重複率1Hz-20Hz。
一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的裝置，包括計算機控制系統，雷射器電源，雷射噴丸設備，透射鏡，葉片零件機器人，葉片零件機器人控制系統，塗水機器人控制系統，塗水機器人，表面粗糙度測量儀，信息採集系統，所述計算機控制系統與所述雷射器電源連接，所述雷射器電源與所述雷射噴丸設備連接，所述雷射噴丸設備前方設置有透射鏡；所述計算機控制系統與信息採集系統連接，所述信息採集系統與所述表面粗糙度測量儀連接；所述計算機控制系統與所述塗水機器人控制系統連接，所述所述塗水機器人控制系統與塗水機器人連接，所述計算機控制系統還與所述葉片零件機器人控制系統連接，所述葉片零件機器人控制系統與葉片零件機器人連接。
優選的，所述雷射噴丸設備為高功率脈衝雷射器。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)本發明通過塗水機器人與葉片零件機器人的聯動定位、隨葉片曲面變化自動調整水流法向角、水流恆定、水壓力恆定，從而確保水流中心位置與雷射束衝擊位置之間距離的不變，保證了水約束層厚度的衝擊區域的一致性；(2)本發明通過葉片零件機器人的靈活運動和雷射噴丸強度的調整，可實現變截面複雜結構件表面粗糙度的控制；(3)本發明通過大數據挖掘的方式，由計算機內置的雷射噴丸光束平頂變化度與表面粗糙度之間的對應關係確定光束平頂變化度，可實現葉片表面粗糙度的精確預測與控制；(4)本發明對葉片表面進行雷射噴丸後表面形成了具有一定深度的高幅值殘餘壓應力，可顯著提高其抗疲勞壽命。
附圖說明
圖1為本發明一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的裝置的示意圖。
圖2為本發明平頂光束的能量分布示意圖；
圖3為本發明待雷射噴丸處理變截面薄壁複雜葉片示意圖；
圖4為本發明待雷射噴丸處理變截面薄壁複雜葉片的待衝擊區域截面示意圖；
圖5為本發明待雷射噴丸處理變截面薄壁複雜葉片的原始粗糙度示意圖；
具體實施方式
下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
實施例一
如圖1-5所示，一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法，包括如下步驟：
步驟1：藉助表面粗糙度測量儀(10)通過透射鏡(4)對雷射噴丸處理前的變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度進行測量得到處理前的測定值，並將所述處理前的測定值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)；
步驟2：計算機控制系統(1)根據所述變截面薄壁複雜葉片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在計算機控制系統(1)內置的雷射噴丸光束平頂變化度與粗糙度之間的對應關係的資料庫中，以線性插值的方式，確定需進行表面處理的雷射噴丸參數；
步驟3：計算機控制系統(1)根據所述雷射噴丸參數控制葉片零件機器人控制系統(7)進而控制葉片零件機器人(6)的運動，並同時控制塗水機器人控制系統(8)進而控制塗水機器人(9)的運動，按所述計算機控制系統(1)確定的所述雷射噴丸參數通過計算機控制系統(1)控制雷射器電源(2)開啟雷射噴丸設備(3)對所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面需處理部位進行雷射噴丸處理；
步驟4：利用表面粗糙度測量儀(10)對經雷射噴丸處理後的所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面的粗糙度進行測量得到處理後的測得值，將所述處理後的測得值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)，如果所述處理後的測得值未達到設計要求，則依次重複步驟2、步驟3，直至所述處理後的測得值達到設計要求。
在本發明的具體技術方案中，步驟1中，表面粗糙度測量儀(10)測量變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度，通過信息採集系統(11)傳遞給計算機控制系統(1)，由計算機控制系統(1)內置的資料庫系統，通過線性插值的方式，確定光束平頂分布變化度，進而改變雷射噴丸能量分布；
步驟3中，計算機控制系統(1)通過葉片零件機器人控制系統(7)，塗水機器人控制系統(8)，分別控制與其相連的葉片零件機器人(6)，塗水機器人(9)，進而保證水約束層及黑漆保護層在噴丸區域厚度的一致性；
步驟4中，具體為通過改變雷射束平頂分布變化度，逐步逼近，直至粗糙度達到設計要求。
所述雷射噴丸參數包括雷射噴丸光束平頂分布變化度和路徑。
所述雷射噴丸設備(3)為高功率脈衝雷射器。
所述雷射噴丸光束為平頂光束，雷射光斑大小為3mm,雷射脈衝寬度為8ns，脈衝重複率1Hz。
實施例二
如圖1-5所示，一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法，包括如下步驟：
步驟1：藉助表面粗糙度測量儀(10)通過透射鏡(4)對雷射噴丸處理前的變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度進行測量得到處理前的測定值，並將所述處理前的測定值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)；
步驟2：計算機控制系統(1)根據所述變截面薄壁複雜葉片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在計算機控制系統(1)內置的雷射噴丸光束平頂變化度與粗糙度之間的對應關係的資料庫中，以線性插值的方式，確定需進行表面處理的雷射噴丸參數；
步驟3：計算機控制系統(1)根據所述雷射噴丸參數控制葉片零件機器人控制系統(7)進而控制葉片零件機器人(6)的運動，並同時控制塗水機器人控制系統(8)進而控制塗水機器人(9)的運動，按所述計算機控制系統(1)確定的所述雷射噴丸參數通過計算機控制系統(1)控制雷射器電源(2)開啟雷射噴丸設備(3)對所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面需處理部位進行雷射噴丸處理；
步驟4：利用表面粗糙度測量儀(10)對經雷射噴丸處理後的所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面的粗糙度進行測量得到處理後的測得值，將所述處理後的測得值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)，如果所述處理後的測得值未達到設計要求，則依次重複步驟2、步驟3，直至所述處理後的測得值達到設計要求。
在本發明的具體技術方案中，步驟1中，表面粗糙度測量儀(10)測量變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度，通過信息採集系統(11)傳遞給計算機控制系統(1)，由計算機控制系統(1)內置的資料庫系統，通過線性插值的方式，確定光束平頂分布變化度，進而改變雷射噴丸能量分布；
步驟3中，計算機控制系統(1)通過葉片零件機器人控制系統(7)，塗水機器人控制系統(8)，分別控制與其相連的葉片零件機器人(6)，塗水機器人(9)，進而保證水約束層及黑漆保護層在噴丸區域厚度的一致性；
步驟4中，具體為通過改變雷射束平頂分布變化度，逐步逼近，直至粗糙度達到設計要求。
所述雷射噴丸參數包括雷射噴丸光束平頂分布變化度和路徑。
所述雷射噴丸設備(3)為高功率脈衝雷射器。
所述雷射噴丸光束為平頂光束，雷射光斑大小為8mm,雷射脈衝寬度為16ns，脈衝重複率10Hz。
實施例三
如圖1-5所示，一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的方法，包括如下步驟：
步驟1：藉助表面粗糙度測量儀(10)通過透射鏡(4)對雷射噴丸處理前的變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度進行測量得到處理前的測定值，並將所述處理前的測定值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)；
步驟2：計算機控制系統(1)根據所述變截面薄壁複雜葉片(5)所需的表面粗糙度精度要求，在計算機控制系統(1)內置的雷射噴丸光束平頂變化度與粗糙度之間的對應關係的資料庫中，以線性插值的方式，確定需進行表面處理的雷射噴丸參數；
步驟3：計算機控制系統(1)根據所述雷射噴丸參數控制葉片零件機器人控制系統(7)進而控制葉片零件機器人(6)的運動，並同時控制塗水機器人控制系統(8)進而控制塗水機器人(9)的運動，按所述計算機控制系統(1)確定的所述雷射噴丸參數通過計算機控制系統(1)控制雷射器電源(2)開啟雷射噴丸設備(3)對所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面需處理部位進行雷射噴丸處理；
步驟4：利用表面粗糙度測量儀(10)對經雷射噴丸處理後的所述變截面薄壁複雜葉片(5)表面的粗糙度進行測量得到處理後的測得值，將所述處理後的測得值通過信息採集系統(11)傳遞到計算機控制系統(1)，如果所述處理後的測得值未達到設計要求，則依次重複步驟2、步驟3，直至所述處理後的測得值達到設計要求。
在本發明的具體技術方案中，步驟1中，表面粗糙度測量儀(10)測量變截面薄壁複雜葉片(5)表面粗糙度，通過信息採集系統(11)傳遞給計算機控制系統(1)，由計算機控制系統(1)內置的資料庫系統，通過線性插值的方式，確定光束平頂分布變化度，進而改變雷射噴丸能量分布；
步驟3中，計算機控制系統(1)通過葉片零件機器人控制系統(7)，塗水機器人控制系統(8)，分別控制與其相連的葉片零件機器人(6)，塗水機器人(9)，進而保證水約束層及黑漆保護層在噴丸區域厚度的一致性；
步驟4中，具體為通過改變雷射束平頂分布變化度，逐步逼近，直至粗糙度達到設計要求。
所述雷射噴丸參數包括雷射噴丸光束平頂分布變化度和路徑。
所述雷射噴丸設備(3)為高功率脈衝雷射器。
所述雷射噴丸光束為平頂光束，雷射光斑大小為5mm,雷射脈衝寬度為12ns，脈衝重複率20Hz。
實施例四
如圖1所示，一種控制雷射噴丸參數監控葉片表面粗糙度的裝置，包括計算機控制系統(1)，雷射器電源(2)，雷射噴丸設備(3)，透射鏡(4)，葉片零件機器人(6)，葉片零件機器人(6)控制系統(7)，塗水機器人控制系統(8)，塗水機器人(9)，表面粗糙度測量儀(10)，信息採集系統(11)，所述計算機控制系統(1)與所述雷射器電源(2)連接，所述雷射器電源(2)與所述雷射噴丸設備(3)連接，所述雷射噴丸設備(3)前方設置有透射鏡(4)；所述計算機控制系統(1)與信息採集系統(11)連接，所述信息採集系統(11)與所述表面粗糙度測量儀(10)連接；所述計算機控制系統(1)與所述塗水機器人控制系統(8)連接，所述所述塗水機器人控制系統(8)與塗水機器人連接，所述計算機控制系統(1)還與所述葉片零件機器人(6)控制系統(7)連接，所述葉片零件機器人(6)控制系統(7)與葉片零件機器人(6)連接。
優選的，所述雷射噴丸設備(3)為高功率脈衝雷射器。
對於本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。