一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法

摘要

本发明公开了一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，包括稳定约束层的辅助支撑和轴向固定夹具，稳定约束层的辅助支撑是通过叶片外形进行等量外扩偏置获得，具有良好的贴合性，通过扩展叶片边界尺寸可获得厚度稳定的约束层，轴向定位夹具配备分度盘，可依据叶盘上叶片数量进行等角度旋转，通过编制单个叶片程序配合夹具的定角度旋转，可大幅降低程序复杂度并提升叶片加工的可靠性。

权利要求

1.一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将整个叶盘安装在轴向定位夹具上并进行装夹固定；

步骤S2：获取叶片上每个叶片的形状尺寸：叶盘上的每个叶片的叶形可由设计图纸或逆向工程获得，再通过获得的尺寸数据设计用于辅助叶片加工的辅助支撑；

所述步骤S2还包括：在三维建模软件中建立叶片外形模型，使用等量外扩偏置功能，即可得到整个辅助支撑的外形及尺寸数据；

所述步骤S2还包括：通过布尔运算减去叶片外形，即可得到除叶片根部以外的三个方向增量的辅助支撑；

步骤S3：将辅助支撑安装在叶片上，用黑胶带将叶片和辅助支撑进行连接固定；

步骤S4：在叶片的加工边缘设置一厚度稳定的约束层；

步骤S5：激光喷丸的射出端对叶片边缘进行加工。

2.根据权利要求1所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述轴向定位夹具包括底板、基座、分度盘、大锥面定位块、以及小锥面定位块；所述底板通过螺栓安装在机器人手臂的末端处；所述分度盘通过基座固定安装在底板上，其输出端与大锥面定位块固定连接；叶盘设置在大锥面定位块上，其一侧与大锥面定位块连接固定，另一侧通过小锥面定位块连接固定。

3.根据权利要求2所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述轴向定位夹具还包括便于标记当前加工叶片的指针；所述指针安装在底板上，当加工完一片叶片后拨动一个单位的角度。

4.根据权利要求1所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述辅助支撑內缘与叶片之间的间距设为1至4毫米。

5.根据权利要求1所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述步骤S4中厚度稳定的约束层通过水射流中心向外辐射的近似椭圆的稳定厚度区域构成。

6.根据权利要求1所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：单个叶片进行激光喷丸处理时，采用辅助支撑保证叶盘的进/排气边的加工质量，通过多次工艺试验确定最优加工参数后，即可确定程序参数并进行参数固定。

7.根据权利要求1所述的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：每次只加工一个叶片，待单个叶片加工完成后，轴向定位夹具带动叶盘整体旋转 角度，并拨动指针标记正在加工的叶片，再次运行单个叶片加工程序。

说明书

一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空制造技术领域，尤其涉及一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法。

背景技术

[0002] 整体叶盘(Integral Bladed Rotator)为了满足高性能航空发动机而设计的新型结构件，其将发动机转子叶片和轮盘形成一体，省去了传统连接中的榫头、榫槽及锁紧装置
等，减少结构重量及零件数量，避免榫头气流损失，提高气动效率，使发动机结构大为简化，
现已在各国军用和民用航空发动机上得到广泛应用。

[0003] 发动机在使用过程中，转子叶片常遇到外物打伤或因振动出现裂纹，因此结构抗疲劳和高可靠性是整体叶盘制造的难点。激光喷丸是目前解决抗外来物损伤和高周疲劳的
表面强化技术。主要利用牺牲层(黑胶带/铝箔)和约束层(水流)与高能脉冲激光相互作用
产生的定向高压高速冲击波强化材料，引导微观组织转变，引入残余压应力，由此提高材料
的抗损伤容限和疲劳寿命。

[0004] 然而，整体叶盘进行激光喷丸时有两个技术难点：其一是边界加工的稳定性和可靠性，叶片进/排气边是结构关键承力区域，由于空气动力学设计要求，进/排气边厚度薄刚
性弱，水流在边界区域受重力和几何突变(无依附无支撑)的影响，难以形成稳定厚度的约
束层，导致激光喷丸的条件不稳定可靠，加工质量参差不齐。

[0005] 其二是加工程序的复杂性，整体叶盘圆周通常均布24～36个叶片，每个叶片的角度不同，叶片的进/排气边均需要处理，至少涉及24～36个工位，加工程序的复杂度和可控
性不良，工艺可靠性难以保证，难以满足航空关键结构件高可靠性要求。

[0006] 因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法。

[0008] 本发明的目的通过下述技术方案实现：

[0009] 一种整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法，该方法主要包括如下具体步骤：

[0010] 步骤S1：将整个叶盘安装在轴向定位夹具上并进行装夹固定；

[0011] 步骤S2：获取叶片上每个叶片的形状尺寸：叶盘上的每个叶片的叶形可由设计图纸或逆向工程获得，再通过获得的尺寸数据设计用于辅助叶片加工的辅助支撑；

[0012] 作为本发明的优选方案，所述步骤S2还包括：在三维建模软件中建立叶片外形模型，使用等量外扩偏置功能，即可得到整个辅助支撑的外形及尺寸数据。

[0013] 作为本发明的优选方案，所述步骤S2还包括：通过布尔运算减去叶片外形，即可得到除叶片根部以外的三个方向增量的辅助支撑。

[0014] 作为本发明的优选方案，所述辅助支撑內缘与叶片之间的间距设为1至 4毫米。优选的，辅助支撑和叶片之间的间隙设为1～2mm，依据叶片数量和空间余量决定。

[0015] 步骤S3：将辅助支撑安装在叶片上，用黑胶带将叶片和辅助支撑进行连接固定；

[0016] 步骤S4：在叶片的加工边缘设置一厚度稳定的约束层；

[0017] 作为本发明的优选方案，所述步骤S4中厚度稳定的约束层通过水射流中心向外辐射的近似椭圆的稳定厚度区域构成。

[0018] 步骤S5：激光喷丸的射出端对叶片边缘进行加工。

[0019] 作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：单个叶片进行激光喷丸处理时，采用辅助支撑保证叶盘的进/排气边的加工质量，通过多次工艺试验确定最优加工参数后，即可
确定程序参数并进行参数固定。

[0020] 作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：每次只加工一个叶片，待单个叶片加工完成后，轴向定位夹具带动叶盘整体旋转 角度，并拨动指针标记正在加工的叶
片，再次运行单个叶片加工程序。

[0021] 作为本发明的优选方案，生产加工时重复程序，并固定旋转叶盘角度10°，可大幅降低程序复杂度并提升叶片加工的可靠性。更重要的是整体叶盘的叶片均采用同一条件和
参数加工，质量稳定性得到了保证，而且加工过程中操作员不易出错，是面向工程生产的最
简单有效方法。

[0022] 具体的，所述轴向定位夹具包括底板、基座、分度盘、大锥面定位块、以及小锥面定位块。所述底板通过螺栓安装在机器人手臂的末端处。所述分度盘通过基座固定安装在底
板上，其输出端与大锥面定位块固定连接。叶盘设置在大锥面定位块上，其一侧与大锥面定
位块连接固定，另一侧通过小锥面定位块连接固定。

[0023] 作为本发明的优选方案，所述轴向定位夹具还包括便于标记当前加工叶片的指针。所述指针安装在底板上，当加工完一片叶片后拨动一个单位的角度。

[0024] 与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

[0025] (1)本发明所提供的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法通过编制单个叶片程序配合夹具的定角度旋转，加工时重复程序和旋转叶盘角度，可大幅降低程序复杂
度并提升叶片加工的可靠性。

[0026] (2)本发明所提供的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法采用叶片的外形尺寸进行等量外偏置获得辅助支撑的形状尺寸数据，从而使辅助支撑安装在叶片上时具
有良好的贴合性。

[0027] (3)本发明所提供的整体叶盘稳定约束层的定轴旋转激光喷丸方法采用定制化辅助支撑，均匀的扩展了叶片进/排气边的处理面积，为约束层的水流形成稳定的层流提供了
物理支撑，从而保证加工时边界条件的稳定性和均匀性。

附图说明

[0028] 图1是本发明所提供的辅助支撑、叶片、黑胶带、约束层之间的配合示意图。

[0029] 图2是本发明所提供的轴向定位夹具与叶盘之间的装夹结构示意图。

[0030] 图3是本发明所提供的采用辅助支撑后获得的稳定约束层边界示意图。

[0031] 图4是本发明所提供的未采用辅助支撑获得的非稳定约束层边界示意图。

[0032] 上述附图中的标号说明：

[0033] 1‑辅助支撑，2‑叶片，3‑黑胶带，4‑约束层，5‑涂水喷管，6‑稳定约束层边界(使用辅助支撑后获得的)，7‑非稳定边界(未使用辅助支撑时的边界)， 8‑底板，9‑指针，10‑基座
固定孔，11‑基座和分度盘，12‑大锥面定位块，13‑ 叶盘，14‑小锥面定位块。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

[0035] 实施例1：

[0036] 如图1至图4所示，本实施例公开了一种整体叶盘稳定约束层4的定轴旋转激光喷丸方法，该方法主要包括如下具体步骤：

[0037] 步骤S1：将整个叶盘13安装在轴向定位夹具上并进行装夹固定；

[0038] 步骤S2：获取叶片2上每个叶片2的形状尺寸：叶盘13上的每个叶片2 的叶形可由设计图纸或逆向工程获得，再通过获得的尺寸数据设计用于辅助叶片2加工的辅助支撑1；

[0039] 作为本发明的优选方案，所述步骤S2还包括：在三维建模软件中建立叶片2外形模型，使用等量外扩偏置功能，即可得到整个辅助支撑1的外形及尺寸数据。

[0040] 作为本发明的优选方案，所述步骤S2还包括：通过布尔运算减去叶片2 外形，即可得到除叶片2根部以外的三个方向增量的辅助支撑1。

[0041] 作为本发明的优选方案，所述辅助支撑1內缘与叶片2之间的间距设为 1至4毫米。优选的，辅助支撑1和叶片2之间的间隙设为1～2mm，依据叶片 2数量和空间余量决定。

[0042] 步骤S3：将辅助支撑1安装在叶片2上，用黑胶带3将叶片2和辅助支撑1进行连接固定；

[0043] 步骤S4：在叶片2的加工边缘设置一厚度稳定的约束层4；

[0044] 作为本发明的优选方案，所述步骤S4中厚度稳定的约束层4通过水射流中心向外辐射的近似椭圆的稳定厚度区域构成。

[0045] 步骤S5：激光喷丸的射出端对叶片2边缘进行加工。

[0046] 作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：单个叶片2进行激光喷丸处理时，采用辅助支撑1保证叶盘13的进/排气边的加工质量，通过多次工艺试验确定最优加工参数
后，即可确定程序参数并进行参数固定。

[0047] 作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：每次只加工一个叶片2，待单个叶片2加工完成后，轴向定位夹具带动叶盘13整体旋转角度，并拨动指针9标记正在加工的叶片2，
再次运行单个叶片2加工程序。

[0048] 作为本发明的优选方案，生产加工时重复程序，并固定旋转叶盘13角度 10°，可大幅降低程序复杂度并提升叶片2加工的可靠性。更重要的是整体叶盘13的叶片2均采用同一
条件和参数加工，质量稳定性得到了保证，而且加工过程中操作员不易出错，是面向工程生
产的最简单有效方法。

[0049] 具体的，所述轴向定位夹具包括底板8、基座和分度盘11、大锥面定位块12、以及小锥面定位块14。所述底板8通过螺栓安装在机器人手臂的末端处。所述分度盘通过基座固定
安装在底板8上，其输出端与大锥面定位块12 固定连接。所述基座通过基座固定孔10和螺
栓安装在底盘8上。叶盘13设置在大锥面定位块12上，其一侧与大锥面定位块12连接固定，
另一侧通过小锥面定位块14连接固定。

[0050] 作为本发明的优选方案，所述轴向定位夹具还包括便于标记当前加工叶片2的指针9。所述指针9安装在底板8上，当加工完一片叶片2后拨动一个单位的角度。

[0051] 实施例2：

[0052] 本实施例公开了一种整体叶盘稳定约束层4的定轴旋转激光喷丸方法，包括稳定约束层4的辅助支撑1和轴向固定夹具。

[0053] 如图1，叶盘13上的每个叶片2的叶形可由设计图纸，或逆向工程获得，在任意的三维建模软件中建立叶片2外形模型，使用等量外扩偏置功能，即可得到辅助支撑1的外形，通
过布尔运算减去叶片2外形，即可得到三个方向增量的辅助支撑1，叶片2根部考虑装夹配合
不需要进行偏置，辅助支撑1 和叶片2的间距一般设为1～4mm，具体由整体叶盘13外形尺寸
决定。

[0054] 辅助支撑1具有良好的贴合性，以黑胶带3和叶片2进行连接固定。

[0055] 激光喷丸的加工条件是高能纳秒脉冲激光，黑胶带3，和厚度稳定的水约束层4。通常，激光器产生的脉冲激光能量输出稳定，胶带厚度一致，因此加工质量与约束层4的厚度
和稳定性密切相关。在理想平面上水射流(使用涂水喷管5实现)与平面接触后受流体粘性
和重力作用，以水射流中心向外辐射的近似椭圆是稳定厚度区(如图3所示，使用辅助支撑
后获得的稳定约束层边界6)，如果水射流遇到边界，无支撑的水流，此时受重力影响大，受
粘性影响小，水流将沿着边界下降，如图4所示，由于未使用辅助支撑，该处获得的边界为非
稳定边界7。

[0056] 在激光喷丸过程中，辅助支撑1通过扩展叶片2进/排气边的边界尺寸，使得水射流可获得厚度稳定的约束层4，保证进/排气边(图1虚线)的加工稳定性和质量一致性。

[0057] 如图2所示，本发明提出的轴向定位夹具的包括，与整体叶盘13/大小端配套的两个锥面定位块：大端和小端、带有分度盘的基座和带有指针9的底板8，所有部件与整体叶盘
13采用轴向装夹定位。其中锥面定位块和带有 V型槽，与整体叶盘13的大小端V型齿面相配
合。

[0058] 该夹具底板8可以直接装配于机器人手臂的末端，采用4个定位螺栓固定。

[0059] 图2中所示的整体叶盘13共有36个叶片2均布圆周方向，因此每个叶片2的工位分配为360°/36＝10°。

[0060] 单个叶片2进行激光喷丸处理时，采用辅助支撑1保证进/排气边的加工质量，通过多次工艺试验确定最优加工参数后，即可确定程序参数并进行参数固定，每次只加工一个
叶片2。待单个叶片2加工完成后，配合夹具的定角度旋转10°，使用分度盘指针9标记正在加
工的叶片2，再次运行单个叶片2加工程序。

[0061] 生产加工时重复程序，并固定旋转叶盘13角度10°，可大幅降低程序复杂度并提升叶片2加工的可靠性。更重要的是整体叶盘13的叶片2均采用同一条件和参数加工，质量稳
定性得到了保证，而且加工过程中操作员不易出错，是面向工程生产的最简单有效方法。

[0062] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。