【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料表面强化处理领域，特别涉及一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法及装置。
技术介绍
1、在航空航天领域中，航空发动机的涡轮盘与叶片之间通过榫槽榫齿紧密连接。在飞机发动机运行过程中，发动机内部涡轮盘与叶片进行高速转动，在发动机运转过程中，接触区域会产生高频振动，同时会产生高强度的应力集中。并且，在榫槽和榫齿的制造加工过程中，材料表面和内部容易形成有害的残余拉应力，这使得强化区域的表面易产生疲劳微裂纹，使得零件的使用过程的安全性降低，造成安全隐患。在这一过程中，尤其是榫槽区域的齿根、齿面、槽底等部位容易出现腐蚀、断裂等失效问题。所以如何对涡轮盘榫槽部位采取激光冲击强化，从而增强其使用寿命，成为航空发动机制造过程中的一个重要问题。
2、激光冲击强化技术（lsp）是一种通过高功率密度，短脉冲的激光作用于材料表面的能量层产生等离子体冲击波，使材料表面产生残余应力场以及梯度结构的材料强化技术。激光冲击强化使材料产生的塑性变形层以及残余应力场可以有效地提升材料的各项力学性能，这种技术被广泛地应用于材料表面强化的领域中。
3、然而，由于工件工作环境的极端化，激光冲击技术由于只采用单一的机械场作用而受到重大挑战。lsp技术的新发展有望为未来的商业应用制造大尺寸或特殊形状的金属部件带来新的突破。多场能量辅助激光冲击技术是激光冲击技术的新的关键发展方向，可以同步或异步地引入新的能量领域，如温度、电力、磁力等领域。
4、lsp技术是涡轮盘榫槽表面强化的一种理想手段，但是涡轮盘榫槽的形状较为复杂，
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，提供一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法及装置。
2、第一方面，本专利技术提供一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其包括以下步骤：
3、步骤一、装夹涡轮盘，并在由动力元件驱动平移的末端安装块上布置依次排列的激光发生装置、半圆柱透镜和三棱镜。三棱镜能够移动和绕自身轴线旋转。
4、步骤二、涡轮盘的其中一个榫槽作为被加工榫槽。激光发生装置输出激光；激光依次经过半圆柱透镜和三棱镜；半圆柱透镜对激光进行聚焦；三棱镜对激光进行折射，改变激光出射方向。
5、步骤三、整个涡轮盘榫槽的两个侧壁分别称为第一侧壁和第二侧壁。所有第一侧壁均位于对应涡轮盘榫槽的同一侧。对被加工榫槽侧壁上的所有被强化区域依次进行激光强化，具体过程如下：
6、步骤3-1.末端安装块带动激光发生装置、半圆柱透镜和三棱镜整体移动，三棱镜进行旋转，调整激光出射方向，使得激光依次照射在被加工榫槽的第一侧壁的其中一个被强化区域上；以各涡轮盘榫槽的第一侧壁作为目标侧壁；
7、步骤3-2.依次对所有涡轮盘榫槽的目标侧壁上的被强化区域进行强化。
8、步骤3-2-1.所述的涡轮盘沿自身轴线方向移动，使得激光扫过整个被强化区域，完成激光冲击强化；
9、步骤3-2-2.三棱镜旋转，改变激光在被加工榫槽的目标侧壁上的照射位置，使得激光照射在被加工榫槽的目标侧壁上的一个未经过激光冲击强化的被强化区域上；
10、步骤3-2-3.重复执行步骤3-2-1和3-2-2，直到被加工榫槽的目标侧壁上的被强化区域所有被强化区域均完成激光冲击强化；
11、步骤3-2-4.涡轮盘旋转，使得下一个榫槽转动被加工位置，作为新的被加工榫槽；
12、步骤3-2-5.重复步骤3-2-1至3-2-4，直到所有涡轮盘榫槽上的目标侧壁均完成冲击强化。
13、步骤3-3.末端安装块带动激光发生装置、半圆柱透镜和三棱镜整体移动，三棱镜进行旋转，调整激光出射方向，使得激光依次照射在被加工榫槽的第二侧壁的其中一个被强化区域上；以各涡轮盘榫槽的第二侧壁作为目标侧壁，再次执行步骤3-2。
14、步骤四、依次对所有涡轮盘榫槽的槽底被强化区域进行强化。
15、步骤4-1.末端安装块移动，使得激光发生装置与被加工榫槽的对齐；三棱镜移动，与激光错开，使得经半圆柱透镜聚焦的激光不经过三棱镜直接照射在被加工榫槽的槽底的被强化区域；
16、步骤4-2.涡轮盘沿自身轴线方向移动，使得激光扫过涡轮盘榫槽槽底的整个被强化区域，完成激光冲击强化；
17、步骤4-3.涡轮盘旋转，使得下一个榫槽转动被加工位置，作为新的被加工榫槽；
18、步骤4-4.重复步骤4-2和4-3，直到所有涡轮盘榫槽上的槽底被强化区域均完成激光冲击强化。
19、作为优选，在步骤一中，在涡轮盘的每个榫槽的各被强化区域的表面粘贴黑胶带。
20、作为优选，在步骤三和四中，对涡轮盘施加磁场，使得涡轮盘磁化。
21、作为优选，在步骤三和四中，对被加工榫槽持续喷水，使得被加工榫槽表面形成厚度为2mm～3mm的流水约束层，避免激光冲击产生的热量向非强化区域扩散。
22、第二方面，本专利技术提供一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其包括底座、平移驱动机构、激光发生装置、折射式光路调节机构、工作台横移机构和装夹机构。所述的装夹机构通过工作台横移机构安装在底座上。所述的装夹机构用于装夹需要强化榫槽的涡轮盘；工作台横移机构用于带动装夹机构沿涡轮盘轴向移动。所述的平移驱动机构安装在底座上；平移驱动机构用于带动激光发生装置和折射式光路调节机构进行水平和竖直移动。
23、所述的折射式光路调节机构包括安装支架、三棱镜、半圆柱透镜和棱镜驱动机构。激光发生装置与安装支架固定。所述的三棱镜和半圆柱透镜安装在安装支架上；所述的棱镜驱动机构用于驱动三棱镜旋转和移动。
24、所述的三棱镜能够在两个工作位置之间切换；三棱镜处于第一个工作位置时，激光发生装置输出的激光依次经过半圆柱透镜和三棱镜，此时，三棱镜旋转能够改变激光出射方向；三棱镜处于第二个工作位置时，激光发生装置输出的激光经过半圆柱透镜，且不经过三棱镜。
25、作为优选，所述的平移驱动机构安装在底座上，包括末端安装块，以及呈正三角形排布的三个并联驱动单元。并联驱动单元包括立柱、滑块、连杆和升降驱动电机。竖直的立柱固定在底座上。滑块滑动连接在竖直的立柱上；连杆的一端与滑块转动连接；连杆的另一端与末端安装块的边缘处转动连接。滑块由升降驱动电机通过同步带驱动进行升降运动。所述的激光发生装置和折射式光路调节机构均安装在平移驱动机构的末端安装块上。
26、作为优选，所述的折射式光路调节机构还包括透镜旋转机构；所述的透镜旋转机构用于驱动半圆柱透镜旋转。
27、作为优选，所述的工作台横移机构包括导轨、横移电机、横移丝杠和滑本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：步骤三的具体过程如下：
3.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：步骤四的具体过程如下：步骤4-1.末端安装块（2-1）移动，使得激光发生装置（3）与被加工榫槽的对齐；三棱镜（4-2）移动，与激光错开，使得经半圆柱透镜（4-3）聚焦的激光不经过三棱镜（4-2）直接照射在被加工榫槽的槽底的被强化区域；
4.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：.在步骤一中，在涡轮盘的每个榫槽的各被强化区域的表面粘贴黑胶带。
5.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：在步骤三和四中，对涡轮盘施加磁场，使得涡轮盘磁化；对被加工榫槽持续喷水，使得被加工榫槽表面形成厚度为2mm～3mm的流水约束层，避免激光冲击产生的热量向非强化区域扩散。
6.一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化
7.根据权利要求6所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：所述的平移驱动机构（2）安装在底座（1）上，包括末端安装块（2-1），以及呈正三角形排布的三个并联驱动单元；并联驱动单元包括立柱（2-2）、滑块（2-3）、连杆（2-4）和升降驱动电机；竖直的立柱（2-2）固定在底座（1）上；滑块（2-3）滑动连接在竖直的立柱（2-2）上；连杆（2-4）的一端与滑块（2-3）转动连接；连杆（2-4）的另一端与末端安装块（2-1）的边缘处转动连接；滑块（2-3）由升降驱动电机通过同步带驱动进行升降运动；所述的激光发生装置（3）和折射式光路调节机构（4）均安装在平移驱动机构（2）的末端安装块（2-1）上。
8.根据权利要求6所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：所述的折射式光路调节机构（4）还包括透镜旋转机构（4-4）；所述的透镜旋转机构（4-4）用于驱动半圆柱透镜（4-3）旋转。
9.根据权利要求6所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：所述的装夹机构（6）安装在工作台横移机构（5）上；装夹机构（6）包括装夹台（6-1）、定支撑座（6-2）、动支撑座（6-3）、旋转轴（6-4）、定电磁吸盘（6-5）、动电磁吸盘（6-6）和旋转驱动机构（6-7）；所述的装夹台（6-1）固定在滑板上；定支撑座（6-2）固定在装夹台（6-1）上；动支撑座（6-3）滑动连接在装夹台（6-1）上，且能够在不同位置锁止；所述的定支撑座（6-2）和动支撑座（6-3）上开设有相互对齐的转轴安装孔；旋转轴（6-4）的两端分别转动连接在定支撑座（6-2）、动支撑座（6-3）的转轴安装孔上；所述的定电磁吸盘（6-5）和动电磁吸盘（6-6）均呈圆环状；动电磁吸盘（6-6）同轴固定在旋转轴（6-4）上；定电磁吸盘（6-5）滑动连接在旋转轴（6-4）上，且能够从旋转轴（6-4）上拆下；通过动支撑座（6-3）的滑动，能够使得动支撑座（6-3）与旋转轴（6-4）分离；旋转驱动机构（6-7）安装在定支撑座（6-2）上，并能够驱动旋转轴（6-4）转动。
10.根据权利要求6所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：所述的装夹机构（6）随工作台横移机构（5）的移动方向、安装在装夹机构（6）上的涡轮盘轴线、三棱镜（4-2）的轴线相互平行。
...【技术特征摘要】
1.一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：步骤三的具体过程如下：
3.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：步骤四的具体过程如下：步骤4-1.末端安装块（2-1）移动，使得激光发生装置（3）与被加工榫槽的对齐；三棱镜（4-2）移动，与激光错开，使得经半圆柱透镜（4-3）聚焦的激光不经过三棱镜（4-2）直接照射在被加工榫槽的槽底的被强化区域；
4.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：.在步骤一中，在涡轮盘的每个榫槽的各被强化区域的表面粘贴黑胶带。
5.根据权利要求1所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化方法，其特征在于：在步骤三和四中，对涡轮盘施加磁场，使得涡轮盘磁化；对被加工榫槽持续喷水，使得被加工榫槽表面形成厚度为2mm～3mm的流水约束层，避免激光冲击产生的热量向非强化区域扩散。
6.一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：包括底座（1）、平移驱动机构（2）、激光发生装置（3）、折射式光路调节机构（4）、工作台横移机构（5）和装夹机构（6）；所述的装夹机构（6）通过工作台横移机构（5）安装在底座（1）上；所述的装夹机构（6）用于装夹需要强化榫槽的涡轮盘；工作台横移机构（5）用于带动装夹机构（6）沿涡轮盘轴向移动；所述的平移驱动机构（2）安装在底座（1）上；平移驱动机构（2）用于带动激光发生装置（3）和折射式光路调节机构（4）进行水平和竖直移动；
7.根据权利要求6所述的一种多角度激光冲击的涡轮盘榫槽表面强化装置，其特征在于：所述的平移驱动机构（2）安装在底座（1）上，包括末端安装块（2-1），以及呈正三角形排布的三个并联驱动单元；并联驱动单元包括立柱（2-2）、滑块（2-3）、连杆（2-4）和升降驱动电机；竖直的立柱（2-2）固...
【专利技术属性】
技术研发人员：倪敬，段毅鑫，张振，赵慧俊，蒙臻，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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