王國明 孫胃濤 趙新學(xué)

摘要：在激光沖擊強(qiáng)化過程中，保證激光能量的充分吸收，提高沖擊波的峰值壓力，以獲得高質(zhì)量的沖擊效果。對于平面區(qū)域的沖擊強(qiáng)化，只需將激光的入射光束與沖擊平面垂直即可，但是對于曲面零件的沖擊定位卻沒有得到很好的解決。以航空發(fā)動機(jī)葉片為例，采用德國 GOM公司生產(chǎn)的 ATOSII掃描系統(tǒng)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用有效的點(diǎn)云精簡辦法對點(diǎn)云進(jìn)行簡化，獲得點(diǎn)云的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)行葉片重構(gòu)，獲得葉片的三維模型。將葉片模型導(dǎo)入三維軟件 Pro/E中，通過三維軟件 Pro/E軟件中的基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)點(diǎn)的變換，獲得沖擊點(diǎn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的法線方向。利用德國 KUKA公司生產(chǎn)的 KR5arc型機(jī)器人調(diào)整葉片位姿，使得激光束的入射光線與沖擊點(diǎn)的法線重合，以獲得高質(zhì)量的沖擊效果。

關(guān)鍵詞：激光沖擊;葉片;法線;機(jī)器人

中圖分類號：TG156???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0075-04

Study on the Normal Direction of Laser Shock Aeroengine Blade Strengthening Point

Wang Guoming ，Sun Weitao ，Zhao Xinxue

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Binzhou University， Binzhou， Shandong 256600， China）

Abstract： In the process of laser shock processing， the full absorption of laser energy is ensured and the peak pressure of shock wave is increased to obtain high quality impact effect. For the impact enhancement in the plane area， it is only necessary to make the incident beam of the laser perpendicular to the impact plane， but the impact location of the curved parts has not been solved well. The aeroengine blade was taken as an example， the atosii scanning system produced by GOM company in Germany was used to obtain the point cloud data， the effective point cloud reduction method was used to simplify the point cloud and obtain the topological structure of the point cloud， and the blade was reconstructed to obtain the three-dimensional model of the blade. The blade model was imported into the three-dimensional software Pro/E， and the normal direction of the impact point in the reference coordinate system was obtained through the transformation of the reference coordinate system， reference plane， reference axis and reference point in the three-dimensional software Pro/E. The KR5arc robot produced by KUKA company of Germany was used to adjust the position and posture of the blade， so that the incident light of the laser beam coincided with the normal of the impact point， so as to obtain high-quality impact effect.

Key words： laser shock; leaf; normal; robot

0 引言

葉片是飛機(jī)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵零部件，航空發(fā)動機(jī)葉片因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境惡劣經(jīng)常出現(xiàn)打傷、高周循環(huán)疲勞和榫齒裂紋折斷等故障[1]。因此，要想保住發(fā)動機(jī)葉片的使用壽命，就必須尋求一種能夠?qū)Πl(fā)動機(jī)葉片有效修復(fù)的技術(shù)。傳統(tǒng)的工藝技術(shù)，如：鍛打、噴丸硬化、冷擠壓等對葉片的修復(fù)效果均不理想。20世紀(jì)70年代，激光開始逐漸用于金屬材料表面的改性處理工藝，包括激光表面熔覆、表面合金化、激光化學(xué)氣相沉積、以及激光沖擊改性技術(shù)等[2-4]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在美國已有40多年的發(fā)展歷史，從事激光沖擊強(qiáng)化生產(chǎn)服務(wù)的主要有通用電氣公司、金屬表面公司和激光沖擊強(qiáng)化公司等3家公司。美國在20世紀(jì)90年代的“高周疲勞科學(xué)與技術(shù)”計(jì)劃中，為解決飛機(jī)發(fā)動機(jī)高周疲勞問題，采取的主要措施就是激光沖擊強(qiáng)化金屬材料表面，并顯著提高了飛機(jī)發(fā)動機(jī)的高循環(huán)疲勞性能[5-6]。1998年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)被美國研發(fā)雜志評為最重要的先進(jìn)技術(shù)之一。2004年，美國花費(fèi)2億美元為 F22戰(zhàn)斗機(jī)建立了激光強(qiáng)化生產(chǎn)線。進(jìn)入21世紀(jì)，美國已將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)從軍方轉(zhuǎn)向民用市場，并逐步推廣到石油領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)對于激光沖擊強(qiáng)化的研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代，南京航空航天大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京航空制造研究所等高校和科研院所對激光沖擊強(qiáng)化做了大量的研究工作，并研制了相關(guān)的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備。2004年，江蘇大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作研制了具有重復(fù)頻率的高功率激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性差，尚有一系列的關(guān)鍵性技術(shù)問題等待解決。近年來，空軍工程大學(xué)和西安天瑞達(dá)光電技術(shù)發(fā)展有限公司合作，對航空發(fā)動機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)做了大量的研究，并突破了關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用。

當(dāng)短脈沖（幾十納秒內(nèi)）的高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時(shí)，金屬表面吸收層吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓等離子體，等離子體產(chǎn)生高壓沖擊波并作用于金屬表面，并向材料內(nèi)部傳播，在材料表面形成密集、穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，并使材料表面產(chǎn)生硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著提高了材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能，這就是激光沖擊強(qiáng)化。

試驗(yàn)研究表明，激光的光斑直徑、激光能量、板厚、板材直徑、材料性質(zhì)和約束邊界條件等因素，均會影響激光沖擊成形。周建忠等[7]探索了激光沖擊的主要參數(shù)和板料變形之間的相互關(guān)系，研究表明，在激光單次沖擊加載下，激光脈沖能量與板料的變形量之間存在直接關(guān)系。王廣龍等[8]采用高功率釹玻璃激光系統(tǒng)對 LD31板進(jìn)行了單次沖擊變形試驗(yàn)，研究表明，激光沖擊條件下，板料變形呈現(xiàn)粘塑性性質(zhì)，脈沖激光能量是影響板料變形的主要因素。

為了提高對激光能量的吸收率，激光沖擊過程中使用能量吸收涂層材料受到廣泛重視[9-11]。在激光沖擊過程中，能量吸收涂層作為激光吸收物質(zhì)，其性能質(zhì)量一直是難以解決的課題。普通涂層的內(nèi)在質(zhì)量差，與基體的結(jié)合強(qiáng)度低，對激光的吸收率低等缺點(diǎn)都大大限制了涂層材料的使用及發(fā)展。因此，獲得高質(zhì)量、高性能的能量吸收涂層是涂層制備工藝研究的一個(gè)重要課題。

國內(nèi)外雖然在激光沖擊強(qiáng)化方面做了大量的研究，但對于激光沖擊曲面的精確定位研究卻很少?？哲姽こ檀髮W(xué)馬壯等[12]指出，由于葉片表面彎曲不平，沖擊方案的制定與實(shí)施對控制系統(tǒng)的要求很高，需要提前設(shè)計(jì)激光掃描軌跡，雖然提到了葉片的定位問題，但是并沒有開展相關(guān)研究。發(fā)動機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化與平面區(qū)域的沖擊強(qiáng)化類似，需要在待強(qiáng)化表面粘貼吸收涂層，在吸收涂層之上噴上離子水作為約束層，激光能量傳輸與聚焦單元將激光束引至強(qiáng)化部位。葉片是彎曲、扭轉(zhuǎn)、變截面的復(fù)雜流線型面[13-14]，強(qiáng)化表面各點(diǎn)位置法線與入射光束的夾角不同，隨著強(qiáng)化表面法線與入射光束的夾角增大，激光輻照位置的激光功率密度減小，產(chǎn)生的沖擊波壓力也就越來越小，導(dǎo)致強(qiáng)化均勻性差，甚至局部強(qiáng)化失敗。在激光沖擊強(qiáng)化過程中，希望能夠盡量提高沖擊波的峰值壓力，保證激光能量的充分利用，所以需要準(zhǔn)確定位沖擊區(qū)域，并使得沖擊點(diǎn)的法線與入射光束重合，獲得高質(zhì)量的沖擊效果。

1 基于逆向工程葉片模型的重建

葉片的葉身由一系列連續(xù)扭轉(zhuǎn)曲面組成的不規(guī)則扇葉[15-16]，曲面形狀復(fù)雜，在對現(xiàn)有的葉片進(jìn)行數(shù)字化建模時(shí)，難以采用正向工程技術(shù)建模，故采用逆向工程技術(shù)進(jìn)行重構(gòu)。由于葉片多由曲面組成，形狀復(fù)雜，難以用數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行描述，故可對已有模型進(jìn)行測量，獲得葉片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)再處理，最后利用逆向軟件重構(gòu)模型。

首先對葉片進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，將葉片物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型，本文采用德國 GOM 公司生產(chǎn)的 ATOSII掃描系統(tǒng)進(jìn)行葉片測量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1所示。

由于 ATOSII 掃描系統(tǒng)測量所獲得的點(diǎn)云為散亂點(diǎn)云，且點(diǎn)云數(shù)量巨大，有幾百萬甚至上千萬，因此，需要采用有效的點(diǎn)云精簡辦法對點(diǎn)云進(jìn)行簡化。因?yàn)辄c(diǎn)云已經(jīng)建立了某種拓?fù)潢P(guān)系，因此 ATOSII系統(tǒng)采用百分比快速刪減點(diǎn)云的方法進(jìn)行點(diǎn)云精簡，最后進(jìn)行葉片曲面重構(gòu)，獲得最終的葉片模型，如圖2所示。

2 葉片沖擊點(diǎn)的法線方向測量

將葉片模型導(dǎo)入 PRO/E軟件中，并建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS0。基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS0位于葉片手柄開口處，xX 平面與手柄左側(cè)端面重合，xy平面為手柄開口處的上下對稱面。按要求創(chuàng)建基準(zhǔn)面 DTM2、基準(zhǔn)面 DTM3和基準(zhǔn)面 DTM4作為參照，并利用基準(zhǔn)坐標(biāo)系的定向調(diào)整 x、y、X 坐標(biāo)軸，其最終建立的坐標(biāo)系如圖3所示。

在葉片的葉盆（圖2）曲面上建立基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0。選擇基準(zhǔn)平面 DTM4，并偏移-15 mm ，得到基準(zhǔn)平面 DTM5。選擇基準(zhǔn)平面 DTM3，并偏移85 mm ，得到基準(zhǔn)平面 DTM6。在工具欄中選擇基準(zhǔn)點(diǎn)工具圖標(biāo)，并依次選擇葉片的葉盆曲面、基準(zhǔn)平面 DTM5和基準(zhǔn)平面DTM6作為參照，得到基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0，如圖4所示。

在菜單欄中依次選擇分析 —— 幾何 —— 點(diǎn)，出現(xiàn)分析點(diǎn)的對話框，在定義選項(xiàng)卡中選擇基準(zhǔn)坐標(biāo)系CS0，并選中基準(zhǔn)點(diǎn)PNT0，點(diǎn)擊分析按鈕，獲得基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖 5所示。由圖可知，基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0 在基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS0中的坐標(biāo)為（85.000，-11.326 4，-15.000 0），法向?yàn)椋?0.027 6，-0.596 9，0.801 9）。

建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS1。在距離基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS0 位 55 mm 處建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS1，并調(diào)整坐標(biāo)軸。為方便角度測量，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS1 處建立基準(zhǔn)軸 A17、基準(zhǔn)軸A18和基準(zhǔn)軸A14，且分別與基準(zhǔn)坐標(biāo)系CS1的x軸、 y軸和z軸重合，如圖6所示。

在葉片曲面基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0處建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS4，其 z 軸為基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0的法線方向，x、y 軸確定的平面為基準(zhǔn)點(diǎn) PNT0處的切平面。為方便角度測量，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS4處建立基準(zhǔn)軸 A15、基準(zhǔn)軸 A16和基準(zhǔn)軸A19，且分別與基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS4的z 軸、x 軸和y 軸重合。

在工具欄中依次選擇分析 —— 測量 —— 角，選擇基準(zhǔn)軸即可測量兩基準(zhǔn)軸之間的夾角。選擇基準(zhǔn)軸 A16 和 A17，獲得兩基準(zhǔn)軸之間的夾角，如圖 7 所示，即基準(zhǔn)坐標(biāo)系1的x軸與基準(zhǔn)坐標(biāo)系CS4的x軸之間的夾角。按此方法依次測得基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS4 與基準(zhǔn)坐標(biāo)系 CS1 各坐標(biāo)軸之間的夾角依次為 θ11 =91.566 3 ° 、 θ21 =89.770 4 ° 、 θ31 =1.583 07 ° 、 θ12 =81.661 2 ° 、 θ22 =8.338 78 ° 、 θ32 = 90.000 0 ° 、 θ13 =171.513 ° 、 θ23 =81.664 4 ° 、 θ33 = 91.583 1 ° （關(guān)于角度 θ 下的兩個(gè)角標(biāo)的說明，以 θ12 為例，第一角標(biāo)1表示基準(zhǔn)坐標(biāo)系CS1的x軸，第2個(gè)角標(biāo) 2表示基準(zhǔn)坐標(biāo)系CS4的y軸）

3 激光沖擊時(shí)運(yùn)動控制平臺的選擇

航空發(fā)動機(jī)作為航空飛機(jī)的“心臟”，其中發(fā)動機(jī)葉片抗疲勞性能是影響發(fā)動機(jī)壽命的關(guān)鍵構(gòu)件之一[17]。針對航空發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，還必須考慮葉片移動的控制問題。由于葉片表面彎曲不平，光束方向不能變化的情況下，不同位置的光強(qiáng)存在差異。這種差異會造成沖擊強(qiáng)化后工件表面殘余壓應(yīng)力分布不均勻，直接影響到?jīng)_擊強(qiáng)化效果。所以必須通過葉片移動來減少這種差異。如何實(shí)現(xiàn)葉片移動控制的數(shù)字化、自動化，做到光束與工件移動配合的實(shí)時(shí)性以及提高工件移動精確性，是突破激光沖擊強(qiáng)化從實(shí)現(xiàn)材料性能提高向?qū)崿F(xiàn)工件性能提高轉(zhuǎn)變的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

航空發(fā)動機(jī)葉片制造工藝復(fù)雜，造價(jià)昂貴，外形尺寸復(fù)雜多變，但重量較輕。針對這一特性，可以選擇德國 KUKA 公司生產(chǎn)的 KR5arc型機(jī)器人，該機(jī)器人共有6個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，可以確保裝機(jī)器人夾腕部上的葉片任意部位均能處于激光沖擊強(qiáng)化的加工位置。

4 結(jié)束語

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是一種先進(jìn)的表面處理技術(shù)，其效果優(yōu)于傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)。隨著航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)葉片領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。激光入射光束與強(qiáng)化表面各點(diǎn)法線的夾角越大，激光功率密度相應(yīng)減小，沖擊波的壓力也隨之減小，沖擊效果差，甚至導(dǎo)致局部強(qiáng)化失敗。本文以航空發(fā)動機(jī)葉片的逆向造型為例，利用 ATOII 掃描系統(tǒng)對葉片進(jìn)行測量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對點(diǎn)云再處理，最后利用逆向軟件進(jìn)行葉片模型的重構(gòu)。本文利用 Pro/E軟件對葉片上激光沖擊點(diǎn)法線進(jìn)行測量，獲得沖擊點(diǎn)的法線數(shù)據(jù)，提出通過 KR5arc型機(jī)器人控制葉片移動，使得沖擊點(diǎn)的法線與激光入射光束重合，激光功率密度達(dá)到最大值，沖擊波壓力也達(dá)到最大值，沖擊效果好，提高了激光能量的利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李啟鵬，何衛(wèi)鋒，仝崇樓，等.航空發(fā)動機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化研究[J].航空精密制造技術(shù)，2008，44（4）：37-39.

[2]榮烈潤.先進(jìn)綠色：激光沖擊表面改性技術(shù)[J].金屬加工（熱加工），2012（7）：15-17.

[3]張群莉，王梁，梅松雪，等.激光表面改性技術(shù)發(fā)展研究[J].中國工程科學(xué)，2020，22（3）：71-77.

[4]孫磊強(qiáng)，趙作福，莫梓睿，等.激光技術(shù)在材料表面改性方面的研究進(jìn)展[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，38（6）：89-94.

[5]何衛(wèi)鋒，李應(yīng)紅，李偉，等.激光沖擊強(qiáng)化提高壓氣機(jī)葉片疲勞性能研究[J].航空動力學(xué)報(bào)，2011，26（7）：1551-1556.

[6]劉亮，聶祥樊，胡仁高，等.激光沖擊強(qiáng)化對 TC17鈦合金模擬葉片疲勞極限的影響[J].燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)與研究，2019，32（4）：48-52.

[7]周建忠，杜建鈞，楊超君，等.基于 ABAQUS的金屬板料激光沖擊成形數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（1）：132-136.

[8]王廣龍.金屬板料激光沖擊成形研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2005.

[9]任旭東.金屬板料的激光沖擊能量吸收涂層技術(shù)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2006.

[10]段志勇，王聲波，吳鴻興，等.約束層材料及靶材表面特征對激光沖擊波的影響[J].激光雜志，2000，21（2）：19-20.

[11]劉學(xué)軍，張旖諾，吳嘉俊，等.激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)原理及其應(yīng)用研究[J].有色金屬加工，2019，48（1）：10-15.

[12]馬壯，李應(yīng)紅.航空發(fā)動機(jī)葉片激光沖擊強(qiáng)化機(jī)制研究[J].航空維修與工程，2007（4）：58-59.

[13]吳荔銘，陸紀(jì)文，鄒新斌.Pro/ENGINEER Wildfier5.0應(yīng)用與實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[14]趙萬生，詹涵菁，王剛.渦輪彎扭葉片的幾何造型[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，27（5）：33-38.

[15]劉勇，劉存平，郭晟，等.葉片零件的逆向建模與偏差對比分析[J].機(jī)械工程與自動化，2019（3）：52-53.

[16]李忠遠(yuǎn)，荀向鋒，朱凌云.渦輪葉片逆向精準(zhǔn)建模研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2019（6）：41-45.

[17]林杰威.航空發(fā)動機(jī)葉片疲勞壽命和可靠性研究[D].天津：天津大學(xué)，2014.

第一作者簡介：王國明（1982-），男，山東昌樂人，碩士研究生，講師，研究領(lǐng)域?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化和機(jī)器人等。

（編輯：王智圣）