激光沖擊航空發動機葉片強化點位置法線方向的研究

王國明 孫胃濤 趙新學

摘要：在激光沖擊強化過程中，保證激光能量的充分吸收，提高沖擊波的峰值壓力，以獲得高質量的沖擊效果。對于平面區域的沖擊強化，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。以航空發動機葉片為例，采用德國 GOM公司生產的 ATOSII掃描系統獲得點云數據，采用有效的點云精簡辦法對點云進行簡化，獲得點云的拓撲結構，并進行葉片重構，獲得葉片的三維模型。將葉片模型導入三維軟件 Pro/E中，通過三維軟件 Pro/E軟件中的基準坐標系、基準面、基準軸和基準點的變換，獲得沖擊點的基準坐標系中的法線方向。利用德國 KUKA公司生產的 KR5arc型機器人調整葉片位姿，使得激光束的入射光線與沖擊點的法線重合，以獲得高質量的沖擊效果。

關鍵詞：激光沖擊;葉片;法線;機器人

中圖分類號：TG156???????????? 文獻標志碼：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

葉片是飛機發動機的關鍵零部件，航空發動機葉片因為工作環境惡劣經常出現打傷、高周循環疲勞和榫齒裂紋折斷等故障[1]。因此，要想保住發動機葉片的使用壽命，就必須尋求一種能夠對發動機葉片有效修復的技術。傳統的工藝技術，如：鍛打、噴丸硬化、冷擠壓等對葉片的修復效果均不理想。20世紀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、激光化學氣相沉積、以及激光沖擊改性技術等[2-4]。激光沖擊強化技術在美國已有40多年的發展歷史，從事激光沖擊強化生產服務的主要有通用電氣公司、金屬表面公司和激光沖擊強化公司等3家公司。美國在20世紀90年代的“高周疲勞科學與技術”計劃中，為解決飛機發動機高周疲勞問題，采取的主要措施就是激光沖擊強化金屬材料表面，并顯著提高了飛機發動機的高循環疲勞性能[5-6]。1998年，激光沖擊強化技術被美國研發雜志評為最重要的先進技術之一。2004年，美國花費2億美元為 F22戰斗機建立了激光強化生產線。進入21世紀，美國已將激光沖擊強化技術從軍方轉向民用市場，并逐步推廣到石油領域、醫療領域、交通運輸等領域，并取得了巨大的經濟效益。

國內對于激光沖擊強化的研究起步較晚，始于20世紀90年代，南京航空航天大學、江蘇大學、北京航空制造研究所等高校和科研院所對激光沖擊強化做了大量的研究工作，并研制了相關的激光沖擊強化設備。2004年，江蘇大學和中國科學技術大學合作研制了具有重復頻率的高功率激光沖擊強化系統，該系統穩定性差，尚有一系列的關鍵性技術問題等待解決。近年來，空軍工程大學和西安天瑞達光電技術發展有限公司合作，對航空發動機葉片的激光沖擊強化技術做了大量的研究，并突破了關鍵技術，進行了激光沖擊強化的應用。

當短脈沖（幾十納秒內）的高峰值功率密度的激光輻射金屬表面時，金屬表面吸收層吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，產生高壓等離子體，等離子體產生高壓沖擊波并作用于金屬表面，并向材料內部傳播，在材料表面形成密集、穩定的位錯結構，并使材料表面產生硬化，殘留很大的壓應力，顯著提高了材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能，這就是激光沖擊強化。

試驗研究表明，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和板料變形之間的相互關系，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系。王廣龍等[8]采用高功率釹玻璃激光系統對 LD31板進行了單次沖擊變形試驗，研究表明，激光沖擊條件下，板料變形呈現粘塑性性質，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，其性能質量一直是難以解決的課題。普通涂層的內在質量差，與基體的結合強度低，對激光的吸收率低等缺點都大大限制了涂層材料的使用及發展。因此，獲得高質量、高性能的能量吸收涂層是涂層制備工藝研究的一個重要課題。

國內外雖然在激光沖擊強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施對控制系統的要求很高，需要提前設計激光掃描軌跡，雖然提到了葉片的定位問題，但是并沒有開展相關研究。發動機葉片的激光沖擊強化與平面區域的沖擊強化類似，需要在待強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化部位。葉片是彎曲、扭轉、變截面的復雜流線型面[13-14]，強化表面各點位置法線與入射光束的夾角不同，隨著強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，產生的沖擊波壓力也就越來越小，導致強化均勻性差，甚至局部強化失敗。在激光沖擊強化過程中，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，所以需要準確定位沖擊區域，并使得沖擊點的法線與入射光束重合，獲得高質量的沖擊效果。

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扭轉曲面組成的不規則扇葉[15-16]，曲面形狀復雜，在對現有的葉片進行數字化建模時，難以采用正向工程技術建模，故采用逆向工程技術進行重構。由于葉片多由曲面組成，形狀復雜，難以用數學表達式進行描述，故可對已有模型進行測量，獲得葉片點云數據，然后對點云數據再處理，最后利用逆向軟件重構模型。

首先對葉片進行數據測量，將葉片物理模型轉換成數字模型，本文采用德國 GOM 公司生產的 ATOSII掃描系統進行葉片測量獲得點云數據，如圖1所示。

由于 ATOSII 掃描系統測量所獲得的點云為散亂點云，且點云數量巨大，有幾百萬甚至上千萬，因此，需要采用有效的點云精簡辦法對點云進行簡化。因為點云已經建立了某種拓撲關系，因此 ATOSII系統采用百分比快速刪減點云的方法進行點云精簡，最后進行葉片曲面重構，獲得最終的葉片模型，如圖2所示。

2 葉片沖擊點的法線方向測量

將葉片模型導入 PRO/E軟件中，并建立基準坐標系 CS0。基準坐標系 CS0位于葉片手柄開口處，xX 平面與手柄左側端面重合，xy平面為手柄開口處的上下對稱面。按要求創建基準面 DTM2、基準面 DTM3和基準面 DTM4作為參照，并利用基準坐標系的定向調整 x、y、X 坐標軸，其最終建立的坐標系如圖3所示。

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

在菜單欄中依次選擇分析 —— 幾何 —— 點，出現分析點的對話框，在定義選項卡中選擇基準坐標系CS0，并選中基準點PNT0，點擊分析按鈕，獲得基準點 PNT0的相關數據，如圖 5所示。由圖可知，基準點 PNT0 在基準坐標系 CS0中的坐標為（85.000，-11.326 4，-15.000 0），法向為（-0.027 6，-0.596 9，0.801 9）。

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

在葉片曲面基準點 PNT0處建立基準坐標系 CS4，其 z 軸為基準點 PNT0的法線方向，x、y 軸確定的平面為基準點 PNT0處的切平面。為方便角度測量，在基準坐標系 CS4處建立基準軸 A15、基準軸 A16和基準軸A19，且分別與基準坐標系 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，選擇基準軸即可測量兩基準軸之間的夾角。選擇基準軸 A16 和 A17，獲得兩基準軸之間的夾角，如圖 7 所示，即基準坐標系1的x軸與基準坐標系CS4的x軸之間的夾角。按此方法依次測得基準坐標系 CS4 與基準坐標系 CS1 各坐標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 ° （關于角度 θ 下的兩個角標的說明，以 θ12 為例，第一角標1表示基準坐標系CS1的x軸，第2個角標 2表示基準坐標系CS4的y軸）

3 激光沖擊時運動控制平臺的選擇

航空發動機作為航空飛機的“心臟”，其中發動機葉片抗疲勞性能是影響發動機壽命的關鍵構件之一[17]。針對航空發動機葉片進行激光沖擊強化，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，不同位置的光強存在差異。這種差異會造成沖擊強化后工件表面殘余壓應力分布不均勻，直接影響到沖擊強化效果。所以必須通過葉片移動來減少這種差異。如何實現葉片移動控制的數字化、自動化，做到光束與工件移動配合的實時性以及提高工件移動精確性，是突破激光沖擊強化從實現材料性能提高向實現工件性能提高轉變的一項關鍵技術。

航空發動機葉片制造工藝復雜，造價昂貴，外形尺寸復雜多變，但重量較輕。針對這一特性，可以選擇德國 KUKA 公司生產的 KR5arc型機器人，該機器人共有6個轉動關節，可以確保裝機器人夾腕部上的葉片任意部位均能處于激光沖擊強化的加工位置。

4 結束語

激光沖擊強化技術是一種先進的表面處理技術，其效果優于傳統的表面處理技術。隨著航空產業的不斷發展，激光沖擊強化技術在航空發動機葉片領域擁有廣闊的應用前景。激光入射光束與強化表面各點法線的夾角越大，激光功率密度相應減小，沖擊波的壓力也隨之減小，沖擊效果差，甚至導致局部強化失敗。本文以航空發動機葉片的逆向造型為例，利用 ATOII 掃描系統對葉片進行測量獲得點云數據，并對點云再處理，最后利用逆向軟件進行葉片模型的重構。本文利用 Pro/E軟件對葉片上激光沖擊點法線進行測量，獲得沖擊點的法線數據，提出通過 KR5arc型機器人控制葉片移動，使得沖擊點的法線與激光入射光束重合，激光功率密度達到最大值，沖擊波壓力也達到最大值，沖擊效果好，提高了激光能量的利用率。

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第一作者簡介：王國明（1982-），男，山東昌樂人，碩士研究生，講師，研究領域為激光沖擊強化和機器人等。

（編輯：王智圣）