激光強(qiáng)力打孔的突破性工藝

        發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室的冷卻孔加工一直以來(lái)都是一個(gè)加工難點(diǎn)，其冷卻孔數(shù)量多、孔徑小，并且全都分布在葉片或燃燒室的3D曲面輪廓上，非常難于裝卡和加工。目前使用的噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體溫度可達(dá)2000℃左右，這個(gè)溫度已經(jīng)超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和燃燒室材料的熔點(diǎn)，所以為了使發(fā)動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，這些部件必須得到足夠的冷卻，目前廣泛使用的是邊界層冷卻法。

        邊界層冷卻法是在葉片燃燒室表面打上數(shù)以千計(jì)的小孔來(lái)保證這些部件的表面被一層薄薄的冷卻空氣覆蓋，冷卻氣體覆蓋整個(gè)零件表面來(lái)隔絕外界溫度，從而達(dá)到保護(hù)的作用，提高葉片燃燒室的使用壽命和發(fā)動(dòng)家的技術(shù)性能。傳統(tǒng)上這種冷卻孔可以用EDM加工，但是激光加工有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，所以激光在此行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，發(fā)展迅猛。目前航空航天領(lǐng)域加工冷卻孔主要是采用脈沖Nd:YAG激光器。

       激光打孔主要有兩種打孔方式：脈沖打孔和環(huán)切孔。脈沖打孔采用連續(xù)的激光脈沖加工孔，孔的直徑可以通過(guò)調(diào)整能量大小獲得不同的孔徑。環(huán)切孔是用激光脈沖先在孔的中心位置打一個(gè)孔，然后激光束沿孔的圓周移動(dòng)，或是工件旋轉(zhuǎn)，加工出一個(gè)孔。環(huán)切孔主要用于直徑大于1mm的孔的加工，孔的加工質(zhì)量要優(yōu)于脈沖打孔。

       脈沖打孔是航空航天行業(yè)中很重要的加工技術(shù)，它大大縮短了零部件的打孔時(shí)間，效率很高。尤其是對(duì)于對(duì)稱(chēng)部件（如燃燒室）的加工，可以采用‘飛行打孔’的方式，進(jìn)一步縮短加工時(shí)間，提高效率。飛行打孔時(shí)，激光的脈沖頻率和工件的旋轉(zhuǎn)頻率同步，激光脈沖同步的以特定的排列方式加工出大量的冷卻孔。這種加工方式適用于燃燒室等對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)部件上要求不高的冷卻孔的加工。

       冷卻孔的質(zhì)量很重要，主要采用重鑄層，氧化層，孔的圓度錐度等指標(biāo)來(lái)衡量。重鑄層和氧化層是冷卻孔的最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)，它們決定了該部件的適用壽命和穩(wěn)定性。重鑄層是指激光鉆孔后，在孔壁上留下的一層薄薄的固態(tài)金屬重熔層，這層薄薄的固態(tài)金屬重熔層可以產(chǎn)生微裂紋，并直接蔓延到材料本體。氧化層是在孔壁上留下的一層金屬氧化物，這層氧化物也會(huì)產(chǎn)生微裂紋，影響冷卻孔的質(zhì)量。

       檢驗(yàn)冷卻孔的質(zhì)量是否合格，除了檢驗(yàn)孔的基本尺寸外，主要有兩種辦法：一種是檢驗(yàn)孔的重鑄層和氧化層厚度，是否超過(guò)了最大允許值，如勞斯萊斯航空公司和羅爾斯羅伊斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司；另一種，有的發(fā)動(dòng)機(jī)公司檢驗(yàn)通過(guò)冷卻孔的氣體流動(dòng)性和氣流分布來(lái)判斷冷卻孔的質(zhì)量，如美國(guó)P&W公司。各個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司針對(duì)自家的產(chǎn)品，采用不同的檢驗(yàn)方法，有的采用多種檢驗(yàn)方法，而且檢驗(yàn)方法也在不斷的改進(jìn)。

       針對(duì)冷卻孔的加工，DMG公司主要提供LASERTEC 50/80/130 PowerDrill系列激光加工中心，用于不同規(guī)格尺寸的工件的加工，最大加工工件直徑可達(dá)1300mm。以LASERTEC80PD為例，該機(jī)床加工精度高，定位精度高(Pmax.<10μm)，除了可進(jìn)行基本的X/Y/Z 三軸加工外，還可配置第4軸或第5軸，極大地增強(qiáng)了機(jī)床的加工柔性，實(shí)現(xiàn)了最高的動(dòng)態(tài)性能。

       為了有效地提高加工效率，LASERTEC80 的X、Y 軸驅(qū)動(dòng)采用了先進(jìn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其移動(dòng)速度高達(dá)120m/min，加速度1.2g，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。所有移動(dòng)軸都配有直接位移測(cè)量系統(tǒng)，高動(dòng)態(tài)性能的扭矩電機(jī)，噴嘴間距自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置以及操作簡(jiǎn)便的西門(mén)子控制系統(tǒng)。確保最佳的切削質(zhì)量：激光束沿Z 軸方向行走，因此，形成的激光束具有短且連續(xù)的光學(xué)路徑。

        LASERTEC130PD是一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)以及大型汽輪機(jī)行業(yè)開(kāi)發(fā)的高精度產(chǎn)品，如圖5所示，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)大型燃燒室部件的切割打孔，可加工直徑達(dá)1300mm的燃燒室部件，以及渦輪葉片冷卻孔的加工，也可進(jìn)行激光焊接。借助于不同功率的激光器，LASERTEC130PD孔加工最小直徑可達(dá)0.010mm，最大零件厚度可至20mm；作為切割型，最大可加工零件厚度為10mm，最小切縫寬度為0.020mm。

        為了有效地提高加工效率，LASERTEC130PD的X軸驅(qū)動(dòng)采用了先進(jìn)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其快移速度高達(dá)100m/min，加速度0.5g，Y、Z軸快移速度高達(dá)#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#60m/min，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。這種直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)也應(yīng)用到了第4軸、第5軸的回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)上，實(shí)現(xiàn)5軸激光切割和焊接和打孔。

        該機(jī)型加工空間寬敞(1300mm /920mm /820mm)，多種葉片和燃燒室專(zhuān)用軟件包幫助快速便捷的設(shè)定鉆孔和切割程序；帶轉(zhuǎn)向軸和扭轉(zhuǎn)電機(jī)的新型激光頭；雙倍的防撞保護(hù)功能；切割頭和測(cè)量探頭快速切換；機(jī)床的高動(dòng)態(tài)性能以及高切削速度，使得高效飛行打孔成為可能。

        全新的LASERTEC130PD 為大型汽輪機(jī)構(gòu)件的鉆孔加工開(kāi)辟了新的方法。能夠像加工工業(yè)用燃?xì)廨啓C(jī)葉片一樣快速且經(jīng)濟(jì)的加工燃燒室和輔助燃燒室中的大型旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)件。旋轉(zhuǎn)軸和激光頭中的兩個(gè)高動(dòng)態(tài)性能扭轉(zhuǎn)電機(jī)，使得該機(jī)床能夠在最短的加工時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高的加工精度。憑借機(jī)床的高動(dòng)態(tài)性能以及高切削速度，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆環(huán)穿孔。借助于全新的燃燒室及其他類(lèi)似零部件加工編程系統(tǒng)，能夠快速簡(jiǎn)便的完成復(fù)雜的工件加工程序的制定。新型的防撞保護(hù)功能為工件在程序啟動(dòng)時(shí)提供最大的保護(hù)，并且為生產(chǎn)快速運(yùn)轉(zhuǎn)提供必需的穩(wěn)定性。

       LASERTEC 50/80/130 PowerDrill 系列激光加工機(jī)床均配有高精度Nd:YAG 激光器，功率范圍100～500W，用于鉆孔、切削和焊接,也可選用2000～3000W CO2激光器激光功率最高為50kW (脈沖功率)，用于厚度大于10mm的航空部件加工。另外配有CCD 攝像機(jī)用于快速定位，3D測(cè)量探頭用于工件自動(dòng)定位。

       針對(duì)航空航天零部件的特點(diǎn)，DMG公司特別開(kāi)發(fā)了針對(duì)此類(lèi)部件加工的專(zhuān)用軟件包，主要有：LASERSOFT PowerDrill打孔軟件包、LASERSOFT Combustor燃燒室加工編程軟件包、LASERSOFT PowerWeld焊接編程軟件包、LASERSOFT Simulation模擬加工軟件包。這些軟件可以針對(duì)不同類(lèi)型的部件，最快最方便的完成編程，充分發(fā)揮機(jī)床的技術(shù)性能。通過(guò)一體化的模擬軟件，能夠預(yù)先避免可能發(fā)生的碰撞危險(xiǎn)。