激光加工技術作為最先進的加工制造技術之一，具有高精度、高可控性、高效率等優(yōu)點，可解決特種機械制造中的多項難題。由于航空發(fā)動機大量采用鈦合金、高溫合金、不銹鋼及非金屬特種涂層等特種材料，這些材料具有高硬度、高脆性、高熔點、高黏度及低導熱性特點，常規(guī)的機械加工較難加工，所以激光加工技術必然成為機械制造業(yè)明珠——航空發(fā)動機制造的一項技術。
激光加工技術在航空發(fā)動機制造中的應用包括激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光增材制造等，其中激光切割占激光加工總產(chǎn)量的70%以上，是一項主要的激光工藝技術。激光切割加工技術是推動以航空、航天飛行代表的運動載工具向高性能、輕量化、長壽命、短周期、低成本等方向發(fā)展的關鍵制造技術。尤其在航空工業(yè)，激光切割加工技術極大地促進了航空制造技術的跨越發(fā)展。
一臺航空發(fā)動機從進氣道到尾噴口的各個部件的上百種零件需激光切割。激光切割的應用，解決了多項航空發(fā)動機難加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效加工、零件葉型孔高精度切割、特種表面零件加工等加工難題。激光切割技術應用零件較多，本文以部分零件的制造技術介紹激光切割技術在航空發(fā)動機制造中的應用。
激光切割在零件制造中的應用
?。?）扇形葉型板型孔激光精密加工首先，扇型塊是航空發(fā)動機的典型結構件，由內到外分別由流道葉型板、大彎邊葉型板、葉片、T型葉型板和上葉型板經(jīng)高溫真空釬焊而成。扇形塊焊接組合件示意如圖1所示。
圖1
葉片為軋制件，輪廓精度為0.05mm，前、后緣R0.12mm。為滿足釬焊對葉片與葉型板上的葉型孔裝配間隙0.05～0.1mm的要求和各型孔φ0.08mm位置度要求，流道葉型板、大彎邊葉型板和上葉型板的葉型孔加工允許采用激光切割，重熔層厚度≤0.03mm。保證零件的輪廓度、位置度和重熔層要求是該零件的難點。流道葉型板零件如圖2所示。
圖2
其次，切割設備選用LASERDYNE—780型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為826mm×686mm×686mm。伺服系統(tǒng)為5坐標6軸聯(lián)動全飛行光路，可在行程范圍內進行任意位置和角度連續(xù)運動，可保證多個空間運動的定位精度0.013mm。設備配置了高倍率同軸的監(jiān)視器，定位精度達0.0025mm。該系統(tǒng)配置的激光器為JK704型YAG激光器，平均功率235W，峰值功率20kW，脈沖頻率1～200Hz，脈沖寬度0.3～10ms。YAG激光器的波長為1.06μm，適合切割金屬材料。
采用高性能激光加工系統(tǒng)，保證了零件三維空間加工精度。選用600mm/min的切割速度、80Hz的脈沖頻率、0.4ms的脈沖寬度、平均功率180W、JK704型YAG激光器特有的尖峰模式，產(chǎn)生的峰值功率可達10kW。高峰值功率、高切割速度和低平均功率保證了零件在激光切割過程中不產(chǎn)生溫升，零件無熱變形。結合高倍率同軸的監(jiān)視器的使用，從而保證了重熔層厚度<0.03mm的要求，加工后的葉型孔的輪廓精度和位置精度均<0.05mm，零件達到設計要求，已進行批量生產(chǎn)。
?。?）隔熱屏群孔激光精密切割首先，隔熱屏呈錐形多環(huán)波，壁厚0.8~1.2mm，直徑和高度在1m左右，孔徑1~5mm，孔垂直于零件表面，數(shù)量2000~10萬個不等。該類零件一般采用鈑金成形和焊接工藝制造，熱處理后，殘留較大的變形，變形不易消除。零件自由狀態(tài)下圓度偏差達到100mm、波高偏差約3mm，波距偏差約5mm。孔的加工是孔中心距波峰的位置精度±0.2mm。由于零件在自由狀態(tài)下偏差較大，孔的數(shù)量極多，一般的加工方法無法高效和質量要求，所以需采用激光加工。要加工的孔徑>0.8mm，孔采用激光環(huán)切的方法加工。
在零件存在圓度大、波高、波距偏差的情況下保證孔位置度要求是該零件的難點。隔熱屏零件如圖3所示。
圖3
其次，選用LASERDYNE—795型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為2000mm×1000mm×1000mm。伺服系統(tǒng)為五座標六軸聯(lián)動全飛行光路，有X、Y、Z三個直線軸，C、D兩個擺動軸和高精度立式轉盤，通過編程實現(xiàn)了孔垂直于零件表面的要求。該系統(tǒng)配置的激光器為CL50K型YAG激光器，平均功率200W，峰值功率50kW，極高的峰值功率保證了小孔的切割質量。該設備有自動聚焦、零件特征掃描、表面位置遠程追蹤及追蹤方向設定等先進功能，為較大偏差零件的高精度加工提供了技術條件。
通過零件特征掃描，測量出零件上多個波的每一波峰的實際位置，再用多功能加工程序運算調整每一排的打孔位置，實現(xiàn)環(huán)狀波型件軸向高精度打孔。零件特征掃描如圖4所示。
圖4
零件上的孔是垂直于零件表面的，傳統(tǒng)的追蹤方法是沿著加工方向追蹤，會產(chǎn)生一定的高度偏差。利用定向追蹤表面技術，保證孔位置測量與加工的正確性。定向追蹤表面如圖5所示。通過應用多個先進功能保證了零件的要求，切孔完成的零件如圖6所示。
圖5
圖6
?。?）鈦合金化銑涂層激光切割首先，航空發(fā)動機為提高性能，常設計出有特殊要求的零件。如圖7機匣筒體，零件為鈦合金材料，筒體φ1000mm，高600mm，壁厚1mm。在筒體上分部各種功能的安裝座及5mm厚的加強筋，達到1mm厚筒體的重量，4mm筒體強度的性能。
圖7
該零件可以采用5mm厚的筒體用數(shù)控加工中心機械加工的方法制造，但存在鈦合金材料機械加工難度大、加工量大加工效率低、零件大而薄不易保證要求等多個問題。采用化銑的加工方法可大幅度提高效率和質量，降低成本。
機匣筒體化銑是將零件制造成5mm厚的筒體鈦合金筒體，在零件表面涂防腐涂層，按筋和安裝座的形狀高精度地刻出形線，將需銑削表面的涂層去除，將零件浸入化銑液中浸蝕，完成零件的加工。形線的精確高效刻型是化銑技術的關鍵技術，只有激光切割可滿足要求。
其次，選用LASERDYNE—890型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為2400mm×1800mm×900mm。伺服系統(tǒng)為5坐標6軸聯(lián)動全飛行光路。該系統(tǒng)配置的激光器為PRC3000型CO2激光器，最大功率3000W。由于激光的波長為10.6μm，是YAG激光器波長的10倍，在常溫狀態(tài)下一般金屬的吸收率小于10%，在高溫下吸收率可達70%以上。所切割的金屬零件有明顯溫升，不適合加工<2mm的孔和零件的精密加工，可高效切割一般精度的零件。但對非金屬材料，該波長的激光吸收率近100%。
采用LASERDYNE—890型激光加工系統(tǒng)對涂層進行切割，達到了復雜形線的高精度、高效率切割。利用CO2激光波長對金屬的高反光率和對非金屬的高吸收率的特性，通過功率參數(shù)控制，達到了只切割防護涂層，不燒傷鈦合金零件的目的?？绦秃蟮牧慵植空掌鐖D8所示。零件上的綠色不防護涂層，白線為散焦預刻線，目的是驗證切割程序的正確性，白線中間的是激光切割線，該線已切透涂層，未切傷金屬零件。
圖8
結語
?。?）采用高性能激光加工系統(tǒng)，利用高倍率同軸的監(jiān)視器高精度定位與低平均功率、高峰值功率的YAG激光器特性，控制激光切割時激光對零件的熱影響，保證扇形葉型板型孔精度和重熔層要求。
?。?）在無法用工裝限制加工的、自由狀態(tài)下易變形的筒形多環(huán)波隔熱屏群孔激光切割應用中，利用設備的零件特征掃描、表面位置遠程追蹤、追蹤方向設定等先進功能對零件進行掃描，通過編程自動運算，完成低精度零件高精度激光切割。
?。?）在化銑技術應用中，利用CO2激光器對金屬和非金屬反射率不同的特點，用先進激光機完成復雜形線高精度切割，保證了激光將涂層切透，并不燒傷零件的要求。
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