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 激光強力打孔的突破性工藝

        發(fā)動機葉片、燃燒室的冷卻孔加工一直以來都是一個加工難點，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)動機的氣體溫度可達2000℃左右，這個溫度已經(jīng)超過了發(fā)動機渦輪葉片和燃燒室材料的熔點，所以為了使發(fā)動機能長時間穩(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)以千計的小孔來保證這些部件的表面被一層薄薄的冷卻空氣覆蓋，冷卻氣體覆蓋整個零件表面來隔絕外界溫度，從而達到保護的作用，提高葉片燃燒室的使用壽命和發(fā)動家的技術(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可比擬的優(yōu)勢，所以激光在此行業(yè)的應用日益廣泛，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孔，然后激光束沿孔的圓周移動，或是工件旋轉(zhuǎn)，加工出一個孔。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間，效率很高。尤其是對于對稱部件（如燃燒室）的加工，可以采用‘飛行打孔’的方式，進一步縮短加工時間，提高效率。飛行打孔時，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稱回轉(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來衡量。重鑄層和氧化層是冷卻孔的最重要的兩個技術(shù)指標，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，這層氧化物也會產(chǎn)生微裂紋，影響冷卻孔的質(zhì)量。

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

       針對冷卻孔的加工，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1300mm。以LASERTEC80PD為例，該機床加工精度高，定位精度高(Pmax.<10μm)，除了可進行基本的X/Y/Z 三軸加工外，還可配置第4軸或第5軸，極大地增強了機床的加工柔性，實現(xiàn)了最高的動態(tài)性能。

       為了有效地提高加工效率，LASERTEC80 的X、Y 軸驅(qū)動采用了先進的直線電機驅(qū)動技術(shù)，使其移動速度高達120m/min，加速度1.2g，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。所有移動軸都配有直接位移測量系統(tǒng)，高動態(tài)性能的扭矩電機，噴嘴間距自動調(diào)節(jié)裝置以及操作簡便的西門子控制系統(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)的光學路徑。

        LASERTEC130PD是一種專門針對航空航天發(fā)動機以及大型汽輪機行業(yè)開發(fā)的高精度產(chǎn)品，如圖5所示，適用于航空發(fā)動機大型燃燒室部件的切割打孔，可加工直徑達1300mm的燃燒室部件，以及渦輪葉片冷卻孔的加工，也可進行激光焊接。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)動采用了先進的直線電機驅(qū)動技術(shù)，使其快移速度高達100m/min，加速度0.5g，Y、Z軸快移速度高達#p#分頁標題#e#60m/min，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。這種直接驅(qū)動技術(shù)也應用到了第4軸、第5軸的回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動上，實現(xiàn)5軸激光切割和焊接和打孔。

        該機型加工空間寬敞(1300mm /920mm /820mm)，多種葉片和燃燒室專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)電機的新型激光頭；雙倍的防撞保護功能；切割頭和測量探頭快速切換；機床的高動態(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 為大型汽輪機構(gòu)件的鉆孔加工開辟了新的方法。能夠像加工工業(yè)用燃氣輪機葉片一樣快速且經(jīng)濟的加工燃燒室和輔助燃燒室中的大型旋轉(zhuǎn)對稱件。旋轉(zhuǎn)軸和激光頭中的兩個高動態(tài)性能扭轉(zhuǎn)電機，使得該機床能夠在最短的加工時間內(nèi)達到最高的加工精度。憑借機床的高動態(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似零部件加工編程系統(tǒng)，能夠快速簡便的完成復雜的工件加工程序的制定。新型的防撞保護功能為工件在程序啟動時提供最大的保護，并且為生產(chǎn)快速運轉(zhuǎn)提供必需的穩(wěn)定性。

       LASERTEC 50/80/130 PowerDrill 系列激光加工機床均配有高精度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 攝像機用于快速定位，3D測量探頭用于工件自動定位。

       針對航空航天零部件的特點，DMG公司特別開發(fā)了針對此類部件加工的專用軟件包，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。這些軟件可以針對不同類型的部件，最快最方便的完成編程，充分發(fā)揮機床的技術(shù)性能。通過一體化的模擬軟件，能夠預先避免可能發(fā)生的碰撞危險。