當(dāng)今渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件異型孔的激光加工成了最熱門的主題,無論航空發(fā)動(dòng)機(jī)還是陸基渦輪機(jī)制造企業(yè)及其供應(yīng)商都對(duì)此領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大興趣,他們往往提出不同的異型孔的形狀,但受制于技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)或是工業(yè)設(shè)備水平的限制,要想得到理想的孔形非常困難。
大家對(duì)加工異型孔很感興趣的原因很簡(jiǎn)單:異型孔能對(duì)渦輪部件提供更好的冷卻效果。良好的設(shè)計(jì)可以采用更少的孔達(dá)到更好的冷卻效果,減少孔的數(shù)量意味著縮短了加工周期、降低了成本、減少了氣體消耗。應(yīng)用到實(shí)際上,就能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的成本。由于速度優(yōu)勢(shì)、靈活的加工方法及可加工覆蓋隔熱涂層(TCB)零件的能力,使用激光加工異型孔成為了熱點(diǎn)。
型孔的使用很早就有資料記載,已在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱段組件上有效使用多年。一些發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)商采用傳統(tǒng)的電火花技術(shù)(EDM)來加工這些孔,另一些采用激光技術(shù),而選用其中某種加工技術(shù)的主要考慮是加工成本和靈活性。激光加工不僅快速而且更為靈活,如果綜合考慮所有因素,激光加工也更節(jié)省成本。
激光加工技術(shù)與EDM加工技術(shù)
為了比較激光及電火花型孔加工技術(shù),我們先來了解一下用于描述型孔的兩個(gè)模型:擴(kuò)散段和直流段,如圖2。
“擴(kuò)散段”可看作型孔的“形狀”部分,位于型孔的出氣口處,用來噴射氣流,以在零件的表面形成一層氣膜。如何設(shè)計(jì)擴(kuò)散段的形狀不在本文所述之列。多年來設(shè)計(jì)工程師已設(shè)計(jì)了多種不同形狀的孔。衡量一個(gè)孔是否與其它孔不同,取決于孔的角度及其位置,形狀各異的孔往往由這兩個(gè)因素產(chǎn)生。
“直流段”指的是圓柱形部分,這部分由直接穿孔或激光環(huán)切而成。對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件而言,其孔直徑一般在 0.010 英寸(0.25 毫米)至 0.035 英寸(0.89 毫米)之間。在使用LASERDYNE 激光打孔系統(tǒng)的客戶那里,我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象,那就是加工的型孔直流段長(zhǎng)度并沒有完全按照標(biāo)定要求,參考以下事例。
案例1: 在上世紀(jì)90年代初期,Pratt & Whitney(P&W)公司遇到了一個(gè)冷卻孔的問題。冷卻孔采用激光加工,加工的也非常完美,但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用中卻碰到了氣流阻塞現(xiàn)象,且氣流使用效率非常低。在P&W 公司的諾斯黑文工廠,一個(gè)由Dave Pepe領(lǐng)導(dǎo)的小組開發(fā)了一套雙重激光加工工藝,在零件表面處,沿初始冷卻孔角度擴(kuò)大了該孔的一小段直徑。盡管這種最初的“擴(kuò)散段”和后來的型孔設(shè)計(jì)有很大不同,但大大降低了加工成本,僅需在激光打孔設(shè)備上進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。這種工藝獲得了極大的成功,并被推廣至該公司其它幾個(gè)加工廠,Dave Pepe 和Pratt & Whitney公司并將此工藝申請(qǐng)了專利,時(shí)至今日,這種工藝仍然還在使用。
案例2:在上世紀(jì)80年代后期,英國(guó)的Vickers Precision 公司使用激光打孔機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花加工設(shè)備,用來加工指定形狀的型孔擴(kuò)散段和直流段。Vickers 公司找到普瑞瑪北美公司需求幫助,普瑞瑪北美公司提供了一套LASERDYNE 780 BeamDirector 系統(tǒng),并配備傳統(tǒng)的“諧振腔”Nd:YAG 激光器,其靈活的加工特性、簡(jiǎn)易的編程處理對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的成功起到了至關(guān)重要的作用。在這套設(shè)備上,我們開發(fā)了一套完整的激光打孔工藝,縮短了加工周期,降低了加工成本。這種工藝的一個(gè)局限是要求孔必須“通視”,這是由于我們采用了“諧振腔”式Nd:YAG 激光器并采用穿孔加工工藝的結(jié)果。盡管孔的形狀有所限制,但這種工藝仍然是非常成功的,并一直沿用至今。
結(jié)論
型孔激光加工技術(shù)在過去已被證明是一種行之有效的方法,在將來會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用。激光器設(shè)計(jì)及編程技術(shù)的發(fā)展使得激光系統(tǒng)變得更有吸引力,但仍需我們的工程師們投入更大的精力去研究和發(fā)展激光系統(tǒng)。
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