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在航空航天領(lǐng)域,，激光加工發(fā)揮著極其重要的作用,，并有望在未來(lái)替代很多現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)手段。 激光是20世紀(jì)的重大發(fā)明之一,，自1960年問(wèn)世后很快在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了獨(dú)特的作用,，隨著對(duì)有關(guān)基本理論研究的不斷深化，各類(lèi)激光器件不斷發(fā)展,，從而使其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬,，應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大。如今激光技術(shù)已經(jīng)在工業(yè),、農(nóng)業(yè),、醫(yī)學(xué)、軍工,、通訊和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。 激光具有很多優(yōu)異的光學(xué)特性，如高方向性,、高亮度,、高單色性以及高相干性等，在機(jī)械加工領(lǐng)域,，激光已經(jīng)可以完成如激光雕刻、切削,、焊接,、打孔、激光熱處理（淬火）和激光測(cè)量等加工,，已經(jīng)占據(jù)了不可替代的地位,。 激光加工 優(yōu)勢(shì)彰顯 相比用傳統(tǒng)加工手段,，激光加工的效率明顯提高，如對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和燃燒室成千上萬(wàn)個(gè)形狀各異的孔的3D加工,，比傳統(tǒng)EDM加工效率至少提高5～8倍,；其次，激光加工成本很低,，EDM加工需要電極的大量消耗,，花費(fèi)很多使用成本，而激光加工是非接觸加工,，無(wú)任何刀具,、電極等費(fèi)用；第三點(diǎn),，激光加工質(zhì)量穩(wěn)定性高,、一致性好，EDM在加工時(shí)會(huì)有電極損耗,，需要經(jīng)常更換電極,，由此會(huì)造成因更換電極造成的質(zhì)量穩(wěn)定性低，而激光加工是非接觸式加工,，激光穩(wěn)定性高,，從而全面保證加工質(zhì)量；激光加工材料范圍很廣,，激光除了可以加工航空高溫合金,、鈦合金等金屬材料外，也可以加工陶瓷,、碳纖維,，甚至玻璃等新型航空材料，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝的不足,；最后一點(diǎn),，激光可以用于加工微孔或微槽，某些零件的形狀既小又復(fù)雜,，即便是用最小的刀具也無(wú)法進(jìn)行理想的加工,，或者根本沒(méi)有這么小的刀具，而采用激光加工,，光斑直徑可小至20μm,，加工該尺寸的切縫或微孔。 尤其是對(duì)于技術(shù)發(fā)展迅猛的航空航天領(lǐng)域,，激光加工發(fā)揮著極其重要的作用,，并有望在未來(lái)替代很多現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)手段。在航空航天金屬加工領(lǐng)域，主要采用激光進(jìn)行加工的部分有： （1）航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)葉片,、靜葉片表面冷卻孔的加工,； 德馬吉（以下簡(jiǎn)稱DMG）在德國(guó)的Sauer工廠早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)激光成形加工技術(shù)進(jìn)行研發(fā),，并取得了卓有成效的研制成果,。其研制成功的5～7軸激光加工中心得到了機(jī)械加工行業(yè)的認(rèn)可，并有幸被陳列在世界最大的綜合性博物館——德意志博物館的機(jī)械館最醒目的位置上,，以記載DMG對(duì)激光應(yīng)用技術(shù)所做出的杰出貢獻(xiàn),。 DMG的激光加工設(shè)備屬于激光精細(xì)加工類(lèi)設(shè)備，加工工藝包括激光銑削,、精細(xì)切割,、焊接以及打孔等，但又不同于鈑金生產(chǎn)用的大功率激光切割機(jī),，是以小尺寸零件的精密成形加工為主,。 當(dāng)今，許多技術(shù)領(lǐng)域中日益體現(xiàn)的微量加工技術(shù)以及組合加工趨勢(shì),，為激光切削和激光鉆孔加工提供了更廣闊的空間,。激光加工技術(shù)在DMG的歷史由來(lái)已久，目前DMG的激光加工機(jī)床已擴(kuò)展到了4個(gè)系列12種規(guī)格,，加工能力也由最初的單純成形加工——激光銑削加工,，擴(kuò)展到了今天的包括激光銑削雕刻、激光打孔,、激光焊接和激光切割等多功能激光加工中心,。其LASERTEC系列以獨(dú)特的三大工藝——3D激光加工、激光精密切削和精密鉆孔,，為不同材料開(kāi)辟了新的加工方法,。 如在航空航天工具和模具制造領(lǐng)域，通過(guò)激光銑削的運(yùn)用,，人們能夠在技術(shù)元件上制造出精細(xì)且高質(zhì)量的空腔和蝕刻,，可以加工深度1～2μm的微槽和3D型面，可以加工表面質(zhì)量達(dá)Ra=0.3μm的精細(xì)型腔,。同樣在該領(lǐng)域,，激光精密切割工藝能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄型板材,、管材以及3D工件的高動(dòng)態(tài)激光精密切割,，并達(dá)到最佳的切削質(zhì)量(切縫小于20μm),。 無(wú)論要求如何，精密的加工,、智能化的軟件,，再加上創(chuàng)新的外圍設(shè)備，都能在獲得最高的加工質(zhì)量和最好的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),，更享受最大的加工靈活性,。這4個(gè)系列分別為L(zhǎng)ASERTEC20、LASERTEC40,、LASERTEC80及 LASERTEC130PD,。 圖 LASERTEC 80 PowerDrill 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)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,。 LASERTEC50/80/130PowerDrill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),。 激光與銑削技術(shù)完美融合 LASERTEC40是以15～100W的激光對(duì)零件表面進(jìn)行細(xì)致入微的2D到3D銑削和雕琢,，用于加工2D或3D曲面或型腔,。激光束的直徑為0.04mm或0.1mm，Q開(kāi)關(guān)裝置以脈沖方式將激光光束峰值功率輸出控制在10～20kW,，這意味著激光在超高功率強(qiáng)度下將材料氣化,。根據(jù)所需表面加工質(zhì)量的不同，激光束對(duì)材料每次去除的厚度在1～5μm,，逐層加工,，同時(shí)借助于機(jī)床附帶的深度控制功能，可精確控制零件的加工深度,。 其成功的焦點(diǎn)在于其他加工技術(shù)無(wú)法比擬的激光光束,。激光光束能夠?qū)缀跛胁牧希绱阌蹭?、鋁,、黃銅、石墨,、陶瓷、硬質(zhì)合金,，以及高密度材料,，如多晶金剛石、立方氮化硼等各種先進(jìn)材料進(jìn)行精細(xì)雕刻加工,，并輕松實(shí)現(xiàn)最佳的表面加工質(zhì)量——多晶金剛石Ra=0.8μm,，硬質(zhì)合金Ra最高可達(dá)1.0μm，而且它沒(méi)有刀具磨損,，保證了加工過(guò)程的高度安全性,。 這些優(yōu)點(diǎn)不僅應(yīng)用于Lasertec40，而且還應(yīng)用在新推出的Lasertec40 S機(jī)床上,。新推出的激光加工機(jī)床特別為2D和3D模具部件進(jìn)行的精密加工和型腔制造而設(shè)計(jì),，這類(lèi)加工不僅能進(jìn)行精細(xì)激光雕刻，而且還能加工很小乃至于垂直的壁的精密模具加工,。新一代的Lasertec40通過(guò)帶高動(dòng)態(tài)反光鏡的精密掃描儀,，用于Z向定為以及深度調(diào)節(jié)的測(cè)量探頭，以及用于工件精確定位的高分辨率的CCD攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)激光束的控制,。由于采用了過(guò)程自動(dòng)調(diào)整裝置,，深處的表面加工精度很高，也可以對(duì)多個(gè)零件進(jìn)行無(wú)人操作加工,。除此之外,，新一代機(jī)床還可以運(yùn)用6軸技術(shù)以及可調(diào)節(jié)激光束，在2mm加工深度時(shí),，可對(duì)某些材料實(shí)現(xiàn)加工角度最大至90°的垂直壁加工(加工深度大于2mm時(shí)需加用CO2清潔裝置),。不僅如此,，通過(guò)優(yōu)化方式，加工面的表面粗糙度值可以達(dá)到Ra=0.6μm,。針對(duì)表面質(zhì)量的二極管激光器,表面粗糙度值Ra=0.6μm,，提高了尺寸精度、輪廓銳度和長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性(二極管的使用壽命可達(dá)10000h),，機(jī)床維護(hù)成本極低,。 LASERTEC40激光銑削加工機(jī)床特別適用于形狀極其復(fù)雜的精密模具的生產(chǎn)，具有無(wú)刀具費(fèi)用,、無(wú)電極加工,，無(wú)刀具損耗的優(yōu)點(diǎn)。以最短的通過(guò)時(shí)間,，實(shí)現(xiàn)最高的工藝穩(wěn)定性以及可重復(fù)性,，因而它具有比傳統(tǒng)加工優(yōu)越的高效、快速和成本低的特點(diǎn),。 DMG的系列激光加工中心LASERTEC40,、LASERTEC80和LASERTEC130PD，每個(gè)系列都有其獨(dú)到之處,，并適合于不同的加工領(lǐng)域,，尤其是在航空航天領(lǐng)域，發(fā)揮日益重要的作用,。 |
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