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采用激光技术加工异型孔
作者:Peter Thompson    来源:MM现代制造
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当今涡轮发动机部件异型孔的激光加工成为了最热门的主题,无论航空发动机还是陆基涡轮机制造企业及其供应商都对此领域表现出了极大兴趣,他们往往提出异型孔的形状,但受制于技术、经验或是工业设备水平的限制,要想得到理想形状的孔非常困难。

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图1 型孔加工技术伴随着软硬件的发展提高了速度、精度和质量

大家对加工异型孔如此感兴趣是因为异型孔能对涡轮部件提供更好的冷却效果。良好的设计可以采用更少的孔达到更好的冷却效果。减少孔的数量意味着缩短加工周期、降低成本以及减少气体消耗,从而提高发动机的效率,降低发动机的成本。由于速度优势、灵活的加工方法及可加工覆盖隔热涂层(TCB)零件的能力,使用激光来加工异型孔成为热点(图1和图2)。

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图2 激光加工的型孔提供了更好的冷却效果

型孔早已在发动机的热段组件上有效使用多年。一些发动机部件生产商采用传统的电火花技术(EDM)来加工这些孔,另一些采用激光技术,而选用其中某种加工技术主要考虑的是加工成本和灵活性。激光加工不仅快速而且更为灵活,综合考虑所有因素,激光加工也更节省成本(图3)。

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图3 激光加工型孔技术完美解决了加工速度、灵活性及成本问题

激光加工更快速

为了比较激光加工技术和电火花型孔加工技术,我们先来了解一下用于描述型孔的两个模型:扩散段和直流段。扩散段:可看作型孔的“形状”部分,位于型孔的出气口处,用来喷射气流,以在零件的表面形成一层气膜;直流段:由直接穿孔或激光环切而成。对涡轮发动机零部件而言,其孔直径一般在 0.010~0.035in(1in=25.4mm)之间。参考以下案例,我们能够了解到加工的型孔直流段长度并没有完全按照标定要求。

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在20世纪90年代初期,Pratt & Whitney(P&W)公司遇到了一个冷却孔的问题。冷却孔采用激光加工是非常完美的,但在发动机实际使用中却碰到了气流阻塞现象,且气流使用效率非常低。在P&W公司诺斯黑文工厂,一个由Dave Pepe领导的小组开发了一套双重激光加工工艺,在零件表面处,沿初始冷却孔角度扩大了该孔的一小段直径。尽管这种最初的“扩散段”和后来的型孔设计有很大不同,但大大降低了加工成本,仅需在激光打孔设备上进行简单的操作。这种工艺获得了极大的成功,并被推广至普惠公司其他几个加工厂,时至今日,这种工艺仍在使用。

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在20世纪80年代后期,英国的Vickers Precision 公司使用激光打孔机代替传统的电火花加工设备,用来加工指定形状的型孔扩散段和直流段。Vickers公司找到普瑞玛北美公司寻求帮助,普瑞玛北美公司提供了一套LASERDYNE 780 BeamDirector系统,并配备传统的“谐振腔”Nd:YAG激光器,其灵活的加工特性、简易的编程处理对这个项目的成功起到了至关重要的作用。在这套设备上,我们开发了一套完整的激光打孔工艺,缩短了加工周期,降低了加工成本。这种工艺的一个局限是要求孔必须“通视”,这是由于普瑞玛采用了“谐振腔”式Nd:YAG激光器并采用穿孔加工工艺的结果。尽管孔的形状有所限制,但这种工艺仍然是非常成功的,并一直沿用至今。

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Vickers公司的工艺获得成功后,人们开始尝试其他各种形状异型孔的加工。沙漏形型孔的加工出现了,这种加工技术参考了Vickers公司的加工方法,但是将激光的聚焦焦点往下稍作移动。目前,大多数的型孔均设计为沙漏形,在加工沙漏形型孔的时候,孔的进气口和出气口形状一样,直流段的长度和位置受激光束各参数的影响(如:M2或激光束质量、聚焦锥角、焦深等)。此外,由于在零件表面打孔的角度不同及零件外形轮廓的不同,同类型孔表现出来各种不同形状。在特定条件下,可以移动焦点位置来改变沙漏形的斜率,加强孔的冷却能力。由于谐振腔Nd:YAG激光器常用于此类工艺,直流段的直径及孔的形状均受到了一定限制。尽管如此,这种打孔工艺仍然非常有效,并且是电火花加工工艺所不能实现的(图4)。

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图4 隔热涂层零件可以激光打孔,电火花则不能

电火花加工工艺及其局限

涡轮发动机部件型孔加工工艺并不仅限于上面所述的几种,设计人员通常采用的另一种方法是:传统的电火花加工设备配备特定形状的电极。电极通常被加工成圆柱、喇叭口形状,将铜棒通过简单加工即可成形,加工成本低。也可以同时采用多个电极(梳子状),用来同时加工多个孔,尽管这种工艺提高了效率,但加工周期仍然很长,并且由于每个孔的角度和位置不同,加工起来非常困难。电极梳中的单个电极需小心谨慎的安装,并且容易损坏,重复劳动及电极废件很高。

由于隔热涂层(TBC)的广泛应用,电火花加工技术更加受到了限制。隔热涂层成分复杂,大多不导电,而电火花加工工艺要求零件必须导电。相比较而言,激光打孔则不受隔热涂层的限制。(图5和图6)

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图5 高功率激光加工直流段

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图6 低功率激光加工扩散段

由于上述各种因素的制约,电火花打孔工艺已逐渐被激光打孔工艺所取代。

两个激光源加工同一个型孔

一种新的加工方法是两个激光源共同加工一个型孔。在这种方法下,第一个激光源可以有效地加工直流段,这个激光源需具有很高的脉冲能量(至45J),脉冲频率200Hz,并且需具有高的明亮度(光束质量)。激光加工直流孔是一项非常成熟的技术,即使使用旧设计的谐振腔Nd:YAG激光器也可以很容易的实现。这种工艺的典型激光参数如下:焦距透镜为200mm;脉冲宽度为1ms;平均功率为180W;脉冲频率为12Hz;焦点直径为0.015in,峰值功率为1.25×107W/cm2。第二个激光源用来微去除材料,加工扩散段。扩散段的加工需要激光源具备更短的脉冲宽度、更低的平均功率、更高的频率,这些激光具备去除隔热涂层及金属材料的能力。其参数和用于打标用途的激光参数很接近,我们可以借鉴激光打标系统的设计,然而激光打标设备虽然表现出了一定的扩散段加工能力,但进一步的研究会发现其功能有限。

谐振腔可调激光系统

我们在现有加工型孔直流段的激光参数基础上,不禁要问,为什么同一种激光不能加工扩散段呢?激光的“谐振腔”设计回答了这个问题,这种设计的激光从20世纪70年代开始应用于工业领域,尽管应用很广,但其参数是不可改变的。对型孔加工来讲,“谐振腔”激光最大的问题是不能输出多种需要的激光参数。而CONVERGENT LASERS CL50k激光器克服了上述困难,为了满足型孔加工要求,CL50K激光器加装了ICT(电动调节内部谐振腔镜片组)和VSM(可变光斑尺寸模块)。这种激光器即可以提供加工直流段所需的高能量激光,也可以提供加工扩散段所需的低能量激光。

运动控制采用双核处理器

相对电火花型孔加工工艺,激光加工工艺面对的另一个问题则是运动控制。通过对激光加工型孔扩散段过程的观察,我们不难发现激光头的运动非常复杂。当今设备的控制系统多采用双核处理器,事实也证明双核处理器可以完成复杂的数据运算及机器代码的处理。

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通过使用这种新型双核处理器,工程师不必再编程计算和编写单独的运动声明代码,LASERDYNE CylPerf功能已展现了这种特性。LASERDYNE CylPerf功能允许操作者针对圆柱形零件上孔的复杂特征分布进行简单快速地编程,仅需描述一系列简单的几何声明,这些几何声明可由处理器实时转换成机器代码。型孔加工也是采用同样的原理,操作者只需描述直流段的直径和长度、扩散段的形状特征,处理器就会将其转换成机器代码并实施加工动作。

型孔激光加工技术在过去已被证明是一种行之有效的方法,在将来会有更为广泛的应用。激光器设计及编程技术的发展使得激光系统变得更有吸引力,但仍需我们的工程师们投入更大的精力去研究和发展激光系统。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/17/2012)
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