激光加工异型孔的经验、教训及展望

作者：普瑞玛北美公司 Peter Thompson

欢迎访问e展厅 展厅 4 激光切割机展厅 激光切割机, 激光切割机床, 激光加工机, 激光打孔机, ... 当今涡轮发动机部件异型孔的激光加工成了最热门的主题，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，他们往往提出不同的异型孔的形状，但受制于技术、经验或是工业设备水平的限制，要想得到理想的孔形非常困难。 大家对加工异型孔很感兴趣的原因很简单：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了加工周期、降低了成本、减少了气体消耗。应用到实际上，就能提高发动机的效率，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，使用激光加工异型孔成为了热点。 型孔的使用很早就有资料记载，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的主要考虑是加工成本和灵活性。激光加工不仅快速而且更为灵活，如果综合考虑所有因素，激光加工也更节省成本。 激光加工技术与EDM加工技术 为了比较激光及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，如图2。 “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。如何设计扩散段的形状不在本文所述之列。多年来设计工程师已设计了多种不同形状的孔。衡量一个孔是否与其它孔不同，取决于孔的角度及其位置，形状各异的孔往往由这两个因素产生。 “直流段”指的是圆柱形部分，这部分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 英寸（0.25 毫米）至 0.035 英寸（0.89 毫米）之间。在使用LASERDYNE 激光打孔系统的客户那里，我们发现了一个有趣的现象，那就是加工的型孔直流段长度并没有完全按照标定要求，参考以下事例。 案例1： 在上世纪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，加工的也非常完美，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 公司的诺斯黑文工厂，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，并被推广至该公司其它几个加工厂，Dave Pepe 和Pratt & Whitney公司并将此工艺申请了专利，时至今日，这种工艺仍然还在使用。 案例2：在上世纪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需求帮助，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”，这是由于我们采用了“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。 案例3：Vickers公司的工艺获得成功后，人们开始尝试其它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 的加工方法，但是将激光的聚焦点往下移动了一点。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。 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。电极通常被加工成小圆柱、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。比较而言，激光打孔则不受隔热涂层的限制（图3）。 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 在这种方法下，第一个激光源可以有效的加工直流段，这个激光源需具有很高的脉冲能量（至45焦耳），脉冲频率200 Hz，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，即使使用老款的谐振腔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： ● 200 mm 焦距透镜； ● 1 毫秒脉冲宽度； ● 180 瓦的平均功率； ● 12 Hz 脉冲频率； ● 焦点直径为0.015 英寸（0.38 毫米），峰值功率1.25×107 瓦/平方厘米。 第二个激光源用来去除材料，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。 第一个限制则是：高功率激光加工直流段的效率非常高，一般仅需4个12 Hz的脉冲，但低功率激光加工扩散段则非常慢，材料去除效率相对较低。加工扩散段和直流段比较起来，扩散段的加工要慢很多。 而且这种加工的费用也相对较高，需要两台或三台设备来完成整个型孔加工过程。此外，当采用这种加工方式时，设备的占地空间、安装、电源等所有和加工成本相关的问题也需特别考虑。也可以考虑将激光器集成于统一加工设备中，这样会降低在两台设备间设置、装载加工件的时间成本，但设备的设计更为复杂，总的加工成本并没有改变多少。 一种更好的加工方法 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，这种设计的激光从上世纪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。 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—双核处理器解决方案 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。 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路径代码，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的编程，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。 结论 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。 普瑞玛北美公司的网址是：www.primapower.com。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/29/2012)