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DMG激光加工航空航天制造业的应用 |
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newmaker |
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在航空航天领域，激光加工发挥着极其重要的作用，并有望在未来替代很多现有的传统技术手段。
激光是20世纪的重大发明之一，自1960年问世后很快在现代科学技术各个领域发挥了独特的作用，随着对有关基本理论研究的不断深化，各类激光器件不断发展，从而使其应用领域也不断拓宽，应用规模逐渐扩大。如今激光技术已经在工业、农业、医学、军工、通讯和科学研究等领域得到了广泛的应用。
激光具有很多优异的光学特性，如高方向性、高亮度、高单色性以及高相干性等，在机械加工领域，激光已经可以完成如激光雕刻、切削、焊接、打孔、激光热处理（淬火）和激光测量等加工，已经占据了不可替代的地位。
激光加工 优势彰显
相比用传统加工手段，激光加工的效率明显提高，如对航空发动机叶片和燃烧室成千上万个形状各异的孔的3D加工，比传统EDM加工效率至少提高5～8倍；其次，激光加工成本很低，EDM加工需要电极的大量消耗，花费很多使用成本，而激光加工是非接触加工，无任何刀具、电极等费用；第三点，激光加工质量稳定性高、一致性好，EDM在加工时会有电极损耗，需要经常更换电极，由此会造成因更换电极造成的质量稳定性低，而激光加工是非接触式加工，激光稳定性高，从而全面保证加工质量；激光加工材料范围很广，激光除了可以加工航空高温合金、钛合金等金属材料外，也可以加工陶瓷、碳纤维，甚至玻璃等新型航空材料，弥补了传统工艺的不足；最后一点，激光可以用于加工微孔或微槽，某些零件的形状既小又复杂，即便是用最小的刀具也无法进行理想的加工，或者根本没有这么小的刀具，而采用激光加工，光斑直径可小至20μm，加工该尺寸的切缝或微孔。
尤其是对于技术发展迅猛的航空航天领域，激光加工发挥着极其重要的作用，并有望在未来替代很多现有的传统技术手段。在航空航天金属加工领域，主要采用激光进行加工的部分有：
（1）航空航天发动机的动叶片、静叶片表面冷却孔的加工；
（2）航空航天发动机的燃烧室、燃烧环、隔热屏等部件的异形孔的加工；
（3）航空航天电控部件的精密激光切割，对于厚度0.1mm的不锈钢薄板，可以加工20μm的切缝；
（4）航空航天密封环的表面激光铣削。
德马吉（以下简称DMG）在德国的Sauer工厂早在20世纪80年代就已经开始对激光成形加工技术进行研发，并取得了卓有成效的研制成果。其研制成功的5～7轴激光加工中心得到了机械加工行业的认可，并有幸被陈列在世界最大的综合性博物馆——德意志博物馆的机械馆最醒目的位置上，以记载DMG对激光应用技术所做出的杰出贡献。
DMG的激光加工设备属于激光精细加工类设备，加工工艺包括激光铣削、精细切割、焊接以及打孔等，但又不同于钣金生产用的大功率激光切割机，是以小尺寸零件的精密成形加工为主。
当今，许多技术领域中日益体现的微量加工技术以及组合加工趋势，为激光切削和激光钻孔加工提供了更广阔的空间。激光加工技术在DMG的历史由来已久，目前DMG的激光加工机床已扩展到了4个系列12种规格，加工能力也由最初的单纯成形加工——激光铣削加工，扩展到了今天的包括激光铣削雕刻、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系列以独特的三大工艺——3D激光加工、激光精密切削和精密钻孔，为不同材料开辟了新的加工方法。
如在航空航天工具和模具制造领域，通过激光铣削的运用，人们能够在技术元件上制造出精细且高质量的空腔和蚀刻，可以加工深度1～2μm的微槽和3D型面，可以加工表面质量达Ra=0.3μm的精细型腔。同样在该领域，激光精密切割工艺能够实现对薄型板材、管材以及3D工件的高动态激光精密切割，并达到最佳的切削质量(切缝小于20μm)。
无论要求如何，精密的加工、智能化的软件，再加上创新的外围设备，都能在获得最高的加工质量和最好的经济效益的同时，更享受最大的加工灵活性。这4个系列分别为LASERTEC20、LASERTEC40、LASERTEC80及 LASERTEC130PD。
LASERTEC 80 PowerDrill
激光强力打孔的突破性工艺
发动机叶片、燃烧室的冷却孔加工一直以来都是一个加工难点，其冷却孔数量多、孔径小，并且全都分布在叶片或燃烧室的3D曲面轮廓上，非常难于装卡和加工。目前使用的喷射发动机的气体温度可达2000℃左右，这个温度已经超过了发动机涡轮叶片和燃烧室材料的熔点，所以为了使发动机能长时间稳定的工作，这些部件必须得到足够的冷却，目前广泛使用的是边界层冷却法。
边界层冷却法是在叶片燃烧室表面打上数以千计的小孔来保证这些部件的表面被一层薄薄的冷却空气覆盖，冷却气体覆盖整个零件表面来隔绝外界温度，从而达到保护的作用，提高叶片燃烧室的使用寿命和发动家的技术性能。传统上这种冷却孔可以用EDM加工，但是激光加工有着无可比拟的优势，所以激光在此行业的应用日益广泛，发展迅猛。目前航空航天领域加工冷却孔主要是采用脉冲Nd:YAG激光器。
激光打孔主要有两种打孔方式：脉冲打孔和环切孔。脉冲打孔采用连续的激光脉冲加工孔，孔的直径可以通过调整能量大小获得不同的孔径。环切孔是用激光脉冲先在孔的中心位置打一个孔，然后激光束沿孔的圆周移动，或是工件旋转，加工出一个孔。环切孔主要用于直径大于1mm的孔的加工，孔的加工质量要优于脉冲打孔。
脉冲打孔是航空航天行业中很重要的加工技术，它大大缩短了零部件的打孔时间，效率很高。尤其是对于对称部件（如燃烧室）的加工，可以采用‘飞行打孔’的方式，进一步缩短加工时间，提高效率。飞行打孔时，激光的脉冲频率和工件的旋转频率同步，激光脉冲同步的以特定的排列方式加工出大量的冷却孔。这种加工方式适用于燃烧室等对称回转部件上要求不高的冷却孔的加工。
冷却孔的质量很重要，主要采用重铸层，氧化层，孔的圆度锥度等指标来衡量。重铸层和氧化层是冷却孔的最重要的两个技术指标，它们决定了该部件的适用寿命和稳定性。重铸层是指激光钻孔后，在孔壁上留下的一层薄薄的固态金属重熔层，这层薄薄的固态金属重熔层可以产生微裂纹，并直接蔓延到材料本体。氧化层是在孔壁上留下的一层金属氧化物，这层氧化物也会产生微裂纹，影响冷却孔的质量。
LASERTEC 130 PowerDrill
检验冷却孔的质量是否合格，除了检验孔的基本尺寸外，主要有两种办法：一种是检验孔的重铸层和氧化层厚度，是否超过了最大允许值，如劳斯莱斯航空公司和罗尔斯罗伊斯发动机公司；另一种，有的发动机公司检验通过冷却孔的气体流动性和气流分布来判断冷却孔的质量，如美国P&W公司。各个航空发动机公司针对自家的产品，采用不同的检验方法，有的采用多种检验方法，而且检验方法也在不断的改进。
针对冷却孔的加工，DMG公司主要提供LASERTEC 50/80/130 PowerDrill系列激光加工中心，用于不同规格尺寸的工件的加工，最大加工工件直径可达1300mm。以LASERTEC80PD为例，该机床加工精度高，定位精度高(Pmax.<10μm)，除了可进行基本的X/Y/Z 三轴加工外，还可配置第4轴或第5轴，极大地增强了机床的加工柔性，实现了最高的动态性能。
为了有效地提高加工效率，LASERTEC80 的X、Y 轴驱动采用了先进的直线电机驱动技术，使其移动速度高达120m/min，加速度1.2g，最大限度地缩短了加工节拍。所有移动轴都配有直接位移测量系统，高动态性能的扭矩电机，喷嘴间距自动调节装置以及操作简便的西门子控制系统。确保最佳的切削质量：激光束沿Z 轴方向行走，因此，形成的激光束具有短且连续的光学路径。
LASERTEC130PD是一种专门针对航空航天发动机以及大型汽轮机行业开发的高精度产品，如图5所示，适用于航空发动机大型燃烧室部件的切割打孔，可加工直径达1300mm的燃烧室部件，以及涡轮叶片冷却孔的加工，也可进行激光焊接。借助于不同功率的激光器，LASERTEC130PD孔加工最小直径可达0.010mm，最大零件厚度可至20mm；作为切割型，最大可加工零件厚度为10mm，最小切缝宽度为0.020mm。
为了有效地提高加工效率，LASERTEC130PD的X轴驱动采用了先进的直线电机驱动技术，使其快移速度高达100m/min，加速度0.5g，Y、Z轴快移速度高达60m/min，最大限度地缩短了加工节拍。这种直接驱动技术也应用到了第4轴、第5轴的回转轴驱动上，实现5轴激光切割和焊接和打孔。
该机型加工空间宽敞(1300mm /920mm /820mm)，多种叶片和燃烧室专用软件包帮助快速便捷的设定钻孔和切割程序；带转向轴和扭转电机的新型激光头；双倍的防撞保护功能；切割头和测量探头快速切换；机床的高动态性能以及高切削速度，使得高效飞行打孔成为可能。
全新的LASERTEC130PD 为大型汽轮机构件的钻孔加工开辟了新的方法。能够像加工工业用燃气轮机叶片一样快速且经济的加工燃烧室和辅助燃烧室中的大型旋转对称件。旋转轴和激光头中的两个高动态性能扭转电机，使得该机床能够在最短的加工时间内达到最高的加工精度。凭借机床的高动态性能以及高切削速度，能够实现钻环穿孔。借助于全新的燃烧室及其他类似零部件加工编程系统，能够快速简便的完成复杂的工件加工程序的制定。新型的防撞保护功能为工件在程序启动时提供最大的保护，并且为生产快速运转提供必需的稳定性。
LASERTEC 50/80/130 PowerDrill 系列激光加工机床均配有高精度Nd:YAG 激光器，功率范围100～500W，用于钻孔、切削和焊接,也可选用2000～3000W CO2激光器激光功率最高为50kW (脉冲功率)，用于厚度大于10mm的航空部件加工。另外配有CCD 摄像机用于快速定位，3D测量探头用于工件自动定位。
针对航空航天零部件的特点，DMG公司特别开发了针对此类部件加工的专用软件包，主要有：LASERSOFT PowerDrill打孔软件包、LASERSOFT Combustor燃烧室加工编程软件包、LASERSOFT PowerWeld焊接编程软件包、LASERSOFT Simulation模拟加工软件包。这些软件可以针对不同类型的部件，最快最方便的完成编程，充分发挥机床的技术性能。通过一体化的模拟软件，能够预先避免可能发生的碰撞危险。
激光与铣削技术完美融合
LASERTEC40是以15～100W的激光对零件表面进行细致入微的2D到3D铣削和雕琢，用于加工2D或3D曲面或型腔。激光束的直径为0.04mm或0.1mm，Q开关装置以脉冲方式将激光光束峰值功率输出控制在10～20kW，这意味着激光在超高功率强度下将材料气化。根据所需表面加工质量的不同，激光束对材料每次去除的厚度在1～5μm，逐层加工，同时借助于机床附带的深度控制功能，可精确控制零件的加工深度。
其成功的焦点在于其他加工技术无法比拟的激光光束。激光光束能够对几乎所有材料，如淬硬钢、铝、黄铜、石墨、陶瓷、硬质合金，以及高密度材料，如多晶金刚石、立方氮化硼等各种先进材料进行精细雕刻加工，并轻松实现最佳的表面加工质量——多晶金刚石Ra=0.8μm，硬质合金Ra最高可达1.0μm，而且它没有刀具磨损，保证了加工过程的高度安全性。
这些优点不仅应用于Lasertec40，而且还应用在新推出的Lasertec40 S机床上。新推出的激光加工机床特别为2D和3D模具部件进行的精密加工和型腔制造而设计，这类加工不仅能进行精细激光雕刻，而且还能加工很小乃至于垂直的壁的精密模具加工。新一代的Lasertec40通过带高动态反光镜的精密扫描仪，用于Z 向定为以及深度调节的测量探头，以及用于工件精确定位的高分辨率的CCD 摄像机来实现激光束的控制。由于采用了过程自动调整装置，深处的表面加工精度很高，也可以对多个零件进行无人操作加工。除此之外，新一代机床还可以运用6轴技术以及可调节激光束，在2mm加工深度时，可对某些材料实现加工角度最大至90°的垂直壁加工(加工深度大于2mm时需加用CO2清洁装置)。不仅如此，通过优化方式，加工面的表面粗糙度值可以达到Ra=0.6μm。针对表面质量的二极管激光器, 表面粗糙度值Ra=0.6μm，提高了尺寸精度、轮廓锐度和长时间的稳定性(二极管的使用寿命可达10000h)，机床维护成本极低。
LASERTEC40激光铣削加工机床特别适用于形状极其复杂的精密模具的生产，具有无刀具费用、无电极加工，无刀具损耗的优点。以最短的通过时间，实现最高的工艺稳定性以及可重复性，因而它具有比传统加工优越的高效、快速和成本低的特点。
DMG的系列激光加工中心LASERTEC40、LASERTEC80和LASERTEC130PD，每个系列都有其独到之处，并适合于不同的加工领域，尤其是在航空航天领域，发挥日益重要的作用。(end)
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(11/23/2012) |
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