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打造孔加工技术的核心竞争力
作者:Derek Korn
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电火花EDM/线切割展厅
慢走丝线切割, 中走丝线切割, 线切割机床, 电火花成型机, 电解机床, ...
LAI公司利用各种非常规的加工工艺,可以在一系列难加工材料上加工出精确的孔。事实上,精密孔加工已经成为该公司特色业务之一。

LAI总部设在亚利桑那州,在美国拥有四个生产厂,LAI擅长运用高速电火花激光和水刀来加工航空航天和发电涡轮机部件的复杂异形冷却孔。这些组件通常是由镍铬合金、哈氏合金等棘手的高温合金制成,能承受涡轮发动机所产生的高温。

核心竞争力

LAI是航空航天、发电、国防、医疗和电子工业行业的精密部件和组件方面领先的制造商。公司于1979年在马里兰州成立,现在其东部工厂就在离此不远的威斯敏斯特。1994年,LAI在明尼苏达州的明尼阿波利斯建立了一个工厂,专门从事精密水刀加工。2007年,公司收购了缅因州士嘉堡的制造商Rich公司,这个公司拥有一系列常规和非常规加工能力,包括激光加工和高速电火花穿孔。该公司最近还合并了其两个西南地区的工厂建立了新的坦佩总部,提供激光和水刀加工。

LAI的三种非常规工艺分布在该公司的四家工厂。在孔加工方面,他们主要加工航空航天和陆基涡轮部件,如一级喷嘴、叶片、叶盘、隔热罩和叶翼,往往需要大量特殊几何形状的孔,以满足特定的流量要求。

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图1 LAI公司开发的水刀工艺可以执行离轴高精度孔加工及其他业务

由于具有多项非常规钻孔加工的专长,LAI能确定制孔作业的最佳工艺。而材料往往决定工艺的选择。

例如,高速放电加工钻孔可用于导电材料,但不能用于非导电材料或有热障涂层的材料,这些材料必须用激光或水刀来加工。被加工部件的设计功能也要考虑。有些组件要求孔的大小和间距有具体严格的公差。而在其他情况下,孔还是先进的冷却系统的一部分,从而整体流速分布比保持孔尺寸的精密可重复性更重要。

孔的表面光洁度常常比尺寸更重要,因为它有助于确保层流保持在整个冷却系统。对于这些应用,LAI公司已为打孔建立了一套“drill-to-flow”的工作方式,其中包括组件在加工中及加工后的流量台测试,以确保无论它们是用什么方法加工出来的,都将提供用户所指定的流量。

水刀打孔

虽然许多厂商使用加砂水刀用于附加工序的粗切削或准备工作,但LAI的水刀工艺却能够做精密孔加工及其他工作。其水刀加工的一个优点是,不会有激光加工所产生的热影响区。不像激光加工,需要后续精加工以除去部件上的再铸材料层。另外,它也能钻透相对厚的材料,与激光加工可以相媲美。

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图2 “drill-to-flow”打孔方式能够做出复杂孔的形状,以使该组件满足特定的流率要求

LAI在明尼阿波利斯水刀生产厂设有水射流研究开发中心。经过12年的努力,该中心已经开发出公司的“drill-to-flow”水刀工艺,做直径小至0.018in(1in=25.4mm)的高精度异形孔。战略市场和产品副总裁Darcy Dodge说,LAI采用的水刀设备一半是购置的,一半是自己研发的技术,后者拥有处于保密状态的知识产权。该技术用不同的研磨介质和喷射压力,并进行设备改造获得有效创造复杂孔所需要的运动、速度和编程类型。

LAI公司大部分的水刀设备提供五轴运动,在涡轮机和其他组件上打出斜孔。孔的角度为90°、25°~30°不等。有些机床有加工如涡轮叶片等圆形工件的旋转工作台,或6ft×20ft(1ft=304.8mm)的大容量床身,可以容纳多个组件进行长时间无人操作。水切割机床通常可以做到±0.001in的直径公差,这些都有赖于LAI的工艺技术和严格执行的预防性维护计划。

水切割加工同时要做的是流量测试(同样的还有激光和高速电火花加工钻孔)。在某些情况下,流量公差要求极高,以至于组件有可能在完工之前便因为流量测试不过关而被淘汰。公司使用每个组件一台验证主机校准流量工作台,以确保气压变化不会对工作台上的读数产生不利影响。在流量测试之前,所有的孔都要进行针规测量,以确保孔不被堵塞。此外,一些客户还要求对他们提出的孔的尺寸公差进行针规测量。

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图3 LAI公司用环钻、冲击钻和飞行钻激光技术加工一些要求高的孔

激光打孔

激光加工是在该公司在士嘉堡、坦佩和威斯敏斯特的工厂进行的。有些机床是5轴的,而另一些机床则结合倾斜头和回转工作台,可做6轴加工。公司有CO2和Nd:YAG激光器,虽然Nd:YAG激光器更常用于加工高温合金,因为他们提供高峰值脉冲功率,产生重铸层也较少,所以做钻小孔作业特别有效。它也有可能有效地把脉冲穿过热障涂层,因为其功率密度高,能迅速渗透涂层,同时防止开裂。

LAI公司用环钻、冲击钻和飞行钻的激光加工技术打孔。这些工艺钻的孔径范围为0.006~24in。环钻时工件保持静止,而激光束则移动生成一个圆形或其他形状的外围轮廓。与此相反,冲击钻从激光器发出一个或多个脉冲,而激光束和工件均保持静止。脉冲的数量取决于材料的类型和厚度,而打出的孔径与激光束的直径相同。

飞行钻是冲击钻的一个变型,激光脉冲从静止的激光器发出而工件则旋转或直线移动。当打每个孔需要多个脉冲时,激光的软件会同步工件与激光脉冲的移动,确保脉冲每次反复击中相同的位置。此工艺可以达到±0.001in的孔径精度。通过改变激光脉冲的能量、脉冲数或透镜的焦距,可以控制孔的尺寸和锥度,以满足该组件的要求。

飞行钻的成功是因为有了激光器的自动对焦控制(AFC)功能。该功能涉及“映射”工件表面,以确定工件待钻区域的实际形状。映射得到的数据用于数控以定位聚焦透镜,这样,在钻孔的过程中无论何种表面质量都能保持正确的激光束焦点位置。

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图4 用这些工艺能钻出直径范围为0.006~24in的孔

高速电火花打孔

士嘉堡工厂有七台高速6轴电火花打孔机。高速电火花打孔比传统的电火花加工有更快的钻孔速度,特别适用于高温合金和单晶合金,后者是LAI公司的一个重要客户为做单级喷嘴指定的材料。

高速电火花打孔使用由铜或黄铜做的空心电极。高速钻孔过程中,电极燃烧的同时以3000r/min的速度旋转,并且电介质是通过电极芯输送,能提供有效的冲洗。旋转也最大限度地减少了电极漂移,能钻弯曲或倾斜的表面。另外,钻孔深度达2in时还能精确地保持直径稳定。而常规的电火花成型机和数控加工中心钻孔时,由于电极或刀具不垂直于工件表面,通常都会发生偏转。

电火花钻孔的速度在很大程度上取决于所用电极的大小。孔的深度接近1~2in时钻孔的速度会减慢,因为深处的冲洗变得不那么有效。另外,也可以通过使用探测周期来计算电极的磨损和所去除的工件材料量,钻盲孔并锪到规定的深度。这些探测周期能确定达到规定深度所需用时。

四台机器配置在两个操作员照看的一个特定的加工单元里。这些机器的X、Y、Z行程分别为60in、30in、30in,这是很重要的,因为加工单元中运行的组件比其他类似的大。LAI公司还建立了自己的电火花导向器,使电极能进入喷嘴的深层区域。

这些机器还配备了24站换刀器,使用带有双位终端操纵器的FANUC LR伴侣机器人,可更换18个电极和6个导向器。该加工单元还具有离线电极试验区,操作员可以测试支架、导向器和电极组件,以确保电介质无障碍通过电极组件。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/14/2014)
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