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。

       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#p#分页标题#e#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。