激光加工屬于無(wú)接觸加工，并且高能量激光束的能量及其移動(dòng)速度均可調(diào)，因其高精度、高可控性、高效率等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種加工， 解決特種機(jī)械制造中的多項(xiàng)難題。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用鈦合金、高溫合金、不銹鋼及非金屬特種涂層等特種材料，這些材料具有高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)、高黏度及低導(dǎo)熱性特點(diǎn)，常規(guī)的機(jī)械加工較難加工，所以激光加工技術(shù)必然成為機(jī)械制造業(yè)明珠——航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的一項(xiàng)技術(shù)。

激光加工技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用包括激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面處理、激光增材制造等，其中激光切割占激光加工總產(chǎn)量的70%以上，是一項(xiàng)主要的激光工藝技術(shù)。激光切割加工技術(shù)是推動(dòng)以航空、航天飛行代表的運(yùn)動(dòng)載工具向高性能、輕量化、長(zhǎng)壽命、短周期、低成本等方向發(fā)展的關(guān)鍵制造技術(shù)。尤其在航空工業(yè)，激光切割加工技術(shù)極大地促進(jìn)了航空制造技術(shù)的跨越發(fā)展。

一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)從進(jìn)氣道到尾噴口的各個(gè)部件的上百種零件需激光切割。激光切割的應(yīng)用，解決了多項(xiàng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效加工、零件葉型孔高精度切割、特種表面零件加工等加工難題。激光切割技術(shù)應(yīng)用零件較多，本文以部分零件的制造技術(shù)介紹激光切割技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用。

 激光切割在零件制造中的應(yīng)用

（1）扇形葉型板型孔激光精密加工 首先，扇型塊是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)件，由內(nèi)到外分別由流道葉型板、大彎邊葉型板、葉片、T 型葉型板和上葉型板經(jīng)高溫真空釬焊而成。扇形塊焊接組合件示意如圖1所示。

圖1 扇形塊焊接組合件

葉片為軋制件，輪廓精度為0.05mm，前、后緣R0.12mm。為滿足釬焊對(duì)葉片與葉型板上的葉型孔裝配間隙0.05～0.1mm的要求和各型孔φ 0.08mm位置度要求，流道葉型板、大彎邊葉型板和上葉型板的葉型孔加工允許采用激光切割，重熔層厚度≤0.03mm。保證零件的輪廓度、位置度和重熔層要求是該零件的難點(diǎn)。流道葉型板零件如圖2所示。

圖2 流道葉型板零件示意

其次， 切割設(shè)備選用LASERDYNE-780型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為826mm×686mm×686mm。伺服系統(tǒng)為5坐標(biāo)6軸聯(lián)動(dòng)全飛行光路，可在行程范圍內(nèi)進(jìn)行任意位置和角度連續(xù)運(yùn)動(dòng)，可保證多個(gè)空間運(yùn)動(dòng)的定位精度0.013mm。設(shè)備配置了高倍率同軸的監(jiān)視器，定位精度達(dá)0.0025mm。該系統(tǒng)配置的激光器為J K704型YAG激光器，平均功率235W，峰值功率20kW，脈沖頻率1～200Hz，脈沖寬度0.3～10ms。YAG激光器的波長(zhǎng)為1.06μm，適合切割金屬材料。

采用高性能激光加工系統(tǒng)，保證了零件三維空間加工精度。選用600mm/mi n的切割速度、80Hz的脈沖頻率、0.4 ms的脈沖寬度、平均功率180W、JK704型YAG激光器特有的尖峰模式，產(chǎn)生的峰值功率可達(dá)10kW。高峰值功率、高切割速度和低平均功率保證了零件在激光切割過(guò)程中不產(chǎn)生溫升，零件無(wú)熱變形。結(jié)合高倍率同軸的監(jiān)視器的使用，從而保證了重熔層厚度<0.03mm的要求，加工后的葉型孔的輪廓精度和位置精度均<0.05mm，零件達(dá)到設(shè)計(jì)要求，已進(jìn)行批量生產(chǎn)。

（2）隔熱屏群孔激光精密切割 首先，隔熱屏呈錐形多環(huán)波，壁厚0.8~1.2mm，直徑和高度在1m左右，孔徑1~5mm，孔垂直于零件表面，數(shù)量2000~10萬(wàn)個(gè)不等。該類零件一般采用鈑金成形和焊接工藝制造，熱處理后，殘留較大的變形，變形不易消除。零件自由狀態(tài)下圓度偏差達(dá)到100mm、波高偏差約3mm，波距偏差約5mm。孔的加工是孔中心距波峰的位置精度±0.2mm。由于零件在自由狀態(tài)下偏差較大，孔的數(shù)量極多，一般的加工方法無(wú)法高效和質(zhì)量要求，所以需采用激光加工。要加工的孔徑>0.8mm，孔采用激光環(huán)切的方法加工。

在零件存在圓度大、波高、波距偏差的情況下保證孔位置度要求是該零件的難點(diǎn)。隔熱屏零件如圖3所示。

圖3 隔熱屏零件

其次，選用LASERDYNE-795型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為2 000mm×1 000mm×1000mm。伺服系統(tǒng)為五座標(biāo)六軸聯(lián)動(dòng)全飛行光路，有X、Y、Z三個(gè)直線軸，C、D兩個(gè)擺動(dòng)軸和高精度立式轉(zhuǎn)盤，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了孔垂直于零件表面的要求。該系統(tǒng)配置的激光器為CL50K型YAG激光器，平均功率200W，峰值功率50kW，極高的峰值功率保證了小孔的切割質(zhì)量。該設(shè)備有自動(dòng)聚焦、零件特征掃描、表面位置遠(yuǎn)程追蹤及追蹤方向設(shè)定等先進(jìn)功能，為較大偏差零件的高精度加工提供了技術(shù)條件。

通過(guò)零件特征掃描，測(cè)量出零件上多個(gè)波的每一波峰的實(shí)際位置，再用多功能加工程序運(yùn)算調(diào)整每一排的打孔位置，實(shí)現(xiàn)環(huán)狀波型件軸向高精度打孔。零件特征掃描如圖4所示。

圖4 零件特征掃描

零件上的孔是垂直于零件表面的，傳統(tǒng)的追蹤方法是沿著加工方向追蹤，會(huì)產(chǎn)生一定的高度偏差。利用定向追蹤表面技術(shù)，保證孔位置測(cè)量與加工的正確性。定向追蹤表面如圖5所示。通過(guò)應(yīng)用多個(gè)先進(jìn)功能保證了零件的要求，切孔完成的零件如圖6所示。

圖6 隔熱屏局部照片

（3）鈦合金化銑涂層激光切割 首先，航空發(fā)動(dòng)機(jī)為提高性能，常設(shè)計(jì)出有特殊要求的零件。如圖7機(jī)匣筒體，零件為鈦合金材料，筒體φ 1000mm，高600mm，壁厚1mm。在筒體上分部各種功能的安裝座及5mm厚的加強(qiáng)筋，達(dá)到1mm厚筒體的重量，4 mm筒體強(qiáng)度的性能。

圖7 機(jī)匣筒體形線展開(kāi)示意

該零件可以采用5mm厚的筒體用數(shù)控加工中心機(jī)械加工的方法制造，但存在鈦合金材料機(jī)械加工難度大、加工量大加工效率低、零件大而薄不易保證要求等多個(gè)問(wèn)題。采用化銑的加工方法可大幅度提高效率和質(zhì)量，降低成本。

機(jī)匣筒體化銑是將零件制造成5mm厚的筒體鈦合金筒體，在零件表面涂防腐涂層，按筋和安裝座的形狀高精度地刻出形線，將需銑削表面的涂層去除，將零件浸入化銑液中浸蝕，完成零件的加工。形線的精確高效刻型是化銑技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，只有激光切割可滿足要求。

其次，選用LASERDYNE-890型激光加工系統(tǒng)，X、Y、Z行程分別為2 400mm×1 800mm×900mm。伺服系統(tǒng)為5坐標(biāo)6軸聯(lián)動(dòng)全飛行光路。該系統(tǒng)配置的激光器為PRC3000型CO2激光器，最大功率3 000W。由于激光的波長(zhǎng)為10.6μm，是YAG激光器波長(zhǎng)的10倍，在常溫狀態(tài)下一般金屬的吸收率小于10%，在高溫下吸收率可達(dá)70%以上。所切割的金屬零件有明顯溫升，不適合加工<2mm的孔和零件的精密加工，可高效切割一般精度的零件。但對(duì)非金屬材料，該波長(zhǎng)的激光吸收率近100%。

采用LASERDYNE-890型激光加工系統(tǒng)對(duì)涂層進(jìn)行切割，達(dá)到了復(fù)雜形線的高精度、高效率切割。利用CO2激光波長(zhǎng)對(duì)金屬的高反光率和對(duì)非金屬的高吸收率的特性，通過(guò)功率參數(shù)控制，達(dá)到了只切割防護(hù)涂層，不燒傷鈦合金零件的目的?？绦秃蟮牧慵植空掌鐖D8所示。零件上的綠色不防護(hù)涂層，白線為散焦預(yù)刻線，目的是驗(yàn)證切割程序的正確性，白線中間的是激光切割線，該線已切透涂層，未切傷金屬零件。

圖8 刻型后的零件局部照片

 結(jié)語(yǔ)

（1）采用高性能激光加工系統(tǒng)，利用高倍率同軸的監(jiān)視器高精度定位與低平均功率、高峰值功率的YAG激光器特性，控制激光切割時(shí)激光對(duì)零件的熱影響，保證扇形葉型板型孔精度和重熔層要求，

（2）在無(wú)法用工裝限制加工的、自由狀態(tài)下易變形的筒形多環(huán)波隔熱屏群孔激光切割應(yīng)用中，利用設(shè)備的零件特征掃描、表面位置遠(yuǎn)程追蹤、追蹤方向設(shè)定等先進(jìn)功能對(duì)零件進(jìn)行掃描，通過(guò)編程自動(dòng)運(yùn)算，完成低精度零件高精度激光切割。

（3）在化銑技術(shù)應(yīng)用中，利用CO2激光器對(duì)金屬和非金屬反射率不同的特點(diǎn)，用先進(jìn)激光機(jī)完成復(fù)雜形線高精度切割，保證了激光將涂層切透，并不燒傷零件的要求。