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激光切割技术在航空发动机制造中的应用

2017/3/23    来源:互联网    作者:邱兆峰      
关键字:激光切割技术  航空发动机  
一台航空发动机从进气道到尾喷口的各个部件的上百种零件需激光切割,本文以扇形叶型板、隔热屏及化铣零件的激光切割为典型零件,从零件要求、选用设备、应用结果方面介绍了先进激光切割技术在航空发动机制造中的应用。

    1. 概述

    激光加工技术作为最先进的加工制造技术之一,具有高精度、高可控性、高效率等优点,可解决特种机械制造中的多项难题。由于航空发动机大量采用钛合金、高温合金、不锈钢及非金属特种涂层等特种材料,这些材料具有高硬度、高脆性、高熔点、高黏度及低导热性特点,常规的机械加工较难加工,所以激光加工技术必然成为机械制造业明珠——航空发动机制造的一项技术。

    激光加工技术在航空发动机制造中的应用包括激光焊接、激光切割、激光打孔、激光表面处理、激光增材制造等,其中激光切割占激光加工总产量的70%以上,是一项主要的激光工艺技术。激光切割加工技术是推动以航空、航天飞行代表的运动载工具向高性能、轻量化、长寿命、短周期、低成本等方向发展的关键制造技术。尤其在航空工业,激光切割加工技术极大地促进了航空制造技术的跨越发展。

    一台航空发动机从进气道到尾喷口的各个部件的上百种零件需激光切割。激光切割的应用,解决了多项航空发动机难加工材料的切割、大型薄壁件群孔高效加工、零件叶型孔高精度切割、特种表面零件加工等加工难题。激光切割技术应用零件较多,本文以部分零件的制造技术介绍激光切割技术在航空发动机制造中的应用。

    2. 激光切割在零件制造中的应用

    (1)扇形叶型板型孔激光精密加工 首先,扇型块是航空发动机的典型结构件,由内到外分别由流道叶型板、大弯边叶型板、叶片、T 型叶型板和上叶型板经高温真空钎焊而成。扇形块焊接组合件示意如图1所示。

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    图1 扇形块焊接组合件

    叶片为轧制件,轮廓精度为0.05mm,前、后缘R0.12mm。为满足钎焊对叶片与叶型板上的叶型孔装配间隙0.05~0.1mm的要求和各型孔φ 0.08mm位置度要求,流道叶型板、大弯边叶型板和上叶型板的叶型孔加工允许采用激光切割,重熔层厚度≤0.03mm。保证零件的轮廓度、位置度和重熔层要求是该零件的难点。流道叶型板零件如图2所示。

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    图2 流道叶型板零件示意 

    其次, 切割设备选用LASERDYNE-780型激光加工系统,X、Y、Z行程分别为826mm×686mm×686mm。伺服系统为5坐标6轴联动全飞行光路,可在行程范围内进行任意位置和角度连续运动,可保证多个空间运动的定位精度0.013mm。设备配置了高倍率同轴的监视器,定位精度达0.0025mm。该系统配置的激光器为J K704型YAG激光器,平均功率235W,峰值功率20kW,脉冲频率1~200Hz,脉冲宽度0.3~10ms。YAG激光器的波长为1.06μm,适合切割金属材料。

    采用高性能激光加工系统,保证了零件三维空间加工精度。选用600mm/mi n的切割速度、80Hz的脉冲频率、0.4 ms的脉冲宽度、平均功率180W、JK704型YAG激光器特有的尖峰模式,产生的峰值功率可达10kW。高峰值功率、高切割速度和低平均功率保证了零件在激光切割过程中不产生温升,零件无热变形。结合高倍率同轴的监视器的使用,从而保证了重熔层厚度<0.03mm的要求,加工后的叶型孔的轮廓精度和位置精度均<0.05mm,零件达到设计要求,已进行批量生产。

    (2)隔热屏群孔激光精密切割 首先,隔热屏呈锥形多环波,壁厚0.8~1.2mm,直径和高度在1m左右,孔径1~5mm,孔垂直于零件表面,数量2000~10万个不等。该类零件一般采用钣金成形和焊接工艺制造,热处理后,残留较大的变形,变形不易消除。零件自由状态下圆度偏差达到100mm、波高偏差约3mm,波距偏差约5mm。孔的加工是孔中心距波峰的位置精度±0.2mm。由于零件在自由状态下偏差较大,孔的数量极多,一般的加工方法无法高效和质量要求,所以需采用激光加工。要加工的孔径>0.8mm,孔采用激光环切的方法加工。

    在零件存在圆度大、波高、波距偏差的情况下保证孔位置度要求是该零件的难点。隔热屏零件如图3所示。

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    图3 隔热屏零件

责任编辑:张纯子
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