當(dāng)今渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件異型孔的激光加工成為了最熱門(mén)的主題，無(wú)論航空發(fā)動(dòng)機(jī)還是陸基渦輪機(jī)制造企業(yè)及其供應(yīng)商都對(duì)此領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大興趣昭淋，他們往往提出異型孔的形狀尿绕，但受制于技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)或是工業(yè)設(shè)備水平的限制楷象，要想得到理想形狀的孔非常困難其摘。

　　型孔早已在發(fā)動(dòng)機(jī)的熱段組件上有效使用多年。一些發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)商采用傳統(tǒng)的電火花技術(shù)(EDM)來(lái)加工這些孔烘俱，另一些采用激光技術(shù)均天，而選用其中某種加工技術(shù)主要考慮的是加工成本和靈活性。激光加工不僅快速而且更為靈活绘辈，綜合考慮所有因素昼钻，激光加工也更節(jié)省成本。

激光加工更快速
　　為了比較激光加工技術(shù)和電火花型孔加工技術(shù)封寞，我們先來(lái)了解一下用于描述型孔的兩個(gè)模型：擴(kuò)散段和直流段然评。擴(kuò)散段：可看作型孔的“形狀”部分仅财，位于型孔的出氣口處，用來(lái)噴射氣流碗淌，以在零件的表面形成一層氣膜;直流段：由直接穿孔或激光環(huán)切而成盏求。對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零部件而言，其孔直徑一般在0.010~0.035 in(1 in=25.4 mm)之間亿眠。參考以下案例碎罚，我們能夠了解到加工的型孔直流段長(zhǎng)度并沒(méi)有完全按照標(biāo)定要求。

　　在20 世紀(jì)90 年代初期纳像，Pratt & Whitney(P&W) 公司遇到了一個(gè)冷卻孔的問(wèn)題荆烈。冷卻孔采用激光加工是非常完美的，但在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用中卻碰到了氣流阻塞現(xiàn)象竟趾，且氣流使用效率非常低憔购。在P&W公司諾斯黑文工廠，一個(gè)由Dave Pepe 領(lǐng)導(dǎo)的小組開(kāi)發(fā)了一套雙重激光加工工藝回象，在零件表面處罚琅，沿初始冷卻孔角度擴(kuò)大了該孔的一小段直徑。盡管這種最初的“擴(kuò)散段”和后來(lái)的型孔設(shè)計(jì)有很大不同东呻，但大大降低了加工成本南谈，僅需在激光打孔設(shè)備上進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。這種工藝獲得了極大的成功草吠，并被推廣至普惠公司其他幾個(gè)加工廠国谬，時(shí)至今日，這種工藝仍在使用燎隅。

　　在20 世紀(jì)80 年代后期穴肄，英國(guó)的Vickers Precision 公司使用激光打孔機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電火花加工設(shè)備，用來(lái)加工指定形狀的型孔擴(kuò)散段和直流段量票。Vickers 公司找到普瑞瑪北美公司尋求幫助人度，普瑞瑪北美公司提供了一套LASERDYNE 780 BeamDirector 系統(tǒng)，并配備傳統(tǒng)的“諧振腔”Nd:YAG激光器来讯，其靈活的加工特性拉氧、簡(jiǎn)易的編程處理對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的成功起到了至關(guān)重要的作用。在這套設(shè)備上舶得，我們開(kāi)發(fā)了一套完整的激光打孔工藝掰烟，縮短了加工周期，降低了加工成本沐批。這種工藝的一個(gè)局限是要求孔必須“通視”纫骑，這是由于普瑞瑪采用了“諧振腔”式Nd:YAG 激光器并采用穿孔加工工藝的結(jié)果。盡管孔的形狀有所限制，但這種工藝仍然是非常成功的先馆，并一直沿用至今发框。

　　Vickers 公司的工藝獲得成功后，人們開(kāi)始嘗試其他各種形狀異型孔的加工煤墙。沙漏形型孔的加工出現(xiàn)了梅惯，這種加工技術(shù)參考了Vickers 公司的加工方法，但是將激光的聚焦焦點(diǎn)往下稍作移動(dòng)仿野。目前铣减，大多數(shù)的型孔均設(shè)計(jì)為沙漏形，在加工沙漏形型孔的時(shí)候脚作，孔的進(jìn)氣口和出氣口形狀一樣葫哗，直流段的長(zhǎng)度和位置受激光束各參數(shù)的影響(如:M2 或激光束質(zhì)量、聚焦錐角卓瞻、焦深等)笤吵。此外，由于在零件表面打孔的角度不同及零件外形輪廓的不同绳粮，同類(lèi)型孔表現(xiàn)出來(lái)各種不同形狀。在特定條件下岳扒，可以移動(dòng)焦點(diǎn)位置來(lái)改變沙漏形的斜率需天，加強(qiáng)孔的冷卻能力。由于諧振腔Nd:YAG 激光器常用于此類(lèi)工藝掘叫，直流段的直徑及孔的形狀均受到了一定限制猩禀。盡管如此，這種打孔工藝仍然非常有效洒屡，并且是電火花加工工藝所不能實(shí)現(xiàn)的躯橡。

電火花加工工藝及其局限
　　渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件型孔加工工藝并不僅限于上面所述的幾種，設(shè)計(jì)人員通常采用的另一種方法是：傳統(tǒng)的電火花加工設(shè)備配備特定形狀的電極查奉。電極通常被加工成圓柱廉屑、喇叭口形狀，將銅棒通過(guò)簡(jiǎn)單加工即可成形档玻，加工成本低怀泊。也可以同時(shí)采用多個(gè)電極(梳子狀)，用來(lái)同時(shí)加工多個(gè)孔误趴，盡管這種工藝提高了效率霹琼，但加工周期仍然很長(zhǎng)，并且由于每個(gè)孔的角度和位置不同凉当，加工起來(lái)非常困難枣申。電極梳中的單個(gè)電極需小心謹(jǐn)慎的安裝，并且容易損壞看杭，重復(fù)勞動(dòng)及電極廢件很高忠藤。

　　由于隔熱涂層(TBC)的廣泛應(yīng)用挟伙，電火花加工技術(shù)更加受到了限制。隔熱涂層成分復(fù)雜熄驼，大多不導(dǎo)電像寒，而電火花加工工藝要求零件必須導(dǎo)電。相比較而言瓜贾，激光打孔則不受隔熱涂層的限制会贝。

　　由于上述各種因素的制約，電火花打孔工藝已逐漸被激光打孔工藝所取代誊殊。

型孔加工技術(shù)伴隨著軟硬件的發(fā)展提高了速度跺鬼、精度和質(zhì)量

兩個(gè)激光源加工一個(gè)型孔
　　一種新的加工方法是兩個(gè)激光源共同加工一個(gè)型孔。在這種方法下鱼练，第一個(gè)激光源可以有效地加工直流段墩沸，這個(gè)激光源需具有很高的脈沖能量(至45 J)，脈沖頻率200 Hz响攘，并且需具有高的明亮度(光束質(zhì)量)址嘴。激光加工直流孔是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，即使使用舊設(shè)計(jì)的諧振腔Nd:YAG 激光器也可以很容易的實(shí)現(xiàn)千有。這種工藝的典型激光參數(shù)如下：焦距透鏡為200 mm ;脈沖寬度為1 ms ;平均功率為180 W ;脈沖頻率為12 Hz ;焦點(diǎn)直徑為0.015 in蚀弹，峰值功率為1.25×107 W/cm2。第二個(gè)激光源用來(lái)微去除材料胶向，加工擴(kuò)散段减叫。擴(kuò)散段的加工需要激光源具備更短的脈沖寬度、更低的平均功率裕坊、更高的頻率包竹，這些激光具備去除隔熱涂層及金屬材料的能力。

　　然而這種新的加工方法也是有限制的：高功率激光加工直流段的效率非常高籍凝，一般僅需4個(gè)12 Hz的脈沖周瞎，但低功率激光加工擴(kuò)散段則非常慢，材料去除效率相對(duì)較低饵蒂。加工擴(kuò)散段和直流段比較起來(lái)堰氓，擴(kuò)散段的加工要慢很多;而且這種加工的費(fèi)用也相對(duì)較高，需要兩臺(tái)或三臺(tái)設(shè)備來(lái)完成整個(gè)型孔加工過(guò)程;此外苹享，當(dāng)采用這種加工方式時(shí)双絮，設(shè)備的占地空間、安裝得问、電源等所有和加工成本相關(guān)的問(wèn)題也需特別考慮囤攀。也可以考慮將激光器集成于統(tǒng)一加工設(shè)備中，這樣會(huì)降低在兩臺(tái)設(shè)備間設(shè)置、裝載加工件的時(shí)間成本焚挠，但設(shè)備的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜膏萧，總的加工成本并沒(méi)有改變多少。

諧振腔可調(diào)激光系統(tǒng)
　　我們?cè)诂F(xiàn)有加工型孔直流段的激光參數(shù)基礎(chǔ)上挖毅，不禁要問(wèn)尤稍，為什么同一種激光不能加工擴(kuò)散段呢?激光的“諧振腔”設(shè)計(jì)回答了這個(gè)問(wèn)題，這種設(shè)計(jì)的激光從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域倡搞，盡管應(yīng)用很廣弓匪，但其參數(shù)是不可改變的。對(duì)型孔加工來(lái)講哥峡，“ 諧振腔”激光最大的問(wèn)題是不能輸出多種需要的激光參數(shù)盲拣。而CONVERGENT LASERS CL50k激光器克服了上述困難，為了滿足型孔加工要求惋蛉，CL50K 激光器加裝了ICT( 電動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部諧振腔鏡片組)和VSM( 可變光斑尺寸模塊)摘裕。這種激光器即可以提供加工直流段所需的高能量激光，也可以提供加工擴(kuò)散段所需的低能量激光鹅但。

運(yùn)動(dòng)控制采用雙核處理器
　　相對(duì)電火花型孔加工工藝拥耍，激光加工工藝面對(duì)的另一個(gè)問(wèn)題則是運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)激光加工型孔擴(kuò)散段過(guò)程的觀察协熙，我們不難發(fā)現(xiàn)激光頭的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜审拉。當(dāng)今設(shè)備的控制系統(tǒng)多采用雙核處理器，事實(shí)也證明雙核處理器可以完成復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算及機(jī)器代碼的處理跪另。

　　通過(guò)使用這種新型雙核處理器拧抖，工程師不必再編程計(jì)算和編寫(xiě)單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)聲明代碼煤搜，LASERDYNE CylPerf功能已展現(xiàn)了這種特性免绿。LASERDYNE CylPerf功能允許操作者針對(duì)圓柱形零件上孔的復(fù)雜特征分布進(jìn)行簡(jiǎn)單快速地編程，僅需描述一系列簡(jiǎn)單的幾何聲明擦盾，這些幾何聲明可由處理器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼嘲驾。型孔加工也是采用同樣的原理，操作者只需描述直流段的直徑和長(zhǎng)度迹卢、擴(kuò)散段的形狀特征辽故，處理器就會(huì)將其轉(zhuǎn)換成機(jī)器代碼并實(shí)施加工動(dòng)作。

　　型孔激光加工技術(shù)在過(guò)去已被證明是一種行之有效的方法腐碱，在將來(lái)會(huì)有更為廣泛的應(yīng)用誊垢。激光器設(shè)計(jì)及編程技術(shù)的發(fā)展使得激光系統(tǒng)變得更有吸引力，但仍需我們的工程師們投入更大的精力去研究和發(fā)展激光系統(tǒng)症见。

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