激光切割加工叶型孔工艺研究.pdf

制造技术研究 2015 年 6 月第 3 期
激光切割加工叶型孔工艺研究
宋凡 丁殿强
北京航天三发高科技有限公司,北京 100074
摘要:以激光切割技术加工航天涡扇发动机内外壳体叶型孔为背景,通过对补偿方式、拐
角烧伤、锥度控制以及切口质量等工艺问题设计实验,得到较优的工艺方法及工艺参数,利用
此工艺实现了叶型孔尺寸精度和切口质量的双重控制,且叶型孔的加工成功率高,在后续与叶
型钎焊工序中焊接质量好。
关键词:激光切割;叶型孔;尺寸精度;切口质量
1 引言
机匣类零件 大多是由内 外壳体与叶 片钎焊构成
的,内外壳体零件上大量叶型孔需要加工后与叶片钎
焊。某静子机匣零件的结构特点如图 1所示,其叶型
孔的结构特点和主要尺寸如图 2所示。
图 2 静子机匣叶型孔典型结构及主要尺寸要求
叶型孔的传统加工方法采用冲刺法、数控冲压法
以及线切割加工。冲刺法存在叶型孔前后缘处互换性
图 1 静子机匣结构图
作者简介:宋凡1978-,工程师,机械设计与制造专业;研究方向:发动机制
造技术。
收稿日期:2015-03-30
38 制造技术研究 制造技术研究 2 015 年 航天制造技术 6 月第 3 期
差的缺陷; 数控冲压法则存在最小冲压曲率半径难以率如不随之调整,此处的能量输入必然增加,加之拐
满足现代发动机叶片需求以及冲头易磨损的缺陷;线角处散热较差,且此处冷却效果不理想,从而导致拐
激光切割加工叶型孔工艺研究
切割则存 在 重铸层厚 度 难以控制 , 加工效率 低 的缺角处出现烧蚀。设备具备种称为光滑作用的功
陷。而激光切割因其精度高、速度快的优点,正在逐
能,采用命令语句G86设定光滑作用的个数和拐
渐得到广泛运用。
角直径最大误差值,使设备根据降低后的切割速度自
宋凡 丁殿强
叶型孔在技 术指标上要 满足线轮廓 度不大于
动调整设备功率主要是调整激光频率使二者达到
北京航天三发高科技有限公司,北京 100074
0.03mm以及重铸层不大于 0.03mm的要求。通过实验
协调致,最终选择的值为:G86N35D0.01。
来研究激光切割加工叶型孔的工艺,并实现叶型孔的
3.1.3 锥度控制实验
摘要:以激光切割技术加工航天涡扇发动机内外壳体叶型孔为背景,通过对补偿方式、拐
尺寸精度和切口质量的双重控制。
角烧伤、锥度控制以及切口质量等工艺问题设计实验,锥度控制取决于两个因素, 得到较优的工艺方法及工艺参数,是透镜本身焦深是 利用
此工艺实现了叶型孔尺寸精度和切口质量的双重控制,否满足要求,设备配有 且叶型孔的加工成功率高, 127mm和 200mm在后续与两种透镜叶,
2 实验材料及设备
型钎焊工序中焊接质量好。 焦深分别为 8mm左右和 15mm左右,均满足切割厚
关键词:激光切割;叶型孔;尺寸精度;切口质量度要求。通过理论分析和对比实验, 发现透镜焦距越
实验设备采用 CNC激光加工单元,该设备配有 5
小,光斑能量密度越高,切口质量越好,所以我们选
轴加 工机床 和 P50 型激 光器, 激光 器平 均功率 为
择 127mm透镜;二是偏焦量f的选择,所谓偏
250W 。实验 材 料牌号 及 厚度选 用 分别为 :
焦量是工件表面与透镜焦平面的距离,焦平面在工件
表面上方的f为正,否则为负。偏焦量不但影响锥
度,而且影响零件表面的光斑功率密度,对切口质量
3 实验方法及结果分析
有明显影响。选择合适偏焦量的前提在于准确测量透
镜焦距。常用的几种测焦方法包括:打印法、斜板法、
3.1 尺寸精度实验
蓝色火化法等。实验采用打印法:选取块标准试块
3.1.1 补偿方式和补偿量
1mm厚不锈钢板,从理论焦距5mm起始,喷
激光切割中常用的补偿方式有变量补偿、公式补
嘴到平板距离以 0.5mm为间隔逐渐提升打点,选取孔
偿、刀具补偿。变量补偿在程序中最容易实施,但难
径最小孔,此时喷嘴到平板距离即为焦距。实验过程
以保证复杂型面的致性。公式补偿适用于对零件变
中应逐步减少移动范围和移动间隔,直至找出满意焦
形进行补偿,不适用于叶型孔加工。因此采用刀具补
距为止。找准焦距之后,需进步确定偏焦量即焦
偿方式。
点位置,切口锥度与焦点位置之间关系见图 4,可以
为了选择合适的补偿量,在程序中设定 9个补偿
看出对于 2mm以内薄板切割焦点位置选择相对宽松,
量,在试片上次完成切割,选取满足装配间隙要求
1 引言
最终焦点位置确定以喷嘴距离零件表面距离在切口
的补偿量记录下来,此即完成了初次补偿量选择;然
质量控制实验中确定为准。
后以此补 偿 量为基础 在 实验件上 进 行微调实 验 确定
机匣类零件 大多是由内 外壳体与叶 片钎焊构成
3.2 切口质量控制实验
最终补偿量,补偿量实验试片见图 3。
的,内外壳体零件上大量叶型孔需要加工后与叶片钎
焊。某静子机匣零件的结构特点如图 1所示,其叶型
孔的结构特点和主要尺寸如图 2所示。
图 3 叶型孔补偿量实验试片严示意图
图 2 静子机匣叶型孔典型结构及主要尺寸要求
最佳焦点位置,量mm
3.1.2 拐角烧伤问题解决
图 4 切口锥度与焦点位置关系示意图
叶型孔的传统加工方法采用冲刺法、数控冲压法
拐角烧伤的 控制主要在 于拐角处切 割速度与激
以及线切割加工。冲刺法存在叶型孔前后缘处互换性
图 1 静子机匣结构图
光功率之间的匹配。由于电机本身加速度限制,导致
影响激光切 割切口质量 因素众多, 包括透镜焦
拐角处切割速度难以达到非拐角处切割速度,激光功
作者简介:宋凡1978-,工程师,机械设计与制造专业;研究方向:发动机制
距、辅助气体种类、压力、喷嘴距零件表面距离、
造技术。
收稿日期:2015-03-30
切割厚度,量mm 制造技术研究 制造技术研究 制造技术研究 2 2 0 01 15 5 年 年 航天制造技术 6 6 月第 月第 3 3 期 期
激光参数差的缺陷; 焦耳能量、数控冲压法则存在最小冲压曲率半径难以脉冲频率、脉冲宽度、光束直率如不随之调整, 表此处的能量输入必然增加, 2 L934实验表 加之拐
列号
满足现代发动机叶片需求以及冲头易磨损的缺陷; 径等 、切割速度等。透镜焦距和辅助气体种类对切线角处散热较差,且此处冷却效果不理想,从而导致拐
激光切割加工叶型孔行号 工艺 1 研究 2 3 4
口质量的影响, 切割则存 在 重铸层厚采用简单对比实验法确认, 度 难以控制 , 加工效率实验发现 低 的缺角处出现烧蚀。设备具备种称为光滑作用的功
水平
陷。而激光切割因其精度高、速度快的优点,正在逐
在其它因素不变的前提下,透镜焦距越小切口质量越能,采用命令语句G86设定光滑作用的个数和拐
渐得到广泛运用。
好;氩气作为辅助气体表面重铸层最小。最终选定使角直径最大误差值,使设备根据降低后的切割速度自
宋凡 丁殿强
叶型孔在技 术指标上要 满足线轮廓 度不大于
用 127mm透镜,综合考虑切割效率以及切口毛刺和动调整设备功率主要是调整激光频率使二者达到
北京航天三发高科技有限公司,北京 10