■ 翟紫陽

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1. 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱端部件用材以高溫合金和鈦合金為主，由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分零件位置可達(dá)性差，材料強(qiáng)度高、加工難度大，故采用普通加工工藝方法難以滿足加工精度和質(zhì)量要求，激光加工技術(shù)以高精度、高柔性、高效率等優(yōu)點(diǎn)成為航空制造加工重要技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于零組件的切割、焊接、表面處理及增材制造等領(lǐng)域。

本文選取了某型發(fā)動(dòng)機(jī)中排氣組件內(nèi)錐葉型孔加工作為研究對(duì)象，該零件為鈑金組合焊接件，葉型孔切割質(zhì)量要求高，后續(xù)組合間隙小。本著提高加工質(zhì)量和效率的目的，選用UG加工平臺(tái)探索三維數(shù)字模型下激光自行走切割成形加工技術(shù)。

2. 零件加工工藝性分析

（1）零件加工模型 某排氣組件內(nèi)錐位于組件內(nèi)側(cè)，通過四個(gè)支板與外壁焊接相連，零件均為薄壁鈑金件，支板與內(nèi)錐配合間隙小，排氣組件及內(nèi)錐模型如圖1所示。由于葉型孔切割質(zhì)量直接影響支板的配合度，所以設(shè)計(jì)圖樣中對(duì)葉型孔的形狀尺寸和位置均有明確要求，如圖2所示。型孔上下圓角需圓滑過渡，型孔中心距離基準(zhǔn)線公差為±0.1mm，孔的位置度要求跳動(dòng)＜0.15mm，輪廓度跳動(dòng)要求＜0.3mm。

圖1 某排氣組件及內(nèi)錐模型

圖2 葉型孔尺寸及位置要求

（2）材料 排氣組件位于發(fā)動(dòng)機(jī)尾部，用以整流發(fā)動(dòng)機(jī)尾部氣流，部件工作溫度較高，零組件均為GH3625材質(zhì)，其中內(nèi)錐壁厚為0.8mm。GH3625是Ni-Cr基固溶強(qiáng)化型變形高溫合金，以鉻、鉬和鈮為主要固溶強(qiáng)化元素，最高使用溫度950℃。合金從低溫到980℃均具有良好的抗拉強(qiáng)度和抗疲勞性能，且加工和焊接工藝性能良好，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，多用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、導(dǎo)向葉片、安裝邊和筒體等零部件。GH3625多以熱軋態(tài)交付，熱軋板力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1所示。

（3）工藝性分析 排氣組件內(nèi)錐為回轉(zhuǎn)體鈑金件，四條葉型孔均布于錐壁，設(shè)計(jì)圖樣對(duì)尺寸和位置均有要求，且切割后下一道工序?yàn)榻M合支板焊接，對(duì)切口質(zhì)量也有較高要求。此前選用的電火花線切割工藝，切口質(zhì)量差，尤其上下圓角處需二次修磨加工，裝夾方式不合理，工裝較難設(shè)計(jì)，且切割效率較低。選用激光切割工藝則有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，可將激光束聚焦成小光斑，光束直徑＜φ0.1mm，借助機(jī)床和槍頭的高柔性，采用支撐裝夾的方式即可實(shí)現(xiàn)激光束的葉型孔軌跡行走。

借鑒先前的加工經(jīng)驗(yàn)，加工工藝路線如下：切割程序編制→工藝試驗(yàn)摸索→工裝、輔助材料準(zhǔn)備→零件加工→計(jì)量→交庫。工藝實(shí)施過程中重點(diǎn)是程序編制和工藝參數(shù)試驗(yàn)，程序必須考慮實(shí)際零件加工的特點(diǎn)，工藝試驗(yàn)要貼近正式件加工條件。工藝路線流程如圖3所示。

（4）工裝設(shè)計(jì) 排氣組件內(nèi)錐為旋壓封閉回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，考慮用內(nèi)撐的方式將其固定于旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，以便激光束槍頭行走切割。激光切割機(jī)C軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)三爪夾盤夾緊工裝底部，內(nèi)錐內(nèi)撐于工裝上，為保證切割時(shí)零件內(nèi)外氣壓平衡，工裝底部留有通氣槽進(jìn)行排氣處理，如此實(shí)現(xiàn)零件的定位裝夾，工裝設(shè)計(jì)圖及實(shí)物件如圖4所示。

3. 加工程序編制及模擬

（1）激光加工設(shè)備 本次選用的激光切割設(shè)備配置有五軸三聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、有效功率可達(dá)300W的脈沖激光器、內(nèi)外冷卻控制系統(tǒng)以及終端控制計(jì)算機(jī)。其中機(jī)床移動(dòng)精度≤0.001mm，激光束由激光器激發(fā)，通過旋轉(zhuǎn)B軸光路穿射噴嘴而出。切割時(shí)需要氧氣助燃，氣體通道與光束同軸，也經(jīng)由噴嘴吹向切割點(diǎn)，機(jī)床設(shè)備和噴嘴結(jié)構(gòu)如圖5所示。

激光束經(jīng)光纖傳輸，通過濾光鏡沿B軸中心線射向切割點(diǎn)，氧氣由外接氣瓶輸入，經(jīng)噴嘴內(nèi)涵道與光束同軸射出，對(duì)已蒸發(fā)的材料提供助燃，提高切割效率。

圖3 工藝路線流程

圖4

表1 GH3625熱軋板力學(xué)性能及化學(xué)成分

（2）UG加工程序編制 終端控制計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌UG加工軟件，可在UG平臺(tái)內(nèi)構(gòu)建加工模型，編制加工程序，傳輸至機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行零件切割。

本次加工對(duì)象為旋切內(nèi)錐壁葉型孔，將零件模型建好后進(jìn)入U(xiǎn)G加工環(huán)境，先設(shè)置加工坐標(biāo)系，然后添加刀具，將刀具半徑設(shè)置為0.1mm來貼近激光束直徑。隨后創(chuàng)建加工工序，選擇輪廓銑類型，工序子類型選擇固定輪廓銑，選擇先前創(chuàng)建的半徑0.1mm刀具。進(jìn)入固定輪廓銑設(shè)置窗口，選定本零件為加工部件，選定葉型孔邊緣為加工曲線，選擇+ZM軸為刀軸方向，進(jìn)退刀類型選擇線性/垂直于刀軸，確認(rèn)完成加工程序設(shè)置。

激光束加工需要調(diào)整光束以確保焦點(diǎn)位于待加工點(diǎn)處，本次加工前調(diào)整光束，使焦點(diǎn)位于零件表面時(shí)噴嘴口距離零件5mm。在加工程序中將加工坐標(biāo)系原點(diǎn)偏移+ZM方向5mm，確保光束焦點(diǎn)正好位于零件表面。

（3）試加工模擬 完成編制加工程序后，可在UG平臺(tái)內(nèi)試加工模擬，觀察光束前進(jìn)/后退路線，加工速度及軌跡是否合乎要求。本次加工激光束行走路線模擬如圖6所示，光束行走軌跡符合要求，程序可用。

4. 零件試加工

圖5

圖6 試加工光束自行走模擬

表2 選取的切割參數(shù)

（1）工藝參數(shù)試驗(yàn) 正式切割前需要進(jìn)行工藝參數(shù)試驗(yàn)，通過比較切割質(zhì)量來確定最終的切割參數(shù)。切割試樣選用0.8mm厚的GH3625板料進(jìn)行切割，試驗(yàn)前確保氧氣已接好、設(shè)備調(diào)試正常。

經(jīng)比較切割飛濺、切口燒蝕程度、切口金屬光澤等因素后，選取的切割參數(shù)如表2所示，最終確定的切割有效能量值約為1.85J。

（2）零件試切割 試件選取與正式件相同，完成工裝、氧氣及酒精等輔助材料準(zhǔn)備后，采用確定的加工程序參數(shù)，即可進(jìn)行試驗(yàn)件切割加工。先將內(nèi)錐零件連同工裝一起裝夾到轉(zhuǎn)臺(tái)夾盤上，零件裝夾位置如圖7所示，啟動(dòng)機(jī)床設(shè)備回歸找零。導(dǎo)入數(shù)控加工程序，因機(jī)床坐標(biāo)系與模型加工坐標(biāo)系有差異，需要進(jìn)行G54零點(diǎn)偏置。設(shè)置完零點(diǎn)后，確認(rèn)機(jī)床坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系一致，打開B軸掃描紅光，先不開激光器空運(yùn)行程序，檢查紅光掃描軌跡與葉型孔位置相符度。

檢驗(yàn)完程序可行性后，打開激光光閘，開啟氧氣閥并保證氣壓值，設(shè)置各項(xiàng)工藝參數(shù)，打開吸塵系統(tǒng)，所有人員離開加工間，然后開始切割。

圖7 零件裝夾實(shí)物

（3）計(jì)量檢驗(yàn) 內(nèi)錐壁葉型孔完成切割后，計(jì)量檢驗(yàn)內(nèi)容主要包括檢查葉型孔位置、切口質(zhì)量以及葉型孔與支板配套間隙等。本次試加工零件切縫平整、有金屬光澤，葉型孔高度符合圖樣要求，與支板配套間隙可用，零件尺寸合格，切縫實(shí)物如圖8所示。

圖8 葉型孔切縫

（4）金相檢驗(yàn) 在激光切口的邊緣，垂直于切割面的再固化金屬會(huì)形成重熔層，該重熔層聚集了大量的微裂紋，是引起失效的主要源區(qū)之一。重熔層的厚度和重熔層中微裂紋的形態(tài)是反映切割質(zhì)量重要指標(biāo)。

對(duì)本次切割的試件進(jìn)行金相檢查，測得的重熔層最大厚度為32μm，滿足技術(shù)條件中低于40μm的要求，重熔層中未有延伸到母材的微裂紋，切縫經(jīng)表面吹砂或簡單修磨即可去除重熔層，重熔層厚度及微裂紋形態(tài)如圖9所示。

圖9 重熔層厚度及微裂紋形態(tài)

5. 結(jié)語

（1）經(jīng)工藝試驗(yàn)比對(duì) 壁厚0.8mm的GH3625板材激光切割，選用能量有效值為1.85J時(shí)，切割飛濺小，切口有金屬光澤，金相檢查符合要求，適于中等精度加工。

（2）借助UG平臺(tái) 實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)模下葉型孔激光自行走切割加工，編程中解決了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的問題，最終加工程序合理、可行。

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