■ 劉亞威/中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心

復(fù)合材料具有易發(fā)生分層、易受熱影響的特性，對(duì)以金屬為對(duì)象的傳統(tǒng)加工工藝技術(shù)體系提出了挑戰(zhàn)。GE航空集團(tuán)在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的陶瓷基復(fù)合材料罩環(huán)加工中采用了一種先進(jìn)的激光微射流技術(shù)，使得上述難題迎韌而解。該技術(shù)還適用于對(duì)碳纖維復(fù)合材料和金屬材料的切削與鉆孔，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工提供了新的解決方案。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速飛行器上的應(yīng)用正不斷擴(kuò)大，其高可靠性和高精度的加工，對(duì)于以金屬為對(duì)象的傳統(tǒng)加工工藝技術(shù)體系是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。CMC高硬度和易損傷的特性，導(dǎo)致加工速度緩慢、需要不斷更換刀具，會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生不良影響，無(wú)法滿足零件規(guī)格要求。激光技術(shù)作為一種解決方案，可提高加工效率并終結(jié)刀具的重復(fù)性成本，但激光產(chǎn)生的熱量會(huì)傳導(dǎo)到材料中，可能會(huì)產(chǎn)生微裂紋和材料變性；激光在光束的焦點(diǎn)處切削，還會(huì)導(dǎo)致V形切口影響公差的精確控制。由瑞士喜諾發(fā)（Synova）公司開(kāi)發(fā)的激光微射流技術(shù)為解決上述難題提供了解決方案。2017年，GE航空集團(tuán)在位于美國(guó)北卡羅來(lái)納州阿什維爾的CMC發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)廠部署了激光微射流技術(shù)，用于加工LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC罩環(huán)上的孔。生產(chǎn)驗(yàn)證過(guò)程表明，該技術(shù)既高效又有助于保持孔直徑的高精度，微射流可以在2min內(nèi)完成鉆孔，而傳統(tǒng)加工則要1h。

激光微射流加工金屬板

激光微射流加工技術(shù)原理及其優(yōu)勢(shì)

基于全內(nèi)反射原理，激光微射流技術(shù)可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有較低密度介質(zhì)的空氣—水界面處反射（其原理類(lèi)似于光纖），沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播，不會(huì)有能量穿過(guò)內(nèi)壁；水可用于冷卻切削區(qū)，并從切口洗去碎屑。與傳統(tǒng)激光器相比，該技術(shù)不會(huì)讓材料燃燒或發(fā)生熱退化，產(chǎn)生的毛刺更少可以使表面更光滑，還能夠?qū)崿F(xiàn)直邊切削和更高的精度。

阿什維爾CMC工廠生產(chǎn)兩種LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)零件

激光脈沖持續(xù)時(shí)間以納秒為單位，對(duì)于每個(gè)激光脈沖，產(chǎn)生的等離子體會(huì)向上推水，從而實(shí)現(xiàn)有效的燒蝕。在脈沖結(jié)束時(shí)，等離子體坍塌，由水射流清潔加工表面并消散熱量，水射流還消除了干式激光系統(tǒng)通常需要保持激光聚焦帶來(lái)的復(fù)雜性和工藝變化，這樣可以切割厚的或非平面的零件而不必?fù)?dān)心焦點(diǎn)問(wèn)題。

GE的CMC激光微射流加工工藝細(xì)節(jié)

系統(tǒng)及工藝

Synova公司的CMC激光微射流（LCS）系統(tǒng)中，激光束通過(guò)加壓水艙并聚焦到噴嘴中。激光器是工業(yè)常見(jiàn)的固態(tài)釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器，大約每秒脈沖為10000次，功率為10 ～200W，波長(zhǎng)為1064nm（紅外）、532nm或355nm。射流為過(guò)濾的去離子水，直徑為50 ～70μm，在20 ～65MPa的低壓下使用。

激光微射流原理

LCS機(jī)床

對(duì)于激光頭本身，光束必須以一定的角度接近邊界以反射而不是穿過(guò)它，水射流也必須高度穩(wěn)定且邊界一致，以防止光束逸出。Synova公司為如何使用由氣體封閉的液體射流來(lái)防止形成湍流的技術(shù)申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)際專(zhuān)利。由藍(lán)寶石或鉆石構(gòu)成的噴嘴較為耐用，具有特殊形狀可確保氣體和水適當(dāng)發(fā)生相互作用。在低壓下投射的純水、去離子水和過(guò)濾水包裹著光束，以限制水流不利影響帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

激光微射流系統(tǒng)噴嘴的直徑范圍為25 ～120μm，利用內(nèi)部連續(xù)反射光束的能量，水流本質(zhì)上成為一個(gè)完美的圓柱形葉片，在其軌跡中留下完美的直壁。在沒(méi)有引導(dǎo)水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源頭起開(kāi)始變窄，到特定點(diǎn)后聚焦，然后再次向外展開(kāi)。因此，必須嚴(yán)格控制切削深度和焦點(diǎn)位置，以避免切削中出現(xiàn)不必要的錐度，水的添加消除了這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)Synova公司提供的數(shù)據(jù)，在水射流及其內(nèi)部的激光開(kāi)始展開(kāi)之前，水射流可以投射到距離噴嘴直徑1000倍的距離（最大工作范圍為100mm）。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重復(fù)性以微米（μm）為單位。

雖然激光在原始速度和精度方面可以做到無(wú)懈可擊，但只有在一些特殊情況下才會(huì)讓它去直接熔化材料。通常，激光燒蝕的性質(zhì)阻止了它在工件上的使用，因?yàn)樵谇邢鲄^(qū)域周?chē)臒嵊绊憛^(qū)內(nèi)，可能會(huì)發(fā)生微裂紋、變形和其他條件的不利影響。在激光微射流系統(tǒng)中，圍繞光束的發(fā)絲般細(xì)的水流在激光脈沖之間的微秒間隙中吸收這種熱量。水射流不僅消除了切削區(qū)域的熱量，還帶走了燒蝕的廢料和任何其他可能作為碎屑黏附在工件上的污物，以獲得更清潔的切削結(jié)果，并且可能省略去毛刺和其他下游的操作。此外，水的消耗也很低，為2 ～3L/h，并且施加在材料上的力小于0.1N，是可以忽略的。

CMC零件加工流程

GE的CMC零件加工線的每臺(tái)機(jī)床都使用一個(gè)帶真空卡盤(pán)的3R接口，以便盡可能地使生產(chǎn)接近單件流。3R接口涉及一個(gè)工件夾具系統(tǒng)，可夾取多種不同的零件，實(shí)現(xiàn)快速安裝和高效生產(chǎn)。工件通過(guò)膠接固定到接口，由機(jī)器人夾取，逐一通過(guò)自動(dòng)化加工線站點(diǎn)，包括微射流加工機(jī)床，每站不需要額外的安裝工作。加工線的最后一步是無(wú)損檢測(cè)，使用計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描（CT）機(jī)。每個(gè)零件都要檢測(cè)，掃描時(shí)間是15min，完成時(shí)間是30min，包括數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。

日本牧野銑床株式會(huì)社（Makino）與Synova公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的激光微射流機(jī)床具備“工廠4.0”功能，激光功率計(jì)、定位傳感器和自動(dòng)射流角度校正集成在激光微射流系統(tǒng)中。該系統(tǒng)實(shí)際上非常靈活，可作為獨(dú)立系統(tǒng)集成到零件生產(chǎn)中，或作為全自動(dòng)生產(chǎn)線的一部分。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也是機(jī)床具備的重要特征，從工廠的每臺(tái)機(jī)床直到屋頂都鋪設(shè)有室內(nèi)以太網(wǎng)電纜，連接到工廠的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，稱(chēng)為“銀管網(wǎng)絡(luò)”。因此，加工指標(biāo)和CT掃描等在每個(gè)CMC零件的數(shù)字主線中都記錄下來(lái)，并用于分析以幫助技術(shù)人員優(yōu)化工藝，提速降本。

激光微射流加工技術(shù)應(yīng)用前景廣泛

碳纖維復(fù)合材料加工

激光微射流技術(shù)可以基于非常恒定的1mm3/min的消融率，快速切割2.54cm厚的CMC層壓板。除了CMC，該技術(shù)還特別適用于碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），可在2.6mm厚的CFRP層壓板上生成直徑為3mm的孔，速度高達(dá)1440mm/min。使用常規(guī)的激光器，因?yàn)闊崃勘仨毥档豌@削速度；常規(guī)的銑削雖可達(dá)到類(lèi)似的速度，但由于需要更換刀具，因此運(yùn)營(yíng)成本更高。

Synova公司于2018年推出了五軸CNC LCS 305系統(tǒng)，用于高精度3D切削，非常適合小型CMC零件，但不適合大型CFRP零件。為此，Synova公司又將其激光微射流系統(tǒng)集成到龍門(mén)機(jī)床中，能夠加工大于2m×3m的零件。該系統(tǒng)還很容易與機(jī)器人集成，易于編程，從而擴(kuò)大加工能力。對(duì)于平面切削，微射流軟件將CAD文件轉(zhuǎn)換為機(jī)床代碼，一經(jīng)驗(yàn)證，操作員只需按下一個(gè)按鈕，機(jī)床就會(huì)執(zhí)行切削程序。對(duì)于立體切削，后處理器將從CAD文件中提取必要的數(shù)據(jù)，并將其用于微射流軟件。

加工后的碳纖維復(fù)合材料層板

金屬加工

沒(méi)有錐度、沒(méi)有熱影響區(qū)、無(wú)材料沉積這3個(gè)優(yōu)點(diǎn)使激光微射流具有多功能性，可將幾乎任何材料切割成復(fù)雜的特征，這使得該工藝不僅可以替代干式激光切割，還可以替代許多其他工藝，甚至用于金屬加工。

Synova公司的LCS系列機(jī)床可以精密加工小型金屬，LCS 300的最大工作范圍為300mm×300mm，而Makino公司與Synova公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的五軸MCS 500工 作 范 圍 可 達(dá)500mm×400mm，MCS系列補(bǔ)充了Makino公司自己的銑削和電火花加工（EDM）產(chǎn)品線。Makino公司正在營(yíng)銷(xiāo)所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和Makino EDBV的電火花加工鉆孔機(jī)床，專(zhuān)門(mén)用于鉆削鑄造渦輪葉片中的冷卻孔和具有中空內(nèi)部的導(dǎo)向葉片部件，可使用戶能夠鉆出一個(gè)具有最佳成果的完整葉片，包括非視距孔的鉆孔。

這些渦輪葉片和導(dǎo)流葉片通常涂有陶瓷隔熱層，以幫助抵御高溫。但是，這些涂層不導(dǎo)電，而電火花加工僅適用于導(dǎo)電材料。因此，制造商通常在涂覆涂層之前對(duì)孔進(jìn)行電火花加工鉆孔。更麻煩的是，設(shè)計(jì)者越來(lái)越多地采用錐形、方形或其他非圓形開(kāi)口的擴(kuò)散器孔，這些開(kāi)口并不總是以外部擴(kuò)散器形狀為中心。僅使用電火花加工時(shí)，制造商通常選擇加工出大于規(guī)格的這些特征以預(yù)留出涂層的厚度，其中一些特征可能需要在之后手動(dòng)移除。具有在機(jī)床之間傳輸數(shù)據(jù)功能的自動(dòng)化混合加工單元簡(jiǎn)化了該過(guò)程。初始涂層滲透和擴(kuò)散器形狀的加工可以通過(guò)激光微射流進(jìn)行，同時(shí)將大部分孔留給電火花加工。

如果一個(gè)孔足夠淺，完全可用激光微射流加工整個(gè)幾何形狀，并且比電火花加工更快。然而，在一定深度，水流開(kāi)始分解，電火花加工變得更快并且是唯一選擇。EDBV機(jī)床還具有其他一些優(yōu)點(diǎn)，例如，它的發(fā)電機(jī)具有動(dòng)態(tài)反饋電路，感知管式電極的位置并根據(jù)需要增加進(jìn)給以使“空氣切削”最小化，特別是在高接合角度時(shí)。機(jī)床還可以感知電極何時(shí)在1s或0.1cm深度內(nèi)突破內(nèi)腔以保持速度，同時(shí)防止可能會(huì)擾亂氣流的電火花回?fù)?。Makino公司的專(zhuān)用彎曲導(dǎo)軌還有助于加工非視距渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)孔特征的功能。

因此，兩種工藝在這些應(yīng)用中都占有一席之地，并且由制造商決定哪種鉆孔最適合給定的工作。將兩者結(jié)合在一個(gè)單元中可以使兩個(gè)過(guò)程的工作負(fù)載平衡，從而將質(zhì)量和生產(chǎn)率提高到超出單個(gè)系統(tǒng)的水平。GE航空集團(tuán)已經(jīng)在利用激光微射流機(jī)床獨(dú)立切削CMC渦輪零件，如果這個(gè)案例具有示范效應(yīng)，那么其他制造商也可能將該技術(shù)部署到自己的加工機(jī)床資產(chǎn)組合中，作為其他工藝的補(bǔ)充和替代。這將大大增加激光微射流技術(shù)的應(yīng)用前景。

結(jié)束語(yǔ)

激光在航空制造中占有越來(lái)越重要的地位，激光微射流工藝的應(yīng)用進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)。激光微射流能夠提升陶瓷基復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的加工效率與成品質(zhì)量。由于層壓纖維結(jié)構(gòu)的存在，比起金屬切削或鉆孔中經(jīng)常存在的毛刺，加工這些復(fù)合材料的熱影響往往可能會(huì)造成更加復(fù)雜的分層和缺陷。在碳纖維-鈦合金疊層鉆孔方面，軌道加工已經(jīng)大面積應(yīng)用，在CMC和CFRP鉆孔方面，激光微射流也已登堂入室，相信隨著航空復(fù)合材料應(yīng)用的繼續(xù)擴(kuò)大，今后類(lèi)似的創(chuàng)新工藝還將不斷涌現(xiàn)以顛覆現(xiàn)有的以面向金屬加工為主開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)工藝。