三維模型下葉型孔激光自行走切割成形技術研究

■ 翟紫陽

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1. 概述

航空發動機中熱端部件用材以高溫合金和鈦合金為主，由于零件結構復雜、部分零件位置可達性差，材料強度高、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量要求，激光加工技術以高精度、高柔性、高效率等優點成為航空制造加工重要技術之一，廣泛應用于零組件的切割、焊接、表面處理及增材制造等領域。

本文選取了某型發動機中排氣組件內錐葉型孔加工作為研究對象，該零件為鈑金組合焊接件，葉型孔切割質量要求高，后續組合間隙小。本著提高加工質量和效率的目的，選用UG加工平臺探索三維數字模型下激光自行走切割成形加工技術。

2. 零件加工工藝性分析

（1）零件加工模型 某排氣組件內錐位于組件內側，通過四個支板與外壁焊接相連，零件均為薄壁鈑金件，支板與內錐配合間隙小，排氣組件及內錐模型如圖1所示。由于葉型孔切割質量直接影響支板的配合度，所以設計圖樣中對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，型孔中心距離基準線公差為±0.1mm，孔的位置度要求跳動＜0.15mm，輪廓度跳動要求＜0.3mm。

圖1 某排氣組件及內錐模型

圖2 葉型孔尺寸及位置要求

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

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

借鑒先前的加工經驗，加工工藝路線如下：切割程序編制→工藝試驗摸索→工裝、輔助材料準備→零件加工→計量→交庫。工藝實施過程中重點是程序編制和工藝參數試驗，程序必須考慮實際零件加工的特點，工藝試驗要貼近正式件加工條件。工藝路線流程如圖3所示。

（4）工裝設計 排氣組件內錐為旋壓封閉回轉結構，考慮用內撐的方式將其固定于旋轉工作臺，以便激光束槍頭行走切割。激光切割機C軸旋轉臺三爪夾盤夾緊工裝底部，內錐內撐于工裝上，為保證切割時零件內外氣壓平衡，工裝底部留有通氣槽進行排氣處理，如此實現零件的定位裝夾，工裝設計圖及實物件如圖4所示。

3. 加工程序編制及模擬

（1）激光加工設備 本次選用的激光切割設備配置有五軸三聯動數控機床、有效功率可達300W的脈沖激光器、內外冷卻控制系統以及終端控制計算機。其中機床移動精度≤0.001mm，激光束由激光器激發，通過旋轉B軸光路穿射噴嘴而出。切割時需要氧氣助燃，氣體通道與光束同軸，也經由噴嘴吹向切割點，機床設備和噴嘴結構如圖5所示。

激光束經光纖傳輸，通過濾光鏡沿B軸中心線射向切割點，氧氣由外接氣瓶輸入，經噴嘴內涵道與光束同軸射出，對已蒸發的材料提供助燃，提高切割效率。

圖3 工藝路線流程

圖4

表1 GH3625熱軋板力學性能及化學成分

（2）UG加工程序編制 終端控制計算機內嵌UG加工軟件，可在UG平臺內構建加工模型，編制加工程序，傳輸至機床系統內進行零件切割。

本次加工對象為旋切內錐壁葉型孔，將零件模型建好后進入UG加工環境，先設置加工坐標系，然后添加刀具，將刀具半徑設置為0.1mm來貼近激光束直徑。隨后創建加工工序，選擇輪廓銑類型，工序子類型選擇固定輪廓銑，選擇先前創建的半徑0.1mm刀具。進入固定輪廓銑設置窗口，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，進退刀類型選擇線性/垂直于刀軸，確認完成加工程序設置。

激光束加工需要調整光束以確保焦點位于待加工點處，本次加工前調整光束，使焦點位于零件表面時噴嘴口距離零件5mm。在加工程序中將加工坐標系原點偏移+ZM方向5mm，確保光束焦點正好位于零件表面。

（3）試加工模擬 完成編制加工程序后，可在UG平臺內試加工模擬，觀察光束前進/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

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

經比較切割飛濺、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備后，采用確定的加工程序參數，即可進行試驗件切割加工。先將內錐零件連同工裝一起裝夾到轉臺夾盤上，零件裝夾位置如圖7所示，啟動機床設備回歸找零。導入數控加工程序，因機床坐標系與模型加工坐標系有差異，需要進行G54零點偏置。設置完零點后，確認機床坐標系與加工坐標系一致，打開B軸掃描紅光，先不開激光器空運行程序，檢查紅光掃描軌跡與葉型孔位置相符度。

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

圖7 零件裝夾實物

（3）計量檢驗 內錐壁葉型孔完成切割后，計量檢驗內容主要包括檢查葉型孔位置、切口質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，切縫實物如圖8所示。

圖8 葉型孔切縫

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

對本次切割的試件進行金相檢查，測得的重熔層最大厚度為32μm，滿足技術條件中低于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如圖9所示。

圖9 重熔層厚度及微裂紋形態

5. 結語

（1）經工藝試驗比對 壁厚0.8mm的GH3625板材激光切割，選用能量有效值為1.85J時，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 實現了三維數模下葉型孔激光自行走切割加工，編程中解決了坐標系轉換的問題，最終加工程序合理、可行。

[1] 曹鳳國. 激光加工[M].北京：化學工業出版社，2014.

[2] 彭玉海，趙晉平等.LY鋁合金激光切割質量優化方法[J].應用激光，2016，（2）：205-210.

[3] 毛加成，馮愛新. 超聲場下工藝參數對納秒激光成孔質量的影響[J]. 應用激光，2016，（2）：193-198.