三维模型下叶型孔激光自行走切割成形技术研究

■ 翟紫阳

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1. 概述

航空发动机中热端部件用材以高温合金和钛合金为主，由于零件结构复杂、部分零件位置可达性差，材料强度高、加工难度大，故采用普通加工工艺方法难以满足加工精度和质量要求，激光加工技术以高精度、高柔性、高效率等优点成为航空制造加工重要技术之一，广泛应用于零组件的切割、焊接、表面处理及增材制造等领域。

本文选取了某型发动机中排气组件内锥叶型孔加工作为研究对象，该零件为钣金组合焊接件，叶型孔切割质量要求高，后续组合间隙小。本着提高加工质量和效率的目的，选用UG加工平台探索三维数字模型下激光自行走切割成形加工技术。

2. 零件加工工艺性分析

（1）零件加工模型 某排气组件内锥位于组件内侧，通过四个支板与外壁焊接相连，零件均为薄壁钣金件，支板与内锥配合间隙小，排气组件及内锥模型如图1所示。由于叶型孔切割质量直接影响支板的配合度，所以设计图样中对叶型孔的形状尺寸和位置均有明确要求，如图2所示。型孔上下圆角需圆滑过渡，型孔中心距离基准线公差为±0.1mm，孔的位置度要求跳动＜0.15mm，轮廓度跳动要求＜0.3mm。

图1 某排气组件及内锥模型

图2 叶型孔尺寸及位置要求

（2）材料 排气组件位于发动机尾部，用以整流发动机尾部气流，部件工作温度较高，零组件均为GH3625材质，其中内锥壁厚为0.8mm。GH3625是Ni-Cr基固溶强化型变形高温合金，以铬、钼和铌为主要固溶强化元素，最高使用温度950℃。合金从低温到980℃均具有良好的抗拉强度和抗疲劳性能，且加工和焊接工艺性能良好，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能，多用于发动机机匣、导向叶片、安装边和筒体等零部件。GH3625多以热轧态交付，热轧板力学性能及化学成分如表1所示。

（3）工艺性分析 排气组件内锥为回转体钣金件，四条叶型孔均布于锥壁，设计图样对尺寸和位置均有要求，且切割后下一道工序为组合支板焊接，对切口质量也有较高要求。此前选用的电火花线切割工艺，切口质量差，尤其上下圆角处需二次修磨加工，装夹方式不合理，工装较难设计，且切割效率较低。选用激光切割工艺则有明显的技术优势，可将激光束聚焦成小光斑，光束直径＜φ0.1mm，借助机床和枪头的高柔性，采用支撑装夹的方式即可实现激光束的叶型孔轨迹行走。

借鉴先前的加工经验，加工工艺路线如下：切割程序编制→工艺试验摸索→工装、辅助材料准备→零件加工→计量→交库。工艺实施过程中重点是程序编制和工艺参数试验，程序必须考虑实际零件加工的特点，工艺试验要贴近正式件加工条件。工艺路线流程如图3所示。

（4）工装设计 排气组件内锥为旋压封闭回转结构，考虑用内撑的方式将其固定于旋转工作台，以便激光束枪头行走切割。激光切割机C轴旋转台三爪夹盘夹紧工装底部，内锥内撑于工装上，为保证切割时零件内外气压平衡，工装底部留有通气槽进行排气处理，如此实现零件的定位装夹，工装设计图及实物件如图4所示。

3. 加工程序编制及模拟

（1）激光加工设备 本次选用的激光切割设备配置有五轴三联动数控机床、有效功率可达300W的脉冲激光器、内外冷却控制系统以及终端控制计算机。其中机床移动精度≤0.001mm，激光束由激光器激发，通过旋转B轴光路穿射喷嘴而出。切割时需要氧气助燃，气体通道与光束同轴，也经由喷嘴吹向切割点，机床设备和喷嘴结构如图5所示。

激光束经光纤传输，通过滤光镜沿B轴中心线射向切割点，氧气由外接气瓶输入，经喷嘴内涵道与光束同轴射出，对已蒸发的材料提供助燃，提高切割效率。

图3 工艺路线流程

图4

表1 GH3625热轧板力学性能及化学成分

（2）UG加工程序编制 终端控制计算机内嵌UG加工软件，可在UG平台内构建加工模型，编制加工程序，传输至机床系统内进行零件切割。

本次加工对象为旋切内锥壁叶型孔，将零件模型建好后进入UG加工环境，先设置加工坐标系，然后添加刀具，将刀具半径设置为0.1mm来贴近激光束直径。随后创建加工工序，选择轮廓铣类型，工序子类型选择固定轮廓铣，选择先前创建的半径0.1mm刀具。进入固定轮廓铣设置窗口，选定本零件为加工部件，选定叶型孔边缘为加工曲线，选择+ZM轴为刀轴方向，进退刀类型选择线性/垂直于刀轴，确认完成加工程序设置。

激光束加工需要调整光束以确保焦点位于待加工点处，本次加工前调整光束，使焦点位于零件表面时喷嘴口距离零件5mm。在加工程序中将加工坐标系原点偏移+ZM方向5mm，确保光束焦点正好位于零件表面。

（3）试加工模拟 完成编制加工程序后，可在UG平台内试加工模拟，观察光束前进/后退路线，加工速度及轨迹是否合乎要求。本次加工激光束行走路线模拟如图6所示，光束行走轨迹符合要求，程序可用。

4. 零件试加工

图5

图6 试加工光束自行走模拟

表2 选取的切割参数

（1）工艺参数试验 正式切割前需要进行工艺参数试验，通过比较切割质量来确定最终的切割参数。切割试样选用0.8mm厚的GH3625板料进行切割，试验前确保氧气已接好、设备调试正常。

经比较切割飞溅、切口烧蚀程度、切口金属光泽等因素后，选取的切割参数如表2所示，最终确定的切割有效能量值约为1.85J。

（2）零件试切割 试件选取与正式件相同，完成工装、氧气及酒精等辅助材料准备后，采用确定的加工程序参数，即可进行试验件切割加工。先将内锥零件连同工装一起装夹到转台夹盘上，零件装夹位置如图7所示，启动机床设备回归找零。导入数控加工程序，因机床坐标系与模型加工坐标系有差异，需要进行G54零点偏置。设置完零点后，确认机床坐标系与加工坐标系一致，打开B轴扫描红光，先不开激光器空运行程序，检查红光扫描轨迹与叶型孔位置相符度。

检验完程序可行性后，打开激光光闸，开启氧气阀并保证气压值，设置各项工艺参数，打开吸尘系统，所有人员离开加工间，然后开始切割。

图7 零件装夹实物

（3）计量检验 内锥壁叶型孔完成切割后，计量检验内容主要包括检查叶型孔位置、切口质量以及叶型孔与支板配套间隙等。本次试加工零件切缝平整、有金属光泽，叶型孔高度符合图样要求，与支板配套间隙可用，零件尺寸合格，切缝实物如图8所示。

图8 叶型孔切缝

（4）金相检验 在激光切口的边缘，垂直于切割面的再固化金属会形成重熔层，该重熔层聚集了大量的微裂纹，是引起失效的主要源区之一。重熔层的厚度和重熔层中微裂纹的形态是反映切割质量重要指标。

对本次切割的试件进行金相检查，测得的重熔层最大厚度为32μm，满足技术条件中低于40μm的要求，重熔层中未有延伸到母材的微裂纹，切缝经表面吹砂或简单修磨即可去除重熔层，重熔层厚度及微裂纹形态如图9所示。

图9 重熔层厚度及微裂纹形态

5. 结语

（1）经工艺试验比对 壁厚0.8mm的GH3625板材激光切割，选用能量有效值为1.85J时，切割飞溅小，切口有金属光泽，金相检查符合要求，适于中等精度加工。

（2）借助UG平台 实现了三维数模下叶型孔激光自行走切割加工，编程中解决了坐标系转换的问题，最终加工程序合理、可行。

[1] 曹凤国. 激光加工[M].北京：化学工业出版社，2014.

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