在航空航天領域，激光加工發(fā)揮著極其重要的作用，并有望在未來替代很多現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術手段。

    激光是20世紀的重大發(fā)明之一，自1960年問世后很快在現(xiàn)代科學技術各個領域發(fā)揮了獨特的作用，隨著對有關基本理論研究的不斷深化，各類激光器件不斷發(fā)展，從而使其應用領域也不斷拓寬，應用規(guī)模逐漸擴大。如今激光技術已經在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、軍工、通訊和科學研究等領域得到了廣泛的應用。

    激光具有很多優(yōu)異的光學特性，如高方向性、高亮度、高單色性以及高相干性等，在機械加工領域，激光已經可以完成如激光雕刻、切削、焊接、打孔、激光熱處理（淬火）和激光測量等加工，已經占據了不可替代的地位。

    激光加工 優(yōu)勢彰顯

    相比用傳統(tǒng)加工手段，激光加工的效率明顯提高，如對航空發(fā)動機葉片和燃燒室成千上萬個形狀各異的孔的3D加工，比傳統(tǒng)EDM加工效率至少提高5～8倍；其次，激光加工成本很低，EDM加工需要電極的大量消耗，花費很多使用成本，而激光加工是非接觸加工，無任何刀具、電極等費用；第三點，激光加工質量穩(wěn)定性高、一致性好，EDM在加工時會有電極損耗，需要經常更換電極，由此會造成因更換電極造成的質量穩(wěn)定性低，而激光加工是非接觸式加工，激光穩(wěn)定性高，從而全面保證加工質量；激光加工材料范圍很廣，激光除了可以加工航空高溫合金、鈦合金等金屬材料外，也可以加工陶瓷、碳纖維，甚至玻璃等新型航空材料，彌補了傳統(tǒng)工藝的不足；最后一點，激光可以用于加工微孔或微槽，某些零件的形狀既小又復雜，即便是用最小的刀具也無法進行理想的加工，或者根本沒有這么小的刀具，而采用激光加工，光斑直徑可小至20μm，加工該尺寸的切縫或微孔。

    尤其是對于技術發(fā)展迅猛的航空航天領域，激光加工發(fā)揮著極其重要的作用，并有望在未來替代很多現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術手段。在航空航天金屬加工領域，主要采用激光進行加工的部分有：

  （1）航空航天發(fā)動機的動葉片、靜葉片表面冷卻孔的加工；
    （2）航空航天發(fā)動機的燃燒室、燃燒環(huán)、隔熱屏等部件的異形孔的加工；
    （3）航空航天電控部件的精密激光切割，對于厚度0.1mm的不銹鋼薄板，可以加工20μm的切縫；
    （4）航空航天密封環(huán)的表面激光銑削。

    德馬吉（以下簡稱DMG）在德國的Sauer工廠早在20世紀80年代就已經開始對激光成形加工技術進行研發(fā)，并取得了卓有成效的研制成果。其研制成功的5～7軸激光加工中心得到了機械加工行業(yè)的認可，并有幸被陳列在世界最大的綜合性博物館——德意志博物館的機械館最醒目的位置上，以記載DMG對激光應用技術所做出的杰出貢獻。

    DMG的激光加工設備屬于激光精細加工類設備，加工工藝包括激光銑削、精細切割、焊接以及打孔等，但又不同于鈑金生產用的大功率激光切割機，是以小尺寸零件的精密成形加工為主。

    當今，許多技術領域中日益體現(xiàn)的微量加工技術以及組合加工趨勢，為激光切削和激光鉆孔加工提供了更廣闊的空間。激光加工技術在DMG的歷史由來已久，目前DMG的激光加工機床已擴展到了4個系列12種規(guī)格，加工能力也由最初的單純成形加工——激光銑削加工，擴展到了今天的包括激光銑削雕刻、激光打孔、激光焊接和激光切割等多功能激光加工中心。其LASERTEC系列以獨特的三大工藝——3D激光加工、激光精密切削和精密鉆孔，為不同材料開辟了新的加工方法。

    如在航空航天工具和模具制造領域，通過激光銑削的運用，人們能夠在技術元件上制造出精細且高質量的空腔和蝕刻，可以加工深度1～2μm的微槽和3D型面，可以加工表面質量達Ra=0.3μm的精細型腔。同樣在該領域，激光精密切割工藝能夠實現(xiàn)對薄型板材、管材以及3D工件的高動態(tài)激光精密切割，并達到最佳的切削質量(切縫小于20μm)。

    無論要求如何，精密的加工、智能化的軟件，再加上創(chuàng)新的外圍設備，都能在獲得最高的加工質量和最好的經濟效益的同時，更享受最大的加工靈活性。這4個系列分別為LASERTEC20、LASERTEC40、LASERTEC80及 LASERTEC130PD。

    激光強力打孔的突破性工藝

    發(fā)動機葉片、燃燒室的冷卻孔加工一直以來都是一個加工難點，其冷卻孔數(shù)量多、孔徑小，并且全都分布在葉片或燃燒室的3D曲面輪廓上，非常難于裝卡和加工。目前使用的噴射發(fā)動機的氣體溫度可達2000℃左右，這個溫度已經超過了發(fā)動機渦輪葉片和燃燒室材料的熔點，所以為了使發(fā)動機能長時間穩(wěn)定的工作，這些部件必須得到足夠的冷卻，目前廣泛使用的是邊界層冷卻法。

    邊界層冷卻法是在葉片燃燒室表面打上數(shù)以千計的小孔來保證這些部件的表面被一層薄薄的冷卻空氣覆蓋，冷卻氣體覆蓋整個零件表面來隔絕外界溫度，從而達到保護的作用，提高葉片燃燒室的使用壽命和發(fā)動家的技術性能。傳統(tǒng)上這種冷卻孔可以用EDM加工，但是激光加工有著無可比擬的優(yōu)勢，所以激光在此行業(yè)的應用日益廣泛，發(fā)展迅猛。目前航空航天領域加工冷卻孔主要是采用脈沖Nd:YAG激光器。

    激光打孔主要有兩種打孔方式：脈沖打孔和環(huán)切孔。脈沖打孔采用連續(xù)的激光脈沖加工孔，孔的直徑可以通過調整能量大小獲得不同的孔徑。環(huán)切孔是用激光脈沖先在孔的中心位置打一個孔，然后激光束沿孔的圓周移動，或是工件旋轉，加工出一個孔。環(huán)切孔主要用于直徑大于1mm的孔的加工，孔的加工質量要優(yōu)于脈沖打孔。

    脈沖打孔是航空航天行業(yè)中很重要的加工技術，它大大縮短了零部件的打孔時間，效率很高。尤其是對于對稱部件（如燃燒室）的加工，可以采用‘飛行打孔’的方式，進一步縮短加工時間，提高效率。飛行打孔時，激光的脈沖頻率和工件的旋轉頻率同步，激光脈沖同步的以特定的排列方式加工出大量的冷卻孔。這種加工方式適用于燃燒室等對稱回轉部件上要求不高的冷卻孔的加工。

    冷卻孔的質量很重要，主要采用重鑄層，氧化層，孔的圓度錐度等指標來衡量。重鑄層和氧化層是冷卻孔的最重要的兩個技術指標，它們決定了該部件的適用壽命和穩(wěn)定性。重鑄層是指激光鉆孔后，在孔壁上留下的一層薄薄的固態(tài)金屬重熔層，這層薄薄的固態(tài)金屬重熔層可以產生微裂紋，并直接蔓延到材料本體。氧化層是在孔壁上留下的一層金屬氧化物，這層氧化物也會產生微裂紋，影響冷卻孔的質量。

    檢驗冷卻孔的質量是否合格，除了檢驗孔的基本尺寸外，主要有兩種辦法：一種是檢驗孔的重鑄層和氧化層厚度，是否超過了最大允許值，如勞斯萊斯航空公司和羅爾斯羅伊斯發(fā)動機公司；另一種，有的發(fā)動機公司檢驗通過冷卻孔的氣體流動性和氣流分布來判斷冷卻孔的質量，如美國P&W公司。各個航空發(fā)動機公司針對自家的產品，采用不同的檢驗方法，有的采用多種檢驗方法，而且檢驗方法也在不斷的改進。

    針對冷卻孔的加工，DMG公司主要提供LASERTEC 50/80/130 PowerDrill系列激光加工中心，用于不同規(guī)格尺寸的工件的加工，最大加工工件直徑可達1300mm。以LASERTEC80PD為例，該機床加工精度高，定位精度高(Pmax.<10μm)，除了可進行基本的X/Y/Z三軸加工外，還可配置第4軸或第5軸，極大地增強了機床的加工柔性，實現(xiàn)了最高的動態(tài)性能。

    為了有效地提高加工效率，LASERTEC80的X、Y軸驅動采用了先進的直線電機驅動技術，使其移動速度高達120m/min，加速度1.2g，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。所有移動軸都配有直接位移測量系統(tǒng)，高動態(tài)性能的扭矩電機，噴嘴間距自動調節(jié)裝置以及操作簡便的西門子控制系統(tǒng)。確保最佳的切削質量：激光束沿Z軸方向行走，因此，形成的激光束具有短且連續(xù)的光學路徑。

    LASERTEC130PD是一種專門針對航空航天發(fā)動機以及大型汽輪機行業(yè)開發(fā)的高精度產品，如圖5所示，適用于航空發(fā)動機大型燃燒室部件的切割打孔，可加工直徑達1300mm的燃燒室部件，以及渦輪葉片冷卻孔的加工，也可進行激光焊接。借助于不同功率的激光器，LASERTEC130PD孔加工最小直徑可達0.010mm，最大零件厚度可至20mm；作為切割型，最大可加工零件厚度為10mm，最小切縫寬度為0.020mm。

    為了有效地提高加工效率，LASERTEC130PD的X軸驅動采用了先進的直線電機驅動技術，使其快移速度高達100m/min，加速度0.5g，Y、Z軸快移速度高達60m/min，最大限度地縮短了加工節(jié)拍。這種直接驅動技術也應用到了第4軸、第5軸的回轉軸驅動上，實現(xiàn)5軸激光切割和焊接和打孔。

    該機型加工空間寬敞(1300mm/920mm/820mm)，多種葉片和燃燒室專用軟件包幫助快速便捷的設定鉆孔和切割程序；帶轉向軸和扭轉電機的新型激光頭；雙倍的防撞保護功能；切割頭和測量探頭快速切換；機床的高動態(tài)性能以及高切削速度，使得高效飛行打孔成為可能。

    全新的LASERTEC130PD為大型汽輪機構件的鉆孔加工開辟了新的方法。能夠像加工工業(yè)用燃氣輪機葉片一樣快速且經濟的加工燃燒室和輔助燃燒室中的大型旋轉對稱件。旋轉軸和激光頭中的兩個高動態(tài)性能扭轉電機，使得該機床能夠在最短的加工時間內達到最高的加工精度。憑借機床的高動態(tài)性能以及高切削速度，能夠實現(xiàn)鉆環(huán)穿孔。借助于全新的燃燒室及其他類似零部件加工編程系統(tǒng)，能夠快速簡便的完成復雜的工件加工程序的制定。新型的防撞保護功能為工件在程序啟動時提供最大的保護，并且為生產快速運轉提供必需的穩(wěn)定性。

    LASERTEC50/80/130PowerDrill系列激光加工機床均配有高精度Nd:YAG激光器，功率范圍100～500W，用于鉆孔、切削和焊接,也可選用2000～3000W CO2激光器激光功率最高為50kW(脈沖功率)，用于厚度大于10mm的航空部件加工。另外配有CCD攝像機用于快速定位，3D測量探頭用于工件自動定位。

    針對航空航天零部件的特點，DMG公司特別開發(fā)了針對此類部件加工的專用軟件包，主要有：LASERSOFT PowerDrill打孔軟件包、LASERSOFT Combustor燃燒室加工編程軟件包、LASERSOFT PowerWeld焊接編程軟件包、LASERSOFT Simulation模擬加工軟件包。這些軟件可以針對不同類型的部件，最快最方便的完成編程，充分發(fā)揮機床的技術性能。通過一體化的模擬軟件，能夠預先避免可能發(fā)生的碰撞危險。

    激光與銑削技術完美融合

    LASERTEC40是以15～100W的激光對零件表面進行細致入微的2D到3D銑削和雕琢，用于加工2D或3D曲面或型腔。激光束的直徑為0.04mm或0.1mm，Q開關裝置以脈沖方式將激光光束峰值功率輸出控制在10～20kW，這意味著激光在超高功率強度下將材料氣化。根據所需表面加工質量的不同，激光束對材料每次去除的厚度在1～5μm，逐層加工，同時借助于機床附帶的深度控制功能，可精確控制零件的加工深度。

    其成功的焦點在于其他加工技術無法比擬的激光光束。激光光束能夠對幾乎所有材料，如淬硬鋼、鋁、黃銅、石墨、陶瓷、硬質合金，以及高密度材料，如多晶金剛石、立方氮化硼等各種先進材料進行精細雕刻加工，并輕松實現(xiàn)最佳的表面加工質量——多晶金剛石Ra=0.8μm，硬質合金Ra最高可達1.0μm，而且它沒有刀具磨損，保證了加工過程的高度安全性。

    這些優(yōu)點不僅應用于Lasertec40，而且還應用在新推出的Lasertec40 S機床上。新推出的激光加工機床特別為2D和3D模具部件進行的精密加工和型腔制造而設計，這類加工不僅能進行精細激光雕刻，而且還能加工很小乃至于垂直的壁的精密模具加工。新一代的Lasertec40通過帶高動態(tài)反光鏡的精密掃描儀，用于Z向定為以及深度調節(jié)的測量探頭，以及用于工件精確定位的高分辨率的CCD攝像機來實現(xiàn)激光束的控制。由于采用了過程自動調整裝置，深處的表面加工精度很高，也可以對多個零件進行無人操作加工。除此之外，新一代機床還可以運用6軸技術以及可調節(jié)激光束，在2mm加工深度時，可對某些材料實現(xiàn)加工角度最大至90°的垂直壁加工(加工深度大于2mm時需加用CO2清潔裝置)。不僅如此，通過優(yōu)化方式，加工面的表面粗糙度值可以達到Ra=0.6μm。針對表面質量的二極管激光器,表面粗糙度值Ra=0.6μm，提高了尺寸精度、輪廓銳度和長時間的穩(wěn)定性(二極管的使用壽命可達10000h)，機床維護成本極低。

    LASERTEC40激光銑削加工機床特別適用于形狀極其復雜的精密模具的生產，具有無刀具費用、無電極加工，無刀具損耗的優(yōu)點。以最短的通過時間，實現(xiàn)最高的工藝穩(wěn)定性以及可重復性，因而它具有比傳統(tǒng)加工優(yōu)越的高效、快速和成本低的特點。

    DMG的系列激光加工中心LASERTEC40、LASERTEC80和LASERTEC130PD，每個系列都有其獨到之處，并適合于不同的加工領域，尤其是在航空航天領域，發(fā)揮日益重要的作用。