１．引言 

　　在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室成形以及產(chǎn)品連接、導(dǎo)管制造中，鈑金件起到了關(guān)鍵作用。航天產(chǎn)品鈑金件與普通鈑金件相比具有品種多、外形復(fù)雜、光潔度高、公差要求嚴(yán)等特點(diǎn)。而鈑金件成型之前．首先要解決的是鈑金件的外形展開加工。鈑金件外形展開加工通常采用以下方法：畫線銑削、線切割、等離子切割、氧乙炔火焰切割、模具沖壓、高壓水切割和CO2激光切割。每種切割下料方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。精度、速度和成本均不同。在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。選用一種最便捷適應(yīng)廣的加工方法是目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鈑金零件制造所面臨的任務(wù)。 

２．典型鈑金零件工藝方案的選擇 

　　2．1鈑金件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

　　(1)名稱：導(dǎo)流板。 
　　(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：加工內(nèi)型面為不規(guī)則曲線輪廓結(jié)構(gòu)(如圖1)。 

　　2．2技術(shù)要求 

　　材料為1Cr18Ni9Ti鋼板，厚度δ2mm，內(nèi)輪廓曲率不僅多變而且要做到光滑過(guò)度，且尺寸公差最嚴(yán)處為35[-0.3~-0.1] mm。 

　　2．3工藝分析及工藝方案的選擇 

　　根據(jù)上述零件的零件圖及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)．有以下幾種加工工藝方案可供選擇： 

　　(1)模具沖壓； 
　　(2)電火花線切割； 
　　(3)高壓水切割； 
　　(4)激光切割。 

　　2．4針對(duì)下達(dá)導(dǎo)流板16件生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行各種工藝的分析比較 

　　2．4．1模具沖壓 

　　因只加工16件。雖然模具能保證內(nèi)輪廓精度要求，但是加工孔的陽(yáng)模壽命短易折斷，模具本身成本高而且加工周期長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。 

　　2．4．2電火花線切割 

      精度以及表面光滑過(guò)度均能保證。但是首先需要加工出穿絲孔．加工速度過(guò)于緩慢。不合理(注：線切割加工直線段與激光切割精度及粗糙度相當(dāng)。但是如果加工自由曲線或不規(guī)則曲線則精度及粗糙度不如激光切割)。 

　　2．4．3高壓水切割 

　　密封件、切割頭等耗材壽命短，成本高。 

　　2．4．4激光切割 

      因?yàn)槠鋽?shù)控程序是由CAD圖形-幾何位圖-以非均勻有理B樣條曲線為基礎(chǔ)的PLC控制程序同步轉(zhuǎn)化的，不存在人為誤差，再加上精密機(jī)床保證，機(jī)械精度理論上誤差在±0．02mm，由于環(huán)境原因?qū)嶋H上誤差在±0．05mm左右。而且排料可以用軟件來(lái)排。排料隨心所欲，材料利用率通常≥80％．加工精度、切割面粗糙度、熱影響區(qū)范圍和加工速度均能滿足要求。(激光加工模擬如圖1所示)。

　　2．5結(jié)論 

　　在對(duì)加工速度、加工精度、生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本的綜合考慮下，選擇激光切割加工鈑金零件能獲得滿意結(jié)果。 

3．激光切割的工藝過(guò)程及其參數(shù)分析 

　　3．1激光設(shè)備 

　　激光設(shè)備采用Trumpf公司激光沖裁復(fù)合加工中心。 

　　3．2激光束參數(shù) 

　　激光系統(tǒng)一般由激光器、激光傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感與檢測(cè)系統(tǒng)組成，其核心為激光器。 

　　激光器為CO2氣體脈沖式激光器。光束橫截面上光強(qiáng)分布接近高斯分布．具有極好的光束質(zhì)量，主要性能指標(biāo)如下： 

　　激光波長(zhǎng)：10．6μm 
　　脈沖功率：2．4kW：脈沖寬度：約10ms 
　　功率密度：10000000W／cm2 
　　激光發(fā)散角：1mrad 
　　激光功率穩(wěn)定度：2％ 
　　激光束焦點(diǎn)直徑：Φ0．15~Φ0．30 

１．引言 

　　在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室成形以及產(chǎn)品連接、導(dǎo)管制造中，鈑金件起到了關(guān)鍵作用。航天產(chǎn)品鈑金件與普通鈑金件相比具有品種多、外形復(fù)雜、光潔度高、公差要求嚴(yán)等特點(diǎn)。而鈑金件成型之前．首先要解決的是鈑金件的外形展開加工。鈑金件外形展開加工通常采用以下方法：畫線銑削、線切割、等離子切割、氧乙炔火焰切割、模具沖壓、高壓水切割和CO2激光切割。每種切割下料方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。精度、速度和成本均不同。在工業(yè)生產(chǎn)中有一定的適用范圍。選用一種最便捷適應(yīng)廣的加工方法是目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鈑金零件制造所面臨的任務(wù)。 

２．典型鈑金零件工藝方案的選擇 

　　2．1鈑金件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

　　(1)名稱：導(dǎo)流板。 
　　(2)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：加工內(nèi)型面為不規(guī)則曲線輪廓結(jié)構(gòu)(如圖1)。 

　　2．2技術(shù)要求 

　　材料為1Cr18Ni9Ti鋼板，厚度δ2mm，內(nèi)輪廓曲率不僅多變而且要做到光滑過(guò)度，且尺寸公差最嚴(yán)處為35[-0.3~-0.1] mm。 

　　2．3工藝分析及工藝方案的選擇 

　　根據(jù)上述零件的零件圖及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)．有以下幾種加工工藝方案可供選擇： 

　　(1)模具沖壓； 
　　(2)電火花線切割； 
　　(3)高壓水切割； 
　　(4)激光切割。 

　　2．4針對(duì)下達(dá)導(dǎo)流板16件生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行各種工藝的分析比較 

　　2．4．1模具沖壓 

　　因只加工16件。雖然模具能保證內(nèi)輪廓精度要求，但是加工孔的陽(yáng)模壽命短易折斷，模具本身成本高而且加工周期長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。 

　　2．4．2電火花線切割 

      精度以及表面光滑過(guò)度均能保證。但是首先需要加工出穿絲孔．加工速度過(guò)于緩慢。不合理(注：線切割加工直線段與激光切割精度及粗糙度相當(dāng)。但是如果加工自由曲線或不規(guī)則曲線則精度及粗糙度不如激光切割)。 

　　2．4．3高壓水切割 

　　密封件、切割頭等耗材壽命短，成本高。 

　　2．4．4激光切割 

      因?yàn)槠鋽?shù)控程序是由CAD圖形-幾何位圖-以非均勻有理B樣條曲線為基礎(chǔ)的PLC控制程序同步轉(zhuǎn)化的，不存在人為誤差，再加上精密機(jī)床保證，機(jī)械精度理論上誤差在±0．02mm，由于環(huán)境原因?qū)嶋H上誤差在±0．05mm左右。而且排料可以用軟件來(lái)排。排料隨心所欲，材料利用率通常≥80％．加工精度、切割面粗糙度、熱影響區(qū)范圍和加工速度均能滿足要求。(激光加工模擬如圖1所示)。

　　2．5結(jié)論 

　　在對(duì)加工速度、加工精度、生產(chǎn)率、生產(chǎn)成本的綜合考慮下，選擇激光切割加工鈑金零件能獲得滿意結(jié)果。 

3．激光切割的工藝過(guò)程及其參數(shù)分析 

　　3．1激光設(shè)備 

　　激光設(shè)備采用Trumpf公司激光沖裁復(fù)合加工中心。 

　　3．2激光束參數(shù) 

　　激光系統(tǒng)一般由激光器、激光傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感與檢測(cè)系統(tǒng)組成，其核心為激光器。 

　　激光器為CO2氣體脈沖式激光器。光束橫截面上光強(qiáng)分布接近高斯分布．具有極好的光束質(zhì)量，主要性能指標(biāo)如下： 

　　激光波長(zhǎng)：10．6μm 
　　脈沖功率：2．4kW：脈沖寬度：約10ms 
　　功率密度：10000000W／cm2 
　　激光發(fā)散角：1mrad 
　　激光功率穩(wěn)定度：2％ 
　　激光束焦點(diǎn)直徑：Φ0．15~Φ0．30 

　　經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，激光沖裁復(fù)合加工中心CO2激光切割加工δ0．5mm，δ6mm板材的工藝特點(diǎn)及相關(guān)參數(shù)是： 

　　(1)切口寬度窄(一般為0．15~0．30mm)、精度高(一般孔中心距誤差為0．01~0．05mm，輪廓尺寸誤差為0．05~0．2mm)、切口表面粗糙度好(一般Rz為1．6~6．4μm)，切縫一般不需要再加工即可焊接。 

　　由圖2可以看出切縫粗糙度與料厚成正比。

　　(2)采用2kW激光功率，δ6mm厚不銹鋼的切割速度為1．2m／min：δ2mm厚不銹鋼的切割速度為3．6m／min，熱影響區(qū)微小，變形極小。以上優(yōu)點(diǎn)足以證明：CO2激光切割成為發(fā)展迅速的一種先進(jìn)加工方法。 

　　由圖3可以看出材料的最大切割速度與料厚成反比。 

　　3．3工藝過(guò)程及工藝參數(shù) 

　　3．3．1數(shù)控編制切割工藝 

　　用Trumpf公司激光沖裁復(fù)合加工中心附帶的TOPS300工藝編程軟件進(jìn)行數(shù)控編程，同時(shí)完成材料的下料尺寸計(jì)算、排樣、工藝參數(shù)設(shè)定。過(guò)程如下： 

　　(1)繪圖及圖形類型的轉(zhuǎn)換(要求零件外輪廓閉合)； 
　　(2)確定材料、尺寸和零件排樣； 
　　(3)使用激光切割：圓角工藝(獲得銳邊倒鈍)或回路工藝(獲得銳角)；自動(dòng)載入氣體類型、切割速度，并設(shè)置退料； 
　　(4)加工順序優(yōu)化，生成數(shù)控加工程序，傳輸程序； 

　　3．3．2切割穿孔技術(shù) 

　　對(duì)于δ0．5mm~δ6mm厚的板材．大多數(shù)熱切割技術(shù)都必須在板上穿一小孔。激光沖壓復(fù)合機(jī)上是用沖頭先沖出一孔。然后再用激光從小孔處開始切割。對(duì)于沒(méi)有沖壓裝置的激光切割機(jī)一般用脈沖穿孔的基本方法--脈沖穿孔：金屬對(duì)10．6um激光束的起始吸收率只有0．5％~10％。當(dāng)功率密度超過(guò)106W／cm²的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí)。卻能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)很快使表面開始熔化。常用空氣或氮?dú)庾鳛檩o助氣體，每個(gè)脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射。逐步深入，因此厚板穿孔時(shí)間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)行切割。(注：產(chǎn)生高峰值功率脈沖激光的元?dú)饧娮庸軌勖s20000小時(shí)．價(jià)格昂貴．對(duì)6≤3薄板最好采用預(yù)沖孔工藝，6≥3的板料才采用脈沖穿孔工藝)。 

　　3．3．3噴嘴及氣流控制 

　　激光切割鋼材時(shí)．氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處。從而形成一個(gè)氣流束。對(duì)氣流的基本要求是進(jìn)入切口的氣流量要大，速度要高，以便足夠的氧化使切口材料充分進(jìn)行放熱反應(yīng)，同時(shí)又有足夠的動(dòng)量將熔融材料噴射吹出。目前激光切割用的噴嘴采用一錐形孔帶端部小圓孔的結(jié)構(gòu)．在使用時(shí)從噴嘴側(cè)面通入一定壓力。材質(zhì)為純銅，體積較小，是易損零件。 

　　3．3．4激光切割的主要工藝 

　　(1)升華切割 

　　在高功率密度激光束的加熱下。δ0．5mm～δ6mm板材的表面溫度會(huì)迅速升至沸點(diǎn)溫度。部分材料汽化成蒸汽消失．部分材料作為噴出物從切縫底部被輔助氣流吹走。切割氣體一般用氮?dú)?N2)或氬氣(Ar)。 

　　(2)高壓氣聚焦熔化切割 

　　當(dāng)入射的激光束功率密度超過(guò)某一值后．光束照射點(diǎn)處材料內(nèi)部開始蒸發(fā)，形成孔洞。它將作為黑體吸收所有的入射光束能量。小孔被熔化物質(zhì)所包圍。然后．與光束同軸的輔助氣流把孔洞周圍的熔融材料帶走。隨著工件移動(dòng)，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。切割氣體一般用氮?dú)?N2)。 

　　(3)火焰氧化熔化切割 

　　熔化切割一般使用惰性氣體，如果代之以氧氣或其它活性氣體。材料在激光束的照射下與氧氣發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生另一熱源，稱為氧化熔化切割。切割氣體一般用氧氣(Ｏ2)。 

　　切割氣體氧氣和氮?dú)獾谋容^見表1。 

　　3．3．5激光切割氣體的消耗 

　　激光切割氣體的消耗如圖4和圖5所示。由圖4可以看出，對(duì)于δ0．5mm-δ6mm的同一種料厚的板料，單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴噴出氧氣氣體體積隨著使用壓力提高而提高，對(duì)于不同料厚的板料．在同一壓力下單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴噴出氣體體積增量與料厚增量的平方成正比。

        由圖5可以看出。對(duì)于δ0．5mm~6mm的同一種料厚的板料，單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴噴出氮?dú)鈿怏w體積隨著使用壓力的提高而提高，對(duì)于不同料厚的板料．在同一壓力下單位時(shí)間內(nèi)從噴嘴噴出氣體體積增量與料厚增量的平方成正比。由于氮?dú)鈮毫υ?bar以上才對(duì)切割起到有效作用。所以氣體消耗量大。 

　　3．3．6常用工程材料的激光切割 

　　(1)碳鋼 

　　切割碳鋼使用純氧作為輔助氣體．本激光加工中心可以切割碳鋼板的最大厚度可達(dá)8mm．對(duì)厚板其切縫為0．3mm。對(duì)薄板其切縫可窄至0．2mm左右。 

　　(2)不銹鋼 

      切割不銹鋼使用高壓氮?dú)庾鳛檩o助氣體．本激光加工中心可以切割不銹鋼板的最大厚度可達(dá)6mm．對(duì)利用不銹鋼及S-06薄板作為主構(gòu)件來(lái)說(shuō)是個(gè)有效的加工工具。切邊熱影響區(qū)很小，能有效保持此類材料的良好耐腐蝕性。 

　　(3)鋁及鋁合金 

      切割鋁使用高壓氮?dú)庾鳛檩o助氣體．鋁切割屬于熔化切割機(jī)制．由于鋁對(duì)激光的反射率較高。只可以對(duì)較薄的鋁板材進(jìn)行切割。本激光加工中心所切割的鋁合金厚度δ≤4mm．所用輔助氣體主要用于從切割區(qū)吹走熔融產(chǎn)物。通?？色@得較好的切面質(zhì)量。 

　　(4)銅及銅合金 

　　純銅(紫銅)由于反射率太高，基本上不能用CO2激光束切割。 

　　(5)鎳基合金 

　　鎳基合金也稱超級(jí)合金，品種很多。其中對(duì)GH1131、GH1140已做過(guò)工藝試驗(yàn)，成功實(shí)施激光切割而且斷面質(zhì)量良好。 

4 ．結(jié)論 

　　(1)采用激光切割，．切割出的零件外形尺寸，精度、粗糙度、熱影響區(qū)都完全符合設(shè)計(jì)要求，加工效率高且不需要模具。激光切割作為一種成熟的加工手段對(duì)薄板型零件的生產(chǎn)有很大的發(fā)展空間。 

　　(2)繪圖的準(zhǔn)確性與首件切割完之后的調(diào)試工作非常重要。通過(guò)工藝編制前調(diào)試掌握激光加工偏差。 

　　(3)坯料的材料均勻度及雜質(zhì)對(duì)加工出來(lái)的產(chǎn)品影響較大。激光加工粗糙度、切割速度、氣體消耗量與料厚的關(guān)系為：切面粗糙度與料厚成正比，切割速度與料厚大致成反比，耗氣量與料厚增量的平方成正比。 （作者：李鈺　馬繼山）