據(jù)compositesworld網(wǎng)站2019年5月2日刊文，隨著碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)和陶瓷基復(fù)合材料(CMC)材料在飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)、航天組件和高超聲速應(yīng)用中的激增，加工成為一個(gè)問題，因?yàn)榫群托蕰?huì)改變項(xiàng)目成果。將高可靠性和高精度特征加工成CFRP和CMC的嘗試，由于其硬度和磨損性而具頗具挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致加工速度慢、對(duì)材料性能產(chǎn)生不良影響、無法滿足零件規(guī)格以及高運(yùn)營(yíng)成本，包括不斷重復(fù)的刀具替換。
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，制造商們已經(jīng)開發(fā)了一系列用于加工這種先進(jìn)復(fù)合材料的激光技術(shù)。雖然激光提供了提高效率和消除刀具重復(fù)性成本的潛力，但產(chǎn)生的熱量會(huì)消散到材料中，從而可能產(chǎn)生微裂紋和材料變化。激光在光束的焦點(diǎn)處切削，也會(huì)導(dǎo)致V形切口，這對(duì)于控制精確的公差可能是有問題的。
瑞士Synova公司開發(fā)的激光微射流技術(shù)可以生成完全包含在水射流中的激光束。激光在空氣-水界面處反射，原理上類似于光纖，而水則冷卻切削區(qū)，并從切口洗去碎屑。據(jù)報(bào)道，與傳統(tǒng)激光器相比，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括不會(huì)燃燒或熱退化，更少的毛刺可以使表面更光滑，直邊切削和更高的精度。
2017年GE航空公司在位于美國(guó)北卡羅來納州阿什維爾的CMC發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)廠部署了激光微射流技術(shù)。在這里，它用于在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC罩環(huán)中加工孔。GE航空CMC生產(chǎn)經(jīng)理Ryan Huth表示：“這項(xiàng)技術(shù)有助于保持鉆孔直徑的高精度。微射流可以在兩分鐘內(nèi)鉆孔，而傳統(tǒng)加工要鉆一小時(shí)。”
·水和光的力量
Synova公司由Bernold Richerzhagen博士于1997年創(chuàng)立，他于20世紀(jì)90年代在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院進(jìn)行研究后獲得了激光微射流技術(shù)的專利。該技術(shù)于2001年被廣泛用于半導(dǎo)體晶圓切割。然后，Synova于2003年在美國(guó)、日本、印度和韓國(guó)設(shè)立了本地子公司。這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到包括了微加工中心，計(jì)劃近期在中國(guó)大陸和臺(tái)灣進(jìn)行擴(kuò)建。 2009年，Synova與Makino銑削機(jī)床公司建立了合作開發(fā)伙伴關(guān)系，推出了新的機(jī)床系列，并推進(jìn)了它們用于加工醫(yī)療設(shè)備、手表機(jī)械、燃?xì)夂蛧姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、半導(dǎo)體設(shè)備和超硬材料的切削工具。
在激光微射流系統(tǒng)中，激光束通過加壓水艙并聚焦到噴嘴中。激光器是一種常見的工業(yè)型號(hào)——固態(tài)Nd:YAG，功率為10-200瓦，波長(zhǎng)為1064(紅外)、532或355納米。發(fā)絲細(xì)的射流——直徑為50-70微米——過濾的去離子水在200-650巴的低壓下使用。這使得水的消耗很低，大約2-3升/小時(shí)，并且施加在材料上的力是可忽略的小于0.1牛頓。
如何在水中實(shí)現(xiàn)有效的激光燒蝕？Synova美國(guó)業(yè)務(wù)經(jīng)理Jacques Coderre解釋說：“激光大約每秒脈沖10000次。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)燒蝕。在脈沖結(jié)束時(shí)，等離子體坍塌，然后水清潔表面并消散熱量。”他指出，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)。利用該技術(shù)還生產(chǎn)出一種圓柱形激光器，可以產(chǎn)生完全平行的壁，并具有緊密的切口寬度。”
·為復(fù)合材料配置
激光微射流不僅適用于CMC，而且適用于CFRP和堆疊層壓板。在測(cè)試過程中，它在2.6毫米厚的CFRP層壓板上生成直徑為3毫米的孔，速度高達(dá)1440毫米/分鐘。Coderre表示：“使用常規(guī)的激光器，因?yàn)闊崃磕惚仨毥邓?。常?guī)的銑削可以達(dá)到類似的速度，但由于需要更換刀具，因此運(yùn)營(yíng)成本更高。”該技術(shù)可以切割1英寸厚的CMC層壓板。“速度基于非常恒定的1立方毫米/分鐘的消融率。”
Synova公司擁有一系列機(jī)床，去年推出了五軸CNC LCS 305系統(tǒng)。Coderre解釋道：“這臺(tái)機(jī)床擅長(zhǎng)高精度3D切削，非常適合小型CMC零件，但它不適合大型CFRP零件。”為此，Synova已將其激光微射流集成到龍門機(jī)床中，能夠加工大于2米×3米的零件。“它還很容易與機(jī)器人集成，易于編程，”他補(bǔ)充道。對(duì)于2D切削，微射流軟件將CAD文件轉(zhuǎn)換為機(jī)床代碼。 一旦驗(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3D切割，Coderre解釋說后處理器從CAD文件中提取必要的3D數(shù)據(jù)，并將其格式化用于微射流軟件。
對(duì)于“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。Coderre表示：“它非常靈活，易于作為獨(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，無需操作員實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。”該技術(shù)已在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC零件中得到驗(yàn)證。“對(duì)于復(fù)合材料，它通過更快的生產(chǎn)速度、更低的運(yùn)營(yíng)成本、更高的可靠性和更高的產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了更低的制造成本。”隨著新材料、市場(chǎng)和競(jìng)爭(zhēng)性金屬技術(shù)的不斷發(fā)展，這種效率確實(shí)是復(fù)合材料所需要的。
【延伸閱讀】集成的水射流擴(kuò)展了激光切削的潛力
根據(jù)通用電氣公司2016年10月發(fā)布的一份報(bào)告，水射流可使激光加工成為生產(chǎn)冷卻孔的可行工藝，這些冷卻孔布滿燃?xì)夂凸I(yè)產(chǎn)品渦輪葉片的表面。據(jù)報(bào)道，這種獨(dú)特的激光切削技術(shù)有助于GE在每個(gè)零件上節(jié)省數(shù)小時(shí)的生產(chǎn)時(shí)間，而現(xiàn)在，該技術(shù)的瑞士開發(fā)商及其北美合作伙伴也希望將收益擴(kuò)展到其他渦輪葉片制造商。畢竟，它不僅提供了激光切削早已聞名的速度和精度優(yōu)點(diǎn)，而且還消除了傳統(tǒng)的缺點(diǎn)：即影響材料結(jié)構(gòu)的熱量和粘附在表面上的機(jī)加碎屑。
然而，這些不是唯一的優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用不限于鉆冷卻孔。根據(jù)報(bào)告，GE還利用這些激光器從新的耐熱(因而難以加工)材料生產(chǎn)其他渦輪零件。其他創(chuàng)造細(xì)小、復(fù)雜特征產(chǎn)品的制造商也可以獲益。手術(shù)刀、針頭和其他醫(yī)療器械；汽車噴油嘴和火花塞；單晶和多晶金剛石(PCD)切削刀具——這些只是其他一些記載的工作實(shí)例，其中這一特殊種類的激光切削已被證明是從銑削到蝕刻到EDM(電火花加工)等工藝的可行替代方案。除了GE正在進(jìn)行的冷卻、清潔材料去除之外，技術(shù)開發(fā)人員表示，分立零件制造商可以從該技術(shù)在整個(gè)深度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無錐度切削的能力中受益，而無需擔(dān)心焦點(diǎn)。
這一切如何實(shí)現(xiàn)？還是通過最重要的基本元素：水。更具體地說，通過緊湊的加壓水流完全包住激光束，以同時(shí)用作導(dǎo)引、冷卻介質(zhì)和清潔劑。
·擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域
在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)開發(fā)了現(xiàn)在名為激光微射流(LMJ)的博士后，博士生Bernold Richerzhagen于1997年創(chuàng)立了Synova，將新專利技術(shù)引入工業(yè)制造商。在接下來的20多年里，Synova滲透了從鉆石和寶石切割到半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品的市場(chǎng)，依靠機(jī)床制造合作伙伴為L(zhǎng)MJ提供合適的行業(yè)專用平臺(tái)。美國(guó)業(yè)務(wù)經(jīng)理Jacque Coderre表示，盡管該公司自2003年以來一直在硅谷的小規(guī)模客戶群附近維持美國(guó)辦事處，但推動(dòng)LMJ向更大規(guī)模擴(kuò)展所需的銷售、服務(wù)和支持基礎(chǔ)設(shè)施，需要加快與一個(gè)重要合作伙伴的合作步伐。
這個(gè)合作伙伴是機(jī)床制造商Makino，步伐加快歸功于兩家公司最近與GE合作將LMJ應(yīng)用于渦輪葉片冷卻孔生產(chǎn)。這項(xiàng)工作促成了MJ系列LMJ加工中心的開發(fā)，并于2016年5月與簽訂了獨(dú)家銷售、分銷和售后支持的單一源技術(shù)(SST)協(xié)議，該公司是Makino的一個(gè)提供工程、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)和產(chǎn)品銷售的部門，補(bǔ)充了制造商自己的銑削和EDM產(chǎn)品線。有兩種尺寸可供選擇：三軸MCS 300和較大的五軸MCS 500，專為3D操作而設(shè)計(jì)，就像在GE進(jìn)行的那些操作。Synova的LCS系列是一種非Makino系統(tǒng)，用于精密加工小型金屬和硬質(zhì)材料零件，也可通過SST獲得(最大的LCS，LCS 300，工作范圍為300×300 毫米)而MCS 500提供500×400毫米)。
在這兩條產(chǎn)品線中，切削動(dòng)作都落在二極管泵浦的固態(tài)釹摻雜釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器上，脈沖持續(xù)時(shí)間以納秒為單位，平均功率為50-200瓦，波長(zhǎng)為532牛米(某些LCS型號(hào)也提供1064牛米)。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重復(fù)性以微米為單位。在低壓下投射的純水、去離子水和過濾水包裹著光束，以限制水流不利影響帶來的風(fēng)險(xiǎn)。這種水流非常類似于光纖電纜，確保加工是冷卻、清潔和準(zhǔn)直的。
·冷卻、清潔、準(zhǔn)直
由于全內(nèi)反射的原理，基本上可以在水流中“捕獲”激光束。當(dāng)能量波(即激光束)從具有較低密度介質(zhì)(即水和空氣之間的邊界)的邊界完全反射，從而不會(huì)有能量穿過。LMJ利用這一原理將光束從水流的內(nèi)壁反射回來，從而迫使它沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播。
如果這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，那么工程就不算什么了。機(jī)床平臺(tái)具有各種內(nèi)置子系統(tǒng)，用于處理和安全地容納水。至于激光頭本身，光束必須以某個(gè)角度接近邊界以反射而不是穿過它，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。水射流也必須高度穩(wěn)定，邊界一致，以防止光束逸出。為此，Synova的一項(xiàng)國(guó)際專利涉及使用由氣體封閉的液體射流來防止形成湍流。由藍(lán)寶石或鉆石構(gòu)成的噴嘴具有耐用性，特殊形狀可確保氣體和水適當(dāng)發(fā)生相互作用。Coderre先生說，優(yōu)化水艙的形狀也需要多年的實(shí)驗(yàn)。
盡管Synova對(duì)這些和其他關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征一直守口如瓶，但該公司的文獻(xiàn)描述了這種獨(dú)特技術(shù)與傳統(tǒng)激光加工的區(qū)別在于三個(gè)基本方面：
——沒有錐度。 LMJ系統(tǒng)噴嘴的直徑范圍為25至120微米，低壓水流量比這小15%。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。
在沒有引導(dǎo)水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源變窄到特定焦點(diǎn)然后再次向外展開。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。水的添加消除了對(duì)此的擔(dān)憂。根據(jù)Synova的文檔，在水射流及其內(nèi)部的激光開始分離之前，水射流可以投射到距離噴嘴直徑1000倍的距離，(MCS系列的最大工作范圍為100毫米)。
——沒有熱影響區(qū)。雖然激光在原始速度和精度方面可能無懈可擊，但只有某些應(yīng)用才會(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)域周圍的熱影響區(qū)內(nèi)，可能發(fā)生微裂紋、變形和其他條件的不利影響。在LMJ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。
——無材料沉積。水射流不僅僅消除了切削區(qū)域的熱量。它還帶走了燒蝕的廢料和任何其他可能作為碎屑粘附在工件上的污染物。結(jié)果是更清潔的切削和可能終結(jié)去毛刺和其他下游的操作。
這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合使LMJ具有多功能性，可將復(fù)雜的特征切割成幾乎任何材料，除了玻璃，木材，紙張，紡織品和透明塑料。 Coderre先生說，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。
·補(bǔ)充和替代
自2001年推出LCS系列以來，公司將重點(diǎn)放在金屬和其他硬質(zhì)材料上，Synova已經(jīng)記錄了LMJ在全球客戶設(shè)施中取代其他工藝的多個(gè)例子。據(jù)該公司介紹，它經(jīng)常被證明比銑削微型零件更快——假設(shè)材料足夠柔軟可以選擇銑削——它也消除了對(duì)毛刺和刀具損壞的擔(dān)憂。它可以比EDM快得多，EDM會(huì)在某些表面上產(chǎn)生微裂紋，需要定期更換電極和/或電線，并且僅能在導(dǎo)電材料上工作。事實(shí)證明，它比電鑄或沖壓更靈活，并且能夠產(chǎn)生比后者更小的尺寸。不銹鋼、鋁、銅鈹、鎳鈦，立方氮化硼——LMJ可廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，特別是在醫(yī)療，刀具和汽車市場(chǎng)。
然而，最近MCS系列的揭幕以及與SST達(dá)成的協(xié)議揭示了Synova在工業(yè)渦輪機(jī)市場(chǎng)中所看到的機(jī)會(huì)，特別是加入了Makino等合作伙伴的相關(guān)技術(shù)和專業(yè)知識(shí)之后。根據(jù)在GE驗(yàn)證的概念，SST現(xiàn)在正在營(yíng)銷所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和Makino EDBV的EDM鉆機(jī)，專門用于鉆削鑄造葉片中的冷卻孔和具有中空內(nèi)部的導(dǎo)向葉片部件。Makino SST總監(jiān)Mark Logan表示：“與我們EDM的EDBV系列集成(LMJ)，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。”
他解釋說，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。問題是，這些涂層不導(dǎo)電，EDM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EDM鉆孔。更復(fù)雜的是，現(xiàn)在冷卻孔變得越來越復(fù)雜。設(shè)計(jì)者越來越多地采用具有錐形、方形或其他非圓形開口的擴(kuò)散器孔，這些開口并不總是以外部擴(kuò)散器形狀為中心。僅使用EDM，制造商通常選擇加工出大于規(guī)格的這些特征以適應(yīng)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)的方案的自動(dòng)化混合加工單元簡(jiǎn)化了該過程。初始涂層滲透和擴(kuò)散器形狀的加工可以通過LMJ進(jìn)行，同時(shí)將大部分孔留給EDM鉆機(jī)。
至少，通常就是這種情況。如果一個(gè)孔足夠淺，LMJ完全能夠加工整個(gè)幾何形狀，并且它可能比EDM鉆孔更快。然而，在一定深度，水流開始分解，EDM變得更快，并且是唯一選擇。 EDBV機(jī)器也具有其他優(yōu)點(diǎn)。例如，它們的發(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)在一秒或0.04英寸深度內(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)?。EDM產(chǎn)品經(jīng)理Brian Pfluger表示，Makino的專用彎曲導(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。
可以說LMJ和EDM鉆孔在這些應(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任何給定的工作。將兩者結(jié)合在一個(gè)單元中可以使兩個(gè)過程的工作負(fù)荷平衡，從而將質(zhì)量和生產(chǎn)率提高到超出任何一個(gè)孤立系統(tǒng)的水平。同時(shí)，根據(jù)GE報(bào)告，該公司已經(jīng)在利用LMJ機(jī)床從陶瓷基復(fù)合材料中切削分離的渦輪零件。如果GE的案例是個(gè)標(biāo)桿，那么其他制造商也可以從這人盡皆知的加工工具包中添加LMJ，可以作為其他工藝的補(bǔ)充和替代。
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