激光加工設(shè)備應(yīng)用研究

西安航空動(dòng)力股份有限公司（陜西 710021) 劉 佳 孫偉立

我公司是一家以生產(chǎn)各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)為主的企業(yè)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)及關(guān)鍵零部件常采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，隨著軍品科研任務(wù)的不斷增加和加工工藝水平的要求越來越高，公司引進(jìn)了大量具有國際先進(jìn)技術(shù)水平的特種加工設(shè)備。目前涉及的種類有:電火花加工、電火花線切割加工、真空電子束焊加工、電化學(xué)加工、激光小孔、激光切割及激光熔覆加工等，這些特種設(shè)備，以其特有的加工工藝優(yōu)勢(shì)，在軍品科研任務(wù)中擔(dān)當(dāng)起重要角色。

1.激光加工機(jī)床現(xiàn)狀

我公司現(xiàn)有美國LASERDYNE公司、德國DMG公司和意大利PRIMA公司生產(chǎn)的激光設(shè)備 (見圖1)。

圖1 激光加工設(shè)備現(xiàn)狀

美國 LASERDYNE公司生產(chǎn)的 LASERDYNE—780設(shè)備是公司1997年引進(jìn)的激光小孔機(jī)設(shè)備，其機(jī)頭控制部分結(jié)構(gòu)小巧、靈活，是公司目前唯一一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)、空間矢量加工的激光加工設(shè)備，同時(shí)配有JK700系列激光器，可實(shí)現(xiàn)任意角度小孔的高精度加工。

德國DMG公司的激光打孔機(jī)設(shè)備，采用西門子840D控制系統(tǒng)和直線電動(dòng)機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)，機(jī)床精度高。采用瑞士LASAG激光器，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，穩(wěn)定性好。

意大利PRIMA公司生產(chǎn)的激光切割設(shè)備，采用5軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)頭控制部分，匹配德國ROFIN激光器，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出能量，完成工件的切割任務(wù)。

2.激光加工設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)對(duì)加工工藝的影響

由于激光加工不需要加工工具，加工速度快、表面變形小，加之目前數(shù)控技術(shù)與激光器技術(shù)的完美結(jié)合，對(duì)特殊材料的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工、特殊結(jié)構(gòu)的零部件加工 (見圖2)、形孔切割加工等越來越多地采用激光加工來實(shí)現(xiàn)。

圖2 某機(jī)葉片窄縫內(nèi)加工數(shù)孔

設(shè)備工作運(yùn)行狀態(tài)對(duì)加工效果有著決定性的作用，比如:設(shè)備在零件加工過程中的突發(fā)故障有可能引發(fā)零件的報(bào)廢、設(shè)備定位精度決定著加工件的精度、光路聚焦精度決定切縫精度等 (見圖3)，所以與普通的機(jī)械加工不同，對(duì)激光器電源、激光束的生成、激光光路的控制、激光器工作參數(shù)的匹配、機(jī)床精度的監(jiān)控、異常狀態(tài)的分析、研究就成為我們確保激光設(shè)備高精度加工的主要責(zé)任和任務(wù)。

圖3 光路控制異常對(duì)加工的影響

3.激光設(shè)備維修案例

(1)故障現(xiàn)象 激光器電源工作性能不穩(wěn)定，加工過程中突發(fā)故障，容易造成零件損傷。

圖4所示用卡鉗表分別測(cè)量泵浦燈L1、L2開關(guān)模塊回路工作電流，測(cè)得泵浦燈L1正開關(guān)模塊SMP1、SMP2工作電流分別為12A、2A，而泵浦燈L2正開關(guān)模塊SMP1'、SMP2'的工作電流均為7A，測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，L1泵浦燈的供電開關(guān)模塊SMP2工作電流不正常。斷電后，檢查泵浦燈L1正開關(guān)模塊SMP2及輸出模塊OM1之間的連線，發(fā)現(xiàn)輸出模塊OM1的輸入端A點(diǎn)功率二極管連接松動(dòng)，使SMP2驅(qū)動(dòng)工作電流太小，無功率輸出，造成開關(guān)模塊SMP1驅(qū)動(dòng)工作電流大，負(fù)載過重?？煽窟B接A點(diǎn)后，故障排除。

圖4 激光器電源內(nèi)部模塊工作原理示意圖

(2)故障現(xiàn)象 BJLD—300JK設(shè)備出現(xiàn)加工的小孔有“雙眼皮”現(xiàn)象 (見圖5)，且選擇同樣加工參數(shù)，激光能量較之前偏低，之前該組參數(shù)，Energy可以達(dá)到1.00J以上，現(xiàn)在是0.75J。

圖5 加工參數(shù)及切出孔形示意圖

對(duì)應(yīng)光感應(yīng)紙上打出的光斑，明顯看出光能量分布不夠均勻。能量聚焦點(diǎn)不在圓的正中心，所以對(duì)應(yīng)打出的孔形不好，孔邊不夠規(guī)則、不夠光滑，調(diào)整諧振腔內(nèi)部后鏡，如圖6所示，分別可以調(diào)整后鏡的上下和左右角度，達(dá)到調(diào)整諧振腔激光輸出的質(zhì)量，使加工出孔形是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓。

圖6 諧振腔內(nèi)后鏡結(jié)構(gòu)示意圖

(3)故障現(xiàn)象 JK700激光器加工時(shí)頻繁出現(xiàn):工作光閘保護(hù)206報(bào)警，Process Shutter Thermal fuse和207報(bào)警，Shutter Failure。

工作光閘作用 (見圖7):控制激光束輸出，不需要輸出時(shí)，激光能量通過激光束回收窗返回到激光回收器中，依靠內(nèi)循環(huán)冷卻水將激光熱量消耗掉;需要輸出時(shí)，工作光閘可靠打開，保證激光輸出;激光輸出異常時(shí)，工作光閘連同安全光閘一起動(dòng)作，關(guān)斷激光輸出。

圖7 JK激光為例激光光路控制示意圖

針對(duì)206報(bào)警，做好防護(hù)，打開工作光閘護(hù)罩，發(fā)現(xiàn)低能量激光束輸出時(shí)，工作光閘打開可靠，激光輸出正常;但是激光不輸出時(shí)，熱保險(xiǎn)很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)燒壞。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，工作光閘鏡片表面鍍層有輕微失落，不能將激光反射到回收站內(nèi)，從而引起溫度保險(xiǎn)過溫保護(hù)。

針對(duì)207報(bào)警:做好防護(hù)，打開工作光閘護(hù)罩，低能量激光束輸出時(shí)，工作光閘沒有打開。光閘驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)12V電壓正常;再仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軸承出現(xiàn)一點(diǎn)銹蝕現(xiàn)象，影響動(dòng)作可靠性，對(duì)銹蝕點(diǎn)進(jìn)行處理后，動(dòng)作正常。

(4)故障現(xiàn)象 LASAG激光器觸發(fā)瞬間掉電，激光器操作面板上燈閃爍。

激光器啟動(dòng)后，儲(chǔ)能電容模塊、高壓充電電源都顯示OK，測(cè)試觸發(fā)電路控制回路電壓正常，但在泵浦燈觸發(fā)瞬間掉電。考慮更換泵浦燈后出現(xiàn)故障，打開泵浦腔蓋，發(fā)現(xiàn)觸發(fā)回路彈簧聚集一堆 (見圖8)，調(diào)整好間距及觸發(fā)間隙后，故障排除。

圖8 激光觸發(fā)回路彈簧的影響

(5)故障現(xiàn)象 三維激光切割機(jī)在進(jìn)行材料切割時(shí)，切縫比較粗糙 (見圖9a)，而且3mm板材都無法切透。

檢查激光束與噴油器的同軸度良好，檢查之前切割試板的參數(shù)，也沒有變化，當(dāng)拆下聚焦鏡進(jìn)行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)聚焦鏡中間有明顯的裂紋 (見圖9b)，更換聚焦鏡后，問題解決。分析造成聚焦鏡裂痕的可能原因:工作時(shí)鏡片沒獲得良好的冷卻;使用了不規(guī)范的實(shí)驗(yàn)參數(shù);加工的材料具有高放熱性污染到聚焦鏡。

圖9 聚焦鏡引起的切縫異常

4.結(jié)語

通過對(duì)現(xiàn)有激光設(shè)備異常工作情況的分析、處理，總結(jié)，提升激光類設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的效率和質(zhì)量，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件特種工藝加工保駕護(hù)航。