現(xiàn)代激光技術(shù)在航空機械加工中的應(yīng)用初探

王巖巖 周 博

（沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，遼寧 沈陽110850）

1 航空機械加工的發(fā)展形勢

航空制造領(lǐng)域是國家投入很多財力和物力的高科技領(lǐng)域，它所涉及的機械加工對精度有很大的要求，經(jīng)過六十年的艱辛探索，航空制造領(lǐng)域已經(jīng)形成了一個專業(yè)的技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)領(lǐng)域包括制造過程自動化技術(shù)、超精密加工技術(shù)，特種加工技術(shù)，成形技術(shù)、連接技術(shù)、表面改性技術(shù)、無損檢測、表面安裝技術(shù)、復(fù)合材料構(gòu)件制造。這些領(lǐng)域都涉及到機械加工技術(shù)，機械加工需要保證加工出來后產(chǎn)品的質(zhì)量，然而早期機械加工的產(chǎn)品精度低，強度不滿足使用要求，機械加工起步緩慢，為了提高產(chǎn)品的精度和強度，技術(shù)人員引入了激光技術(shù)，激光技術(shù)由此隨著機械加工而慢慢發(fā)展成熟，使得航空機械加工的精度和強度逐漸提高。

2 激光技術(shù)的特點及應(yīng)用

2.1 激光切割技術(shù)特點及其應(yīng)用

其特點是切割速度快，切面平整光滑，加工過程可以控制切割空隙的寬度，施工過程產(chǎn)生的有害氣體較少，對人體的傷害較輕。但是激光切割過程中激光束的溫度和二氧化碳溫度經(jīng)過透鏡聚焦而升高，切割過程身體容易被飛濺的高溫鐵屑所燙傷，所以在使用激光切割技術(shù)時要做好自身防護，與正在切割的設(shè)備保持安全距離。

激光切割技術(shù)可以用于加工質(zhì)量和精度要求很高的航空零部件。比如航空發(fā)動機，航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，里面的零件數(shù)量眾多，材質(zhì)大不相同，大量采用鈦合金、高溫金、不銹鋼以及其他的非金屬特殊涂層，這些材料硬度高，耐高溫，如果使用傳統(tǒng)的加工方式，會使得加工得到的零部件很難滿足使用要求，然而利用激光切割技術(shù)可以很好解決掉切割難題，切割效率高。

2.2 激光焊接技術(shù)特點及其應(yīng)用

其特點是焊接牢固，焊縫小，焊接薄的板片時不會出現(xiàn)穿洞現(xiàn)象，可以將隔熱材料、纖維材料和金屬材料焊接在一起，激光焊接后的熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小，加熱速度和冷卻速度都很快，結(jié)晶速度比一般熔焊的快幾十倍，熱影響區(qū)小，材料變形小無無需后期工序處理。目前激光切割技術(shù)廣泛與工業(yè)機器人結(jié)合，焊接過程自動化，智能化。隨著高功率激光器的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)由之前的傳導(dǎo)焊轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆?，由此擴大了加工范圍。激光焊接技術(shù)可以應(yīng)用在飛機大蒙皮的拼接以及蒙皮與長桁的焊接，腹鰭和襟翼的翼盒；在發(fā)動機制造方面，航空發(fā)動機薄壁高精度構(gòu)件的焊接廣泛采用激光焊接技術(shù)。激光焊接提高了焊接效率，簡化了加工工藝，提高了強度。鋁合金內(nèi)隔板采用激光焊接表示激光焊接技術(shù)取代原先的鉚接技術(shù)，用鋁合金作為機身的制造材料可以減輕機身的重量，如德國的宇航公司、空中客車公司都應(yīng)用了此項技術(shù)。

2.3 激光打孔技術(shù)特點及其應(yīng)用

其特點是打孔速度快，無需使用鉆頭加工，減少了鉆頭的消耗，對加工的材料沒有太多的局限性，金屬材料和非金屬材料都可以用激光進行打孔，在加工的準(zhǔn)備工作中不需要對工件使用夾具夾持就能完成打孔操作。航空機械加工需要在板材上打很多細小的孔，這些細小的孔可以采用激光進行打孔，形成的孔質(zhì)量好，而且打孔速度快。

2.4 激光熔覆技術(shù)特點及其應(yīng)用

其特點是熔覆快，能將工件表面的銹斑快速的覆蓋在原有的材料表面，不需要清除銹斑就能完成加工，常常使用這項技術(shù)修復(fù)腐蝕的工件表面，提高使用壽命。目前飛機的使用材料是鈦合金和鋁合金，鈦合金具有高強度，耐腐蝕性，耐高溫性，重量輕的優(yōu)點，同時具有低硬度，不耐磨等缺點，當(dāng)鈦合金表面的氧化膜破壞時，其耐腐蝕性就會大大降低；鋁合金質(zhì)量輕，但是硬度低，耐磨性差。當(dāng)使用激光熔覆技術(shù)對鈦合金表面和鋁合金表面進行處理時，表面的硬度會變大，耐磨性會增強，此時熔覆層的厚度在3mm 左右，承載能力強。當(dāng)鈦合金和鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層時，材料的耐磨性、耐高溫性可以大幅度的提高。

2.5 激光回饋技術(shù)特點及其應(yīng)用

激光回饋效應(yīng)是指將激光發(fā)射器發(fā)射的激光經(jīng)過被測物體表面反射回到發(fā)射器并對反射器輸出光強、偏振態(tài)和相位進行調(diào)制的一種現(xiàn)象，其特點是高靈敏度和高精度，航空設(shè)備中的零件都是高精度的零件，需要對其進行精確測量來定位加工，而以往的測量方式都是有一定的誤差，而使用激光回饋技術(shù)可以精確工件上孔的位置、直徑，、工件整體長度、螺紋的外徑和內(nèi)徑，為精確加工打好基礎(chǔ)。

此項技術(shù)對機械精密加工校準(zhǔn)有一定的指導(dǎo)意義。航空設(shè)備中的零部件依賴于高精密加工，這些零部件的特點是高性能，輕量化，精密化，高效化，可靠性和精密性。雖然是高性能零部件，但是這些零部件的加工技術(shù)仍不完備；為了減少航天飛行器的質(zhì)量，需要使用質(zhì)量更輕的的零件，這些零件都是薄壁結(jié)構(gòu)，需要進一步加工才能滿足使用要求，這些高精度的航空零件都是用數(shù)控機床加工出來的，數(shù)控機床是從事精密加工的一個重要設(shè)備，數(shù)控機床的精度反映了一個國家機械加工的水平，從它的出現(xiàn)開始，數(shù)控機床的加工誤差被很多研究學(xué)者所研究，經(jīng)過這些年的艱苦探索，機床加工的精度等級逐漸提高，加工方式更加智能化的數(shù)控機床陸續(xù)投入使用，但是，在機床校準(zhǔn)和檢定方面仍需繼續(xù)努力完善，目前大多數(shù)數(shù)控機床采用的是雙頻激光干涉儀進行機床校準(zhǔn)。雙頻干涉儀的缺陷是氦氖激光器輸出功率低，耗能大，可使用時間短，工作時需要目標(biāo)靶鏡的配合，為了解決這些缺點，開始研究具有準(zhǔn)共路補償?shù)募す饣仞伕缮鎯x。

激光回饋干涉儀中增加了參考鏡，參考鏡將從激光器中發(fā)出的一部分光線散射回到激光器，作為參考回饋光，另一部分光線被被測物體散射返回到激光器，作為測量回饋光，兩種散射回去的光線共路，移頻不同，導(dǎo)致對激光光強的調(diào)制頻率不同。為了得到參考回饋光和測量回饋光的相位變化，需要解調(diào)不同頻率信號的相位變化來推斷。前者的相位變化來源于空氣的擾動、移頻器件熱效應(yīng)、激光波長等因素；后者的相位變化來源于空氣的擾動、移頻器件熱效應(yīng)、激光波長、被測物體的運動等因素。兩者排除共有的影響因素之后，就在一定程度上減小了死程誤差。實現(xiàn)了對微元件、輕元件、薄元件、透元件表面的位移、形變、伸縮等參數(shù)的精確測量。

金剛石車床中引入激光回饋技術(shù)大大提高了校準(zhǔn)精度，當(dāng)機床中未放置激光回饋干涉儀時，由于在校準(zhǔn)過程中需要改變反光鏡的位置，所以在測量過程中會出現(xiàn)余弦誤差，導(dǎo)致定位精度下降，激光回饋干涉儀的使用將定位精度提高到700nm，此時的定位精度遠遠大于之前的定位精度，為后續(xù)的精確加工打好了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

現(xiàn)代激光技術(shù)在航空機械加工中快速發(fā)展，衍生出了很多技術(shù)，如激光切割技術(shù)、激光焊接技術(shù)、激光打孔技術(shù)、激光熔覆技術(shù)、激光回饋技術(shù)。激光切割技術(shù)使得切割出來的部件表面光滑，不結(jié)渣，縫隙可控，常適用于切割硬度較大，耐高溫的鈦合金材料；激光焊接技術(shù)可以將不同材料的部件焊接到一起，焊接接口美觀結(jié)實，適用于焊接飛機外殼和發(fā)動機內(nèi)部薄壁構(gòu)件；激光打孔技術(shù)使得加工孔的位置更加精確，加工速度更快；激光熔覆技術(shù)可以更好的修復(fù)合金腐蝕表面，提高合金表面的耐磨性和耐高溫性；激光回饋技術(shù)可以更加精確的測量部件的尺寸和校準(zhǔn)數(shù)控機床的加工精度。

現(xiàn)代激光技術(shù)的應(yīng)用是航空機械生產(chǎn)中應(yīng)用的一項主要加工技術(shù)，因此如何更好的發(fā)揮激光加工技術(shù)，進而提高我國航空機械生產(chǎn)質(zhì)量與技術(shù)水平，就成為了技術(shù)研究的重要組成部分，這一研究的開展一方面有助于我國航空機械生產(chǎn)水平的整體提高；另一方面也對我國現(xiàn)代激光技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展起到了推動作用，進而為我國航空機械生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展提供技術(shù)理論支持。