１．引言
在液體火箭發(fā)動機推力室成形以及產(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。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。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)動機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
(1)名稱：導(dǎo)流板。
(2)結(jié)構(gòu)特點：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．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針對下達導(dǎo)流板16件生產(chǎn)任務(wù)進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，但是加工孔的陽模壽命短易折斷，模具本身成本高而且加工周期長，不經(jīng)濟。
2．4．2電火花線切割
精度以及表面光滑過度均能保證。但是首先需要加工出穿絲孔．加工速度過于緩慢。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
因為其數(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，再加上精密機床保證，機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)、運動系統(tǒng)、傳感與檢測系統(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：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％
激光束焦點直徑：Φ0．15~Φ0．30
經(jīng)實踐驗證，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)點足以證明：CO2激光切割成為發(fā)展迅速的一種先進加工方法。
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工藝編程軟件進行數(shù)控編程，同時完成材料的下料尺寸計算、排樣、工藝參數(shù)設(shè)定。過程如下：
(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。對于沒有沖壓裝置的激光切割機一般用脈沖穿孔的基本方法--脈沖穿孔：金屬對10．6um激光束的起始吸收率只有0．5％~10％。當(dāng)功率密度超過106W／cm²的聚焦激光束照射到金屬表面時。卻能在微秒級的時間內(nèi)很快使表面開始熔化。常用空氣或氮氣作為輔助氣體，每個脈沖激光只產(chǎn)生小的微粒噴射。逐步深入，因此厚板穿孔時間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進行切割。(注：產(chǎn)生高峰值功率脈沖激光的元氣件電子管壽命約20000小時．價格昂貴．對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．氧氣和聚焦的激光束是通過噴嘴射到被切材料處。從而形成一個氣流束。對氣流的基本要求是進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行放熱反應(yīng)，同時又有足夠的動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板材的表面溫度會迅速升至沸點溫度。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。切割氣體一般用氮氣(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某一值后．光束照射點處材料內(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，小孔按切割方向同步橫移形成一條切縫。切割氣體一般用氮氣(N2)。#p#分頁標(biāo)題#e#
(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)。
切割氣體氧氣和氮氣的比較見表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，對于δ0．5mm-δ6mm的同一種料厚的板料，單位時間內(nèi)從噴嘴噴出氧氣氣體體積隨著使用壓力提高而提高，對于不同料厚的板料．在同一壓力下單位時間內(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。對于δ0．5mm~6mm的同一種料厚的板料，單位時間內(nèi)從噴嘴噴出氮氣氣體體積隨著使用壓力的提高而提高，對于不同料厚的板料．在同一壓力下單位時間內(nèi)從噴嘴噴出氣體體積增量與料厚增量的平方成正比。由于氮氣壓力在6bar以上才對切割起到有效作用。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8mm．對厚板其切縫為0．3mm。對薄板其切縫可窄至0．2mm左右。
(2)不銹鋼
切割不銹鋼使用高壓氮氣作為輔助氣體．本激光加工中心可以切割不銹鋼板的最大厚度可達6mm．對利用不銹鋼及S-06薄板作為主構(gòu)件來說是個有效的加工工具。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
切割鋁使用高壓氮氣作為輔助氣體．鋁切割屬于熔化切割機制．由于鋁對激光的反射率較高。只可以對較薄的鋁板材進行切割。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。通常可獲得較好的切面質(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
鎳基合金也稱超級合金，品種很多。其中對GH1131、GH1140已做過工藝試驗，成功實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)對加工出來的產(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）
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