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航宇制造商采用激光水射流提升碳纤维/陶瓷基复合材料加工效率

发布日期:2019-05-23  来源:航空工业信息网我要投稿我要评论

 	 航宇制造商采用激光水射流提升碳纤维/陶瓷基复合材料加工效率

据compositesworld网站2019年5月2日刊文,随着碳纤维增强塑料(CFRP)和陶瓷基复合材料(CMC)材料在飞行器发动机、航天组件和高超声速应用中的激增,加工成为一个问题,因为精度和效率会改变项目成果。将高可靠性和高精度特征加工成CFRP和CMC的尝试,由于其硬度和磨损性而具颇具挑战,会导致加工速度慢、对材料性能产生不良影响、无法满足零件规格以及高运营成本,包括不断重复的刀具替换。

为了应对这一挑战,制造商们已经开发了一系列用于加工这种先进复合材料的激光技术。虽然激光提供了提高效率和消除刀具重复性成本的潜力,但产生的热量会消散到材料中,从而可能产生微裂纹和材料变化。激光在光束的焦点处切削,也会导致V形切口,这对于控制精确的公差可能是有问题的。

瑞士Synova公司开发的激光微射流技术可以生成完全包含在水射流中的激光束。激光在空气-水界面处反射,原理上类似于光纤,而水则冷却切削区,并从切口洗去碎屑。据报道,与传统激光器相比,该技术的优点包括不会燃烧或热退化,更少的毛刺可以使表面更光滑,直边切削和更高的精度。

2017年GE航空公司在位于美国北卡罗来纳州阿什维尔的CMC发动机部件生产厂部署了激光微射流技术。在这里,它用于在LEAP发动机的CMC罩环中加工孔。GE航空CMC生产经理Ryan Huth表示:“这项技术有助于保持钻孔直径的高精度。微射流可以在两分钟内钻孔,而传统加工要钻一小时。”

·水和光的力量

Synova公司由Bernold Richerzhagen博士于1997年创立,他于20世纪90年代在瑞士联邦理工学院进行研究后获得了激光微射流技术的专利。该技术于2001年被广泛用于半导体晶圆切割。然后,Synova于2003年在美国、日本、印度和韩国设立了本地子公司。这些技术现在已经扩展到包括了微加工中心,计划近期在中国大陆和台湾进行扩建。 2009年,Synova与Makino铣削机床公司建立了合作开发伙伴关系,推出了新的机床系列,并推进了它们用于加工医疗设备、手表机械、燃气和喷气发动机涡轮叶片、半导体设备和超硬材料的切削工具。

在激光微射流系统中,激光束通过加压水舱并聚焦到喷嘴中。激光器是一种常见的工业型号——固态Nd:YAG,功率为10-200瓦,波长为1064(红外)、532或355纳米。发丝细的射流——直径为50-70微米——过滤的去离子水在200-650巴的低压下使用。这使得水的消耗很低,大约2-3升/小时,并且施加在材料上的力是可忽略的小于0.1牛顿。

如何在水中实现有效的激光烧蚀?Synova美国业务经理Jacques Coderre解释说:“激光大约每秒脉冲10000次。对于每个激光脉冲,产生的等离子体会向上推水,从而实现烧蚀。在脉冲结束时,等离子体坍塌,然后水清洁表面并消散热量。”他指出,水射流还消除了干式激光系统通常需要保持激光聚焦带来的复杂性和工艺变化。“这样可以切割厚的或非平面的零件而不必担心焦点。利用该技术还生产出一种圆柱形激光器,可以产生完全平行的壁,并具有紧密的切口宽度。”

·为复合材料配置

激光微射流不仅适用于CMC,而且适用于CFRP和堆叠层压板。在测试过程中,它在2.6毫米厚的CFRP层压板上生成直径为3毫米的孔,速度高达1440毫米/分钟。Coderre表示:“使用常规的激光器,因为热量你必须降速。常规的铣削可以达到类似的速度,但由于需要更换刀具,因此运营成本更高。”该技术可以切割1英寸厚的CMC层压板。“速度基于非常恒定的1立方毫米/分钟的消融率。”

Synova公司拥有一系列机床,去年推出了五轴CNC LCS 305系统。Coderre解释道:“这台机床擅长高精度3D切削,非常适合小型CMC零件,但它不适合大型CFRP零件。”为此,Synova已将其激光微射流集成到龙门机床中,能够加工大于2米×3米的零件。“它还很容易与机器人集成,易于编程,”他补充道。对于2D切削,微射流软件将CAD文件转换为机床代码。 一旦验证,操作员只需按下一个按钮,机床就会执行切削程序。对于3D切割,Coderre解释说后处理器从CAD文件中提取必要的3D数据,并将其格式化用于微射流软件。

对于“工厂4.0”功能,激光功率计、定位传感器和自动射流角度校正集成在激光微射流系统中。Coderre表示:“它非常灵活,易于作为独立系统集成到零件生产中,或作为全自动生产线的一部分,无需操作员实现大批量生产。”该技术已在LEAP发动机的CMC零件中得到验证。“对于复合材料,它通过更快的生产速度、更低的运营成本、更高的可靠性和更高的产量实现了更低的制造成本。”随着新材料、市场和竞争性金属技术的不断发展,这种效率确实是复合材料所需要的。

【延伸阅读】集成的水射流扩展了激光切削的潜力

根据通用电气公司2016年10月发布的一份报告,水射流可使激光加工成为生产冷却孔的可行工艺,这些冷却孔布满燃气和工业产品涡轮叶片的表面。据报道,这种独特的激光切削技术有助于GE在每个零件上节省数小时的生产时间,而现在,该技术的瑞士开发商及其北美合作伙伴也希望将收益扩展到其他涡轮叶片制造商。毕竟,它不仅提供了激光切削早已闻名的速度和精度优点,而且还消除了传统的缺点:即影响材料结构的热量和粘附在表面上的机加碎屑。

然而,这些不是唯一的优点,并且应用不限于钻冷却孔。根据报告,GE还利用这些激光器从新的耐热(因而难以加工)材料生产其他涡轮零件。其他创造细小、复杂特征产品的制造商也可以获益。手术刀、针头和其他医疗器械;汽车喷油嘴和火花塞;单晶和多晶金刚石(PCD)切削刀具——这些只是其他一些记载的工作实例,其中这一特殊种类的激光切削已被证明是从铣削到蚀刻到EDM(电火花加工)等工艺的可行替代方案。除了GE正在进行的冷却、清洁材料去除之外,技术开发人员表示,分立零件制造商可以从该技术在整个深度范围内实现无锥度切削的能力中受益,而无需担心焦点。

这一切如何实现?还是通过最重要的基本元素:水。更具体地说,通过紧凑的加压水流完全包住激光束,以同时用作导引、冷却介质和清洁剂。

·扩展应用领域

在瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)开发了现在名为激光微射流(LMJ)的博士后,博士生Bernold Richerzhagen于1997年创立了Synova,将新专利技术引入工业制造商。在接下来的20多年里,Synova渗透了从钻石和宝石切割到半导体和电子产品的市场,依靠机床制造合作伙伴为LMJ提供合适的行业专用平台。美国业务经理Jacque Coderre表示,尽管该公司自2003年以来一直在硅谷的小规模客户群附近维持美国办事处,但推动LMJ向更大规模扩展所需的销售、服务和支持基础设施,需要加快与一个重要合作伙伴的合作步伐。

这个合作伙伴是机床制造商Makino,步伐加快归功于两家公司最近与GE合作将LMJ应用于涡轮叶片冷却孔生产。这项工作促成了MJ系列LMJ加工中心的开发,并于2016年5月与签订了独家销售、分销和售后支持的单一源技术(SST)协议,该公司是Makino的一个提供工程、现场服务和产品销售的部门,补充了制造商自己的铣削和EDM产品线。有两种尺寸可供选择:三轴MCS 300和较大的五轴MCS 500,专为3D操作而设计,就像在GE进行的那些操作。Synova的LCS系列是一种非Makino系统,用于精密加工小型金属和硬质材料零件,也可通过SST获得(最大的LCS,LCS 300,工作范围为300×300 毫米)而MCS 500提供500×400毫米)。

在这两条产品线中,切削动作都落在二极管泵浦的固态钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器上,脉冲持续时间以纳秒为单位,平均功率为50-200瓦,波长为532牛米(某些LCS型号也提供1064牛米)。切口宽度与喷嘴直径紧密匹配,精度和重复性以微米为单位。在低压下投射的纯水、去离子水和过滤水包裹着光束,以限制水流不利影响带来的风险。这种水流非常类似于光纤电缆,确保加工是冷却、清洁和准直的。

·冷却、清洁、准直

由于全内反射的原理,基本上可以在水流中“捕获”激光束。当能量波(即激光束)从具有较低密度介质(即水和空气之间的边界)的边界完全反射,从而不会有能量穿过。LMJ利用这一原理将光束从水流的内壁反射回来,从而迫使它沿着从喷嘴到工件的狭窄直线路径传播。

如果这个原理很简单,那么工程就不算什么了。机床平台具有各种内置子系统,用于处理和安全地容纳水。至于激光头本身,光束必须以某个角度接近边界以反射而不是穿过它,这是一个挑战。水射流也必须高度稳定,边界一致,以防止光束逸出。为此,Synova的一项国际专利涉及使用由气体封闭的液体射流来防止形成湍流。由蓝宝石或钻石构成的喷嘴具有耐用性,特殊形状可确保气体和水适当发生相互作用。Coderre先生说,优化水舱的形状也需要多年的实验。

尽管Synova对这些和其他关键设计特征一直守口如瓶,但该公司的文献描述了这种独特技术与传统激光加工的区别在于三个基本方面:

——没有锥度。 LMJ系统喷嘴的直径范围为25至120微米,低压水流量比这小15%。利用内部连续反射光束的能量,水流本质上成为一个完美的圆柱形叶片,在其轨迹中留下完美的直壁。

在没有引导水流的情况下,激光束是自然的锥形,从源变窄到特定焦点然后再次向外展开。因此,必须严格控制切削深度和焦点位置,以避免切削中出现不必要的锥度。水的添加消除了对此的担忧。根据Synova的文档,在水射流及其内部的激光开始分离之前,水射流可以投射到距离喷嘴直径1000倍的距离,(MCS系列的最大工作范围为100毫米)。

——没有热影响区。虽然激光在原始速度和精度方面可能无懈可击,但只有某些应用才会让它去直接熔化材料。通常,激光烧蚀的性质阻止了它在工件上的使用,因为在切削区域周围的热影响区内,可能发生微裂纹、变形和其他条件的不利影响。在LMJ系统中,围绕光束的发丝般细的水流在激光脉冲之间的微秒间隙中吸收这种热量。

——无材料沉积。水射流不仅仅消除了切削区域的热量。它还带走了烧蚀的废料和任何其他可能作为碎屑粘附在工件上的污染物。结果是更清洁的切削和可能终结去毛刺和其他下游的操作。

这三个优点的结合使LMJ具有多功能性,可将复杂的特征切割成几乎任何材料,除了玻璃,木材,纸张,纺织品和透明塑料。 Coderre先生说,这使得该工艺不仅可以替代干式激光切割,还可以替代许多其他工艺。

·补充和替代

自2001年推出LCS系列以来,公司将重点放在金属和其他硬质材料上,Synova已经记录了LMJ在全球客户设施中取代其他工艺的多个例子。据该公司介绍,它经常被证明比铣削微型零件更快——假设材料足够柔软可以选择铣削——它也消除了对毛刺和刀具损坏的担忧。它可以比EDM快得多,EDM会在某些表面上产生微裂纹,需要定期更换电极和/或电线,并且仅能在导电材料上工作。事实证明,它比电铸或冲压更灵活,并且能够产生比后者更小的尺寸。不锈钢、铝、铜铍、镍钛,立方氮化硼——LMJ可广泛应用于各种应用,特别是在医疗,刀具和汽车市场。

然而,最近MCS系列的揭幕以及与SST达成的协议揭示了Synova在工业涡轮机市场中所看到的机会,特别是加入了Makino等合作伙伴的相关技术和专业知识之后。根据在GE验证的概念,SST现在正在营销所谓的“混合加工单元”,包括MCS 500和Makino EDBV的EDM钻机,专门用于钻削铸造叶片中的冷却孔和具有中空内部的导向叶片部件。Makino SST总监Mark Logan表示:“与我们EDM的EDBV系列集成(LMJ),使用户能够钻出一个具有最佳成果的完整叶片,包括非视距孔的钻孔。”

他解释说,这些涡轮叶片和导流叶片通常涂有陶瓷隔热层,以帮助抵御高温。问题是,这些涂层不导电,EDM仅适用于导电材料。因此,制造商通常在涂覆涂层之前对孔进行EDM钻孔。更复杂的是,现在冷却孔变得越来越复杂。设计者越来越多地采用具有锥形、方形或其他非圆形开口的扩散器孔,这些开口并不总是以外部扩散器形状为中心。仅使用EDM,制造商通常选择加工出大于规格的这些特征以适应涂层的厚度,其中一些特征可能需要在之后手动移除。具有在机床之间传输数据的方案的自动化混合加工单元简化了该过程。初始涂层渗透和扩散器形状的加工可以通过LMJ进行,同时将大部分孔留给EDM钻机。

至少,通常就是这种情况。如果一个孔足够浅,LMJ完全能够加工整个几何形状,并且它可能比EDM钻孔更快。然而,在一定深度,水流开始分解,EDM变得更快,并且是唯一选择。 EDBV机器也具有其他优点。例如,它们的发电机具有动态反馈电路,感知管式电极的位置并根据需要增加进给以使 “空气切削”最小化,特别是在高接合角度时。机床还可以感知电极何时在一秒或0.04英寸深度内突破内腔以保持速度,同时防止可能会扰乱气流的电火花回击。EDM产品经理Brian Pfluger表示,Makino的专用弯曲导轨还有助于加工非视距涡轮发动机孔特征的功能。

可以说LMJ和EDM钻孔在这些应用中都占有一席之地,并且由制造商决定哪种钻孔最适合任何给定的工作。将两者结合在一个单元中可以使两个过程的工作负荷平衡,从而将质量和生产率提高到超出任何一个孤立系统的水平。同时,根据GE报告,该公司已经在利用LMJ机床从陶瓷基复合材料中切削分离的涡轮零件。如果GE的案例是个标杆,那么其他制造商也可以从这人尽皆知的加工工具包中添加LMJ,可以作为其他工艺的补充和替代。

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/201905/23/56709.html
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