1 引言

在液體火箭發(fā)動(dòng)機推力室成形以及產(chǎn)品連接、導管制造中，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、外形復雜、光潔度高、公差要求嚴等特點(diǎn)。而鈑金件成型之前．首先要解決的是鈑金件的外形展開(kāi)加工。鈑金件外形展開(kāi)加工通常采用以下方法：畫(huà)線(xiàn)銑削、線(xiàn)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。種切割下料方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。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zui便捷適應廣的加工方法是目前液體火箭發(fā)動(dòng)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鈑金件的結構特點(diǎn)

（1）名稱(chēng)：導流板。
（2）結構特點(diǎn)：加工內型面為不規則曲線(xiàn)輪廓結構（如圖1）。

2．2技術(shù)要求

材料為1Cr18Ni9Ti鋼板，厚度δ2mm，內輪廓曲率不僅多變而且要做到光滑過(guò)度，且尺寸公差zui嚴處為35[-0.3~-0.1] mm。

2．3工藝分析及工藝方案的選擇

根據上述零件的零件圖及結構特點(diǎn)．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(xiàn)切割；
（3）高壓水切割；
（4）激光切割。

2．4針對下達導流板16件生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行各種工藝的分析比較

2．4．1模具沖壓

因只加工16件。雖然模具能保證內輪廓精度要求，但是加工孔的陽(yáng)模壽命短易折斷，模具本身成本高而且加工周期長(cháng)，不經(jīng)濟。

2．4．2電火花線(xiàn)切割

精度以及表面光滑過(guò)度均能保證。但是首先需要加工出穿絲孔．加工速度過(guò)于緩慢。不合理（注：線(xiàn)切割加工直線(xiàn)段與激光切割精度及粗糙度相當。但是如果加工自由曲線(xiàn)或不規則曲線(xiàn)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

因為其數控程序是由CAD圖形-幾何位圖-以非均勻有理B樣條曲線(xiàn)為基礎的PLC控制程序同步轉化的，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)境原因實(shí)際上誤差在±0．05mm左右。而且排料可以用軟件來(lái)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、熱影響區范圍和加工速度均能滿(mǎn)足要求。（激光加工模擬如圖1所示）。

2．5結論

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(mǎn)意結果。

3激光切割的工藝過(guò)程及其參數分析

3．1激光設備

激光設備采用Trumpf公司激光沖裁復合加工中心。

3．2激光束參數

激光系統一般由激光器、激光傳輸系統、控制系統、運動(dòng)系統、傳感與檢測系統組成，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*的光束質(zhì)量，主要性能指標如下：

激光波長(cháng)：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
激光功率穩定度：2％
激光束焦點(diǎn)直徑：Φ0．15~Φ0．30

經(jīng)實(shí)踐驗證，激光沖裁復合加工中心CO2激光切割加工δ0．5mm，δ6mm板材的工藝特點(diǎn)及相關(guān)參數是：

（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，熱影響區微小，變形極小。以上優(yōu)點(diǎn)足以證明：CO2激光切割成為發(fā)展迅速的一種*加工方法。

由圖3可以看出材料的zui大切割速度與料厚成反比。

3．3工藝過(guò)程及工藝參數

3．3．1數控編制切割工藝

用Trumpf公司激光沖裁復合加工中心附帶的TOPS300工藝編程軟件進(jìn)行數控編程，同時(shí)完成材料的下料尺寸計算、排樣、工藝參數設定。過(guò)程如下：

（1）繪圖及圖形類(lèi)型的轉換（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(dòng)載入氣體類(lèi)型、切割速度，并設置退料；
（4）加工順序優(yōu)化，生成數控加工程序，傳輸程序；

3．3．2切割穿孔技術(shù)

對于δ0．5mm~δ6mm厚的板材．大多數熱切割技術(shù)都必須在板上穿一小孔。激光沖壓復合機上是用沖頭先沖出一孔。然后再用激光從小孔處開(kāi)始切割。對于沒(méi)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％。當功率密度超過(guò)106W／cm²的聚焦激光束照射到金屬表面時(shí)。卻能在微秒級的時(shí)間內很快使表面開(kāi)始熔化。常用空氣或氮氣作為輔助氣體，每個(gè)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(shí)間需要幾秒鐘。一旦穿孔完成，立即將輔助氣體換成氧氣進(jìn)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(shí)．價(jià)格昂貴．對6≤3薄板采用預沖孔工藝，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(shí)．氧氣和聚焦的激光束是通過(guò)噴嘴射到被切材料處。從而形成一個(gè)氣流束。對氣流的基本要求是進(jìn)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(jìn)行放熱反應，同時(shí)又有足夠的動(dòng)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構．在使用時(shí)從噴嘴側面通入一定壓力。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(huì )迅速升至沸點(diǎn)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

當入射的激光束功率密度超過(guò)某一值后．光束照射點(diǎn)處材料內部開(kāi)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?chē)娜廴诓牧蠋ё?。隨著(zhù)工件移動(dòng)，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）。

（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)反應而產(chǎn)生另一熱源，稱(chēng)為氧化熔化切割。切割氣體一般用氧氣（02）。

切割氣體氧氣和氮氣的比較見(jiàn)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(shí)間內從噴嘴噴出氧氣氣體體積隨著(zhù)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(shí)間內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(shí)間內從噴嘴噴出氮氣氣體體積隨著(zhù)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(shí)間內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zui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zui大厚度可達6mm．對利用不銹鋼及S-06薄板作為主構件來(lái)說(shuō)是個(gè)有效的加工工具。切邊熱影響區很小，能有效保持此類(lèi)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(jìn)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吹走熔融產(chǎn)物。通?？色@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(chēng)超級合金，品種很多。其中對GH1131、GH1140已做過(guò)工藝試驗，成功實(shí)施激光切割而且斷面質(zhì)量良好。

4 結論

（1）采用激光切割，．切割出的零件外形尺寸，精度、粗糙度、熱影響區都*符合設計要求，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）繪圖的準確性與*切割完之后的調試工作非常重要。通過(guò)工藝編制前調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(lái)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。