陶瓷基復(fù)合材料（CMC）正在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高超飛行器上不斷擴(kuò)大應(yīng)用，但其高可靠和高精度的加工則成為一個(gè)挑戰(zhàn)。CMC高硬度和易損傷的特性，會(huì)導(dǎo)致加工速度緩慢、不斷更換刀具，以及對材料性能產(chǎn)生不良影響、無法滿足零件規(guī)格要求。激光技術(shù)是一種解決方案，可提高加工效率并終結(jié)刀具的重復(fù)性成本。然而，激光產(chǎn)生的熱量會(huì)消散到材料中，從而可能產(chǎn)生微裂紋和材料變性；激光在光束的焦點(diǎn)處切削，還會(huì)導(dǎo)致V形切口，影響公差的精確控制。瑞士西諾瓦公司開發(fā)的激光微射流技術(shù)為解決上述挑戰(zhàn)提供了最佳方案。2017年，美國通用電氣航空集團(tuán)在位于美國北卡羅來納州阿什維爾的CMC發(fā)動(dòng)機(jī)部件生產(chǎn)廠部署了激光微射流技術(shù)，加工LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的CMC罩環(huán)上的孔。生產(chǎn)驗(yàn)證過程表明，該技術(shù)即高效又有助于保持孔直徑的高精度，微射流可以在兩分鐘內(nèi)完成鉆孔，而傳統(tǒng)加工要鉆一個(gè)小時(shí)。

一、激光水射流加工技術(shù)原理及其優(yōu)勢

基于全內(nèi)反射原理，激光微射流技術(shù)可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有較低密度介質(zhì)的空氣－水界面處反射（原理上類似于光纖），沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播，而不會(huì)有能量穿過內(nèi)壁；水則冷卻切削區(qū)，并從切口洗去碎屑。與傳統(tǒng)激光器相比，該技術(shù)不會(huì)讓材料燃燒或發(fā)生熱退化；產(chǎn)生更少的毛刺，可以使表面更光滑；能夠?qū)崿F(xiàn)直邊切削和更高的精度。

激光脈沖持續(xù)時(shí)間以納秒為單位，對于每個(gè)激光脈沖，產(chǎn)生的等離子體會(huì)向上推水，從而實(shí)現(xiàn)有效的燒蝕。在脈沖結(jié)束時(shí)，等離子體坍塌，然后水清潔表面并消散熱量。水射流還消除了干式激光系統(tǒng)通常需要保持激光聚焦帶來的復(fù)雜性和工藝變化，這樣可以切割厚的或非平面的零件而不必?fù)?dān)心焦點(diǎn)問題。利用該技術(shù)制造出的一種圓柱形激光器，可以產(chǎn)生完全平行的壁，并具有緊致的切口寬度。

二、通用電氣航空集團(tuán)CMC激光水射流加工工藝細(xì)節(jié)

1．CMC激光微射流系統(tǒng)及工藝

西諾瓦公司的CMC激光微射流（LCS）系統(tǒng)中，激光束通過加壓水艙并聚焦到噴嘴中。激光器是工業(yè)常見的固態(tài)釹摻雜釔鋁石榴石激光器，大約每秒脈沖10000次，功率為10至200瓦，波長為1064（紅外）、532或355納米。射流為過濾的去離子水，只有發(fā)絲細(xì)（直徑為50至70微米），在200至650巴的低壓下使用。

對于激光頭本身，光束必須以某個(gè)角度接近邊界以反射而不是穿過它，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。水射流也必須高度穩(wěn)定，邊界一致，以防止光束逸出。西諾瓦公司的一項(xiàng)國際專利表明它如何使用由氣體封閉的液體射流來防止形成湍流。由藍(lán)寶石或鉆石構(gòu)成的噴嘴具有耐用性，特殊形狀可確保氣體和水適當(dāng)發(fā)生相互作用。在低壓下投射的純水、去離子水和過濾水包裹著光束，以限制水流不利影響帶來的風(fēng)險(xiǎn)。這種水流非常類似于光纖電纜，確保加工是冷卻、清潔和準(zhǔn)直的。

激光微射流系統(tǒng)噴嘴的直徑范圍為25至120微米，低壓水流量比這小15%。利用內(nèi)部連續(xù)反射光束的能量，水流本質(zhì)上成為一個(gè)完美的圓柱形葉片，在其軌跡中留下完美的直壁。在沒有引導(dǎo)水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源變窄到特定焦點(diǎn)然后再次向外展開。因此，必須嚴(yán)格控制切削深度和焦點(diǎn)位置，以避免切削中出現(xiàn)不必要的錐度，水的添加消除了這個(gè)問題。根據(jù)西諾瓦公司提供的數(shù)據(jù)，在水射流及其內(nèi)部的激光開始分離之前，水射流可以投射到距離噴嘴直徑1000倍的距離（最大工作范圍為100毫米）。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重復(fù)性以微米為單位。

2．通用電氣航空集團(tuán)CMC零件加工流程

通用電氣航空集團(tuán)CMC零件加工線的每臺(tái)機(jī)床都使用一個(gè)帶真空卡盤的3R接口，以便盡可能地使生產(chǎn)接近單件流。3R接口涉及一個(gè)工件夾具系統(tǒng)，在加工線中可夾取多種不同的零件，實(shí)現(xiàn)快速安裝和最大的生產(chǎn)率。工件通過膠接固定到接口，由機(jī)器人夾取，一站站通過自動(dòng)化加工線，包括微射流加工機(jī)床，每站不需要額外的安裝工作。加工線的最后一步是無損檢測，使用GE的計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描（CT）機(jī)。每個(gè)零件都要檢測，掃描時(shí)間是15分鐘，完成時(shí)間是30分鐘，包括數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。

日本牧野機(jī)床公司（Makino）與西諾瓦公司聯(lián)合開發(fā)的激光微射流機(jī)床具備“工廠4.0”功能，激光功率計(jì)、定位傳感器和自動(dòng)射流角度校正集成在激光微射流系統(tǒng)中。該系統(tǒng)實(shí)際上非常靈活，易于作為獨(dú)立系統(tǒng)集成到零件生產(chǎn)中，或作為全自動(dòng)生產(chǎn)線的一部分，無需操作員實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也是機(jī)床具備的重要特征，從工廠中的每臺(tái)機(jī)床直到屋頂都鋪設(shè)有室內(nèi)以太網(wǎng)電纜，連接到工廠的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，稱之為“銀管網(wǎng)絡(luò)”。因此，加工指標(biāo)和CT掃描等在每個(gè)CMC零件的數(shù)字線索中都記錄下來，并用于分析以幫助技術(shù)人員優(yōu)化工藝，提速降本。

三、激光水射流加工技術(shù)應(yīng)用前景廣泛

1．碳纖維復(fù)合材料加工

激光微射流技術(shù)可以基于非常恒定的1立方毫米／分鐘的消融率，快速切割1英寸厚的CMC層壓板。除了CMC，該技術(shù)還特別適用于碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），可在2.6毫米厚的CFRP層壓板上生成直徑為3毫米的孔，速度高達(dá)1440毫米/分鐘。使用常規(guī)的激光器，因?yàn)闊崃勘仨毥档豌@削速，而常規(guī)的銑削雖可達(dá)到類似的速度，但由于需要更換刀具，因此運(yùn)營成本更高。

西諾瓦公司于2018年推出了五軸CNC LCS 305系統(tǒng)，擅長高精度3D切削，非常適合小型CMC零件，但它不適合大型CFRP零件。為此，西諾瓦公司又將其激光微射流系統(tǒng)集成到龍門機(jī)床中，能夠加工大于2米×3米的零件。該系統(tǒng)還很容易與機(jī)器人集成，易于編程，從而擴(kuò)大加工能力。對于2D切削，微射流軟件將CAD文件轉(zhuǎn)換為機(jī)床代碼，一旦驗(yàn)證，操作員只需按下一個(gè)按鈕，機(jī)床就會(huì)執(zhí)行切削程序。對于3D切削，后處理器將從CAD文件中提取必要的3D數(shù)據(jù)，并將其格式化用于微射流軟件。

2．金屬加工

沒有錐度、沒有熱影響區(qū)、無材料沉積這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)使激光水射流具有多功能性，可將幾乎任何材料切割成復(fù)雜的特征，這使得該工藝不僅可以替代干式激光切割，還可以替代許多其他工藝，甚至用于金屬加工。

西諾瓦公司的LCS系列機(jī)床可以精密加工小型金屬，LCS 300的最大工作范圍為300毫米×300毫米，而牧野機(jī)床與西諾瓦公司聯(lián)合開發(fā)的五軸MCS 500可達(dá)500毫米×400毫米，MCS系列補(bǔ)充了牧野機(jī)床自己的銑削和電火花加工（EDM）產(chǎn)品線。牧野機(jī)床正在營銷所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和牧野EDBV的電火花加工鉆孔機(jī)床，專門用于鉆削鑄造渦輪葉片中的冷卻孔和具有中空內(nèi)部的導(dǎo)向葉片部件，可使用戶能夠鉆出一個(gè)具有最佳成果的完整葉片，包括非視距孔的鉆孔。

這些渦輪葉片和導(dǎo)流葉片通常涂有陶瓷隔熱層，以幫助抵御高溫。但是，這些涂層不導(dǎo)電，而電火花加工僅適用于導(dǎo)電材料。因此，制造商通常在涂覆涂層之前對孔進(jìn)行電火花加工鉆孔。更麻煩的是，現(xiàn)在冷卻孔變得越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)者越來越多地采用具有錐形、方形或其他非圓形開口的擴(kuò)散器孔，這些開口并不總是以外部擴(kuò)散器形狀為中心。僅使用電火花加工，制造商通常選擇加工出大于規(guī)格的這些特征以適應(yīng)涂層的厚度，其中一些特征可能需要在之后手動(dòng)移除。具有在機(jī)床之間傳輸數(shù)據(jù)功能的自動(dòng)化混合加工單元簡化了該過程。初始涂層滲透和擴(kuò)散器形狀的加工可以通過激光水射流進(jìn)行，同時(shí)將大部分孔留給電火花加工。

如果一個(gè)孔足夠淺，激光水射流完全能夠加工整個(gè)幾何形狀，并且它可能比電火花加工更快。然而，在一定深度，水流開始分解，電火花加工變得更快，并且是唯一選擇。EDBV機(jī)床也具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如它的發(fā)電機(jī)具有動(dòng)態(tài)反饋電路，感知管式電極的位置并根據(jù)需要增加進(jìn)給以使“空氣切削”最小化，特別是在高接合角度時(shí)。機(jī)床還可以感知電極何時(shí)在一秒或0.04英寸（約1毫米）深度內(nèi)突破內(nèi)腔以保持速度，同時(shí)防止可能會(huì)擾亂氣流的電火花回?fù)�。牧野機(jī)床的專用彎曲導(dǎo)軌還有助于加工非視距渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)孔特征的功能。因此，兩種工藝在這些應(yīng)用中都占有一席之地，并且由制造商決定哪種鉆孔最適合任何給定的工作。將兩者結(jié)合在一個(gè)單元中可以使兩個(gè)過程的工作負(fù)荷平衡，從而將質(zhì)量和生產(chǎn)率提高到超出任何一個(gè)孤立系統(tǒng)的水平。

激光在航空制造中占有越來越重要的地位，激光水射流工藝進(jìn)一步說明了這一點(diǎn)。激光水射流能夠提升陶瓷基復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料的加工效率與成品質(zhì)量。由于層壓纖維結(jié)構(gòu)的存在，比起金屬切削或鉆孔中經(jīng)常存在的毛刺，加工這些復(fù)合材料的熱影響往往可能會(huì)造成更加復(fù)雜的分層和缺陷。在碳纖維-鈦合金疊層鉆孔方面，軌道加工已經(jīng)大面積應(yīng)用，現(xiàn)在在CMC和CFRP鉆孔方面，激光水射流也登上了舞臺(tái)，相信隨著航空復(fù)合材料應(yīng)用的繼續(xù)擴(kuò)大，今后類似的創(chuàng)新工藝還將不斷涌現(xiàn)以顛覆現(xiàn)有的以面向金屬加工為主開發(fā)的傳統(tǒng)工藝。 

（劉亞威）