激光切割在钣金件快速精确加工中的应用分析

1 引言
    在液体火箭发动机推力室成形以及产品连接、导管制造中，钣金件起到了关键作用。航天产品钣金件与普通钣金件相比具有品种多、外形复杂、光洁度高、公差要求严等特点。而钣金件成型之前．首先要解决的是钣金件的外形展开加工。钣金件外形展开加工通常采用以下方法：画线铣削、线切割、等离子切割、氧乙炔火焰切割、模具冲压、高压水切割和CO₂激光切割。
    各种切割下料方法都有其优缺点。精度、速度和成本均不同。在工业生产中有一定的适用范围。选用一种最便捷适应广的加工方法是目前液体火箭发动机钣金零件制造所面临的任务。
2 典型钣金零件工艺方案的选择
2.1 钣金件的结构特点
    (1)名称：导流板。
    (2)结构特点：加工内型面为不规则曲线轮廓结构(如图1)。
2.2 技术要求
    材料为1Crl8Ni9Ti钢板，厚度82mm，内轮廓曲率不仅多变而且要做到光滑过度，且尺寸公差最严处为35^-0.1mm。
2.3 工艺分析及工艺方案的选择
    根据上述零件的零件图及结构特点．有以下几种加工工艺方案可供选择：
    (1)模具冲压；
    (2)电火花线切割；
    (3)高压水切割；
    (4)激光切割。
2.4 针对下达导流板16件生产任务进行各种工艺的分析比较
2.4.1 模具冲压
    因只加工16件。虽然模具能保证内轮廓精度要求，但是加工Φ1孔的阳模寿命短易折断，模具本身成本高而且加工周期长，不经济。
2.4.2 电火花线切割
    精度以及表面光滑过度均能保证。但是首先需要加工出穿丝孔．加工速度过于缓慢。不合理(注：线切割加工直线段与激光切割精度及粗糙度相当。但是如果加工自由曲线或不规则曲线则精度及粗糙度不如激光切割)。
2.4.3 高压水切割
    密封件、切割头等耗材寿命短，成本高。
2.4.4 激光切割
    因为其数控程序是由CAD图形-几何位图-以非均匀有理B样条曲线为基础的PLC控制程序同步转化的，不存在人为误差，再加上精密机床保证，机械精度理论上误差在±0.02mm，由于环境原因实际上误差在±0.05mm左右。而且排料可以用软件来排。排料随心所欲，材料利用率通常≥80％,加工精度、切割面粗糙度、热影响区范围和加工速度均能满足要求。(激光加工模拟如图1所示)。

图l 零件激光加工过程模拟

2.5 结论
    在对加工速度、加工精度、生产率、生产成本的综合考虑下，选择激光切割加工钣金零件能获得满意结果。
3 激光切割的工艺过程及其参数分析
3.1 激光设备
    激光设备采用Trumpf公司激光冲裁复合加工中心。
3.2 激光束参数
    激光系统一般由激光器、激光传输系统、控制系统、运动系统、传感与检测系统组成，其核心为激光器。
    激光器为CO₂气体脉冲式激光器。光束横截面上光强分布接近高斯分布．具有极好的光束质量，主要性能指标如下：
    激光波长：10.61xm
    脉冲功率：2.4kW;脉冲宽度；约l0ms
    功率密度：10⁷W/cm² ；激光发散角：1mrad
    激光功率稳定度：2％
    激光束焦点直径：Φ0.15-Φ0.30
    经实践验证，激光冲裁复合加工中心CO₂激光切割加工δ0.5mm-δ6mm板材的工艺特点及相关参数是：

图2 氧气切割碳钢切缝粗糙度与料厚的关系

    (1)切口宽度窄(一般为0.15-0.30mm)、精度高(一般孔中心距误差为0.01-0.05mm，轮廓尺寸误差为0.05-0.2mm)、切口表面粗糙度好(一般Rz为1.6-6.41μm)，切缝一般不需要再加工即可焊接。
    由图2可以看出切缝粗糙度与料厚成正比。