CN108326441A - 一种大型环形构件激光刻型制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种大型环形构件激光刻型制造方法，用于对航空航天直径不小于1.2m的构件进行加工，主要包括：对构件进行表面清洁，将清洁后的构件浸入刻蚀漆，浸没一小时后，取出所述构件；将构件放置匀拌烘干机，一小时后取出所述构件；对构件进行第一次装夹，对构件端面取四个定位点，进行第一次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案；将刻蚀后的构件浸入腐蚀池中，通过腐蚀池中的腐蚀溶液对构件加工，经过激光刻蚀掉的刻蚀漆位置处构件表面暴露于腐蚀溶液中，受到腐蚀溶液腐蚀后变薄，未经过激光刻蚀的刻蚀漆仍覆盖在构件表面处防止腐蚀溶液腐蚀。
Description
技术领域
本发明属于先进激光制造领域，涉及一种大型环形构件激光刻型制造方法。用于对大型航空航天构件表面加工，航空航天构件直径不小于1.2m。
背景技术
20世纪60年代出现一种新型光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10-12s-10-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。
第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”
飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。
飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。
随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。
在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。
在飞秒激光制造领域，光束传输定位对制造精度及质量其重要，国内西安光机所采用了空间光束柔性传输技术，开发了大幅面复杂图案的激光制造技术与装备，但制造效率和稳定性不足；西安交大开发了金属表面微细织构的超快激光加工装备，但高效和实用性有待提升；大连理工采用激光、微削复合加工技术，只能实现小尺寸构件的表面图案制造；510 所主导国内航天器固面天线反射器激光制造，但目前只能依赖俄罗斯激光制造装备（价格昂贵，近1000 万）和西安光机所工程样机，且加工幅面、稳定性、效率达不到要求；针对发动机涡轮部件标印的技术与装备，国内完全空白。
航空发动机机匣类大型薄壁化铣件的激光刻型技术是新型飞机发动机制造的核心工序，关系发动机的动力性能，目前飞机减重是按照克进行计算的。良好的刻型技术对大型航空航天构件减重具有重要的意义，但是目前，国内外都没有满足要求的大型航空航天构件加工刻型的激光制造装备。例如，国外PRIMA(北美)公司开发的LASERDYNE 高精度多轴激光加工系统，已经用于解决薄壁零件表面激光刻型等加工难题。M.Torres 公司的TORRESLASER 激光刻型机与TORRESTOOL 通用柔性夹具系统首次集成，成为空客德国工厂首台刻型机。截止目前，国外激光刻型装备主要集中在化铣件的一次刻型，能够实现三维蒙皮类零件的激光刻型。国内还没有制造出满足薄壁零件化铣刻型的激光制造装备。意大利PRIMA 公司向我国黎明公司出售的CO2 激光刻型机床，只能完成第一次刻型，价格超过1000万，但刻型减重能力不足。
因此根据航空航天大型构件领域的需求，本发明提出一种大型环形构件激光刻型制造方法，该方法克服了现有技术中仅能刻型一次的限制，在不减小航空航天器材强度的前提下，最大程度的降低加工构件的重量，满足航空航天领域对构件重要严苛的要求。
发明内容
一种大型环形构件激光刻型制造方法，用于对航空航天直径不小于1.2m的构件进行加工，主要包括：
对构件进行表面清洁，将清洁后的构件浸入刻蚀漆，浸没一小时后，取出所述构件；将构件放置匀拌烘干机，一小时后取出所述构件；对构件进行第一次装夹，对构件端面取四个定位点，进行第一次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案；将刻蚀后的构件浸入腐蚀池中，通过腐蚀池中的腐蚀溶液对构件加工，经过激光刻蚀掉的刻蚀漆位置处构件表面暴露于腐蚀溶液中，受到腐蚀溶液腐蚀后变薄，未经过激光刻蚀的刻蚀漆仍覆盖在构件表面处防止腐蚀溶液腐蚀；经过一小时腐蚀后，取出构件，对其进行第二次装夹，浸入刻蚀漆，通过装夹模具的引导，使得腐蚀后的构件表面的凹陷处形成楔形的刻蚀漆覆盖，浸没一小时后，取出；以构件端面所述的四个定位点为基准，进行第二次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案，其中，经过第一次激光刻型的位置形成楔形结构。其中浸入刻蚀漆的构件其表面形成的刻蚀漆覆盖厚度为0.3-0.4mm，刻蚀漆通过震动沉淀的方式促使构件表面均匀涂覆，涂覆误差不大于0.1mm，通过刻蚀漆对探测激光的折射检测刻蚀漆已经涂覆的厚度。浸入刻蚀漆、装夹、激光刻型等加工步骤可以不小于两次。激光刻型通过相对模式计算加工路径，刻型的基本单元为三角形或方形，刻型后在构件表面形成加强肋，刻型后的构件不改变构件整体强度。
具体实施方式
一种大型环形构件激光刻型制造方法，用于对航空航天直径不小于1.2m的构件进行加工，主要包括：对构件进行表面清洁，将清洁后的构件浸入刻蚀漆，浸没一小时后，取出所述构件；将构件放置匀拌烘干机，一小时后取出所述构件；对构件进行第一次装夹，对构件端面取四个定位点，进行第一次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案；将刻蚀后的构件浸入腐蚀池中，通过腐蚀池中的腐蚀溶液对构件加工，经过激光刻蚀掉的刻蚀漆位置处构件表面暴露于腐蚀溶液中，受到腐蚀溶液腐蚀后变薄，未经过激光刻蚀的刻蚀漆仍覆盖在构件表面处防止腐蚀溶液腐蚀；经过一小时腐蚀后，取出构件，对其进行第二次装夹，浸入刻蚀漆，通过装夹模具的引导，使得腐蚀后的构件表面的凹陷处形成楔形的刻蚀漆覆盖，浸没一小时后，取出；以构件端面所述的四个定位点为基准，进行第二次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案，其中，经过第一次激光刻型的位置形成楔形结构。其中浸入刻蚀漆的构件其表面形成的刻蚀漆覆盖厚度为0.3-0.4mm，刻蚀漆通过震动沉淀的方式促使构件表面均匀涂覆，涂覆误差不大于0.1mm，通过刻蚀漆对探测激光的折射检测刻蚀漆已经涂覆的厚度。浸入刻蚀漆、装夹、激光刻型等加工步骤可以不小于两次。激光刻型通过相对模式计算加工路径，刻型的基本单元为三角形或方形，刻型后在构件表面形成加强肋，刻型后的构件不改变构件整体强度。
具体还包括以下步骤为：1、进行第一次装夹，对装夹进行误差调试：厚10mm毛胚径向跳动范围0.2 ~ 0.5mm；
2、对构件进行第一次激光刻型，端面工艺定位点：端面4个差分点；
3、构件拆除；
4、对构件涂胶：厚度0.3-0.4mm，化铣对筋尺寸精度影响误差0.1mm，涂胶化铣需要保护工艺定位点，第一个备用试样随同零件涂胶，加工参数修正用；
5、对构件进行第二次装夹：装夹误差调试；
6、对构件进行第二次激光刻型：设置加工路径，安装座刻型；7、对构件进行第一次化铣涂胶：涂胶化铣需要保护装配工艺定位点，第二个备用试样随同零件化铣涂胶，加工参数修正用，化铣后壁厚约5mm；
7、对构件进行第三次装夹，对装夹进行误差调试：厚10mm毛胚径向跳动不大于1mm，调试到与第一次装夹相同的位姿；
8、对构件进行第三次激光刻型，基本刻型单元为三角形或方形；
9、对构件进行第二次化铣涂胶，涂胶化铣需要保护装配工艺定位点，第三个备用试样随同零件化铣涂胶，加工参数修正用，化铣后壁厚约1mm；
10、对构件进行第四次装夹，对装夹进行误差调试：厚1mm毛胚径向跳动范围1.5-2mm，调试到与第一次装夹相同的位姿；
11、对构件进行第四次激光刻型，换用折线光束加工头刻筋侧壁；
12、对构件进行第三次化铣，采用化铣或机械加工去除装配工艺定位点，化铣工型槽；
13、构件成品。
对于本领域技术人员，上述实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种大型环形构件激光刻型制造方法，用于对航空航天直径不小于1.2m的构件进行加工，主要包括：
对构件进行表面清洁，将清洁后的构件浸入刻蚀漆，浸没一小时后，取出所述构件；
将构件放置匀拌烘干机，一小时后取出所述构件；
对构件进行第一次装夹，对构件端面取四个定位点，进行第一次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案；
将刻蚀后的构件浸入腐蚀池中，通过腐蚀池中的腐蚀溶液对构件加工，经过激光刻蚀掉的刻蚀漆位置处构件表面暴露于腐蚀溶液中，受到腐蚀溶液腐蚀后变薄，未经过激光刻蚀的刻蚀漆仍覆盖在构件表面处防止腐蚀溶液腐蚀；
经过一小时腐蚀后，取出构件，对其进行第二次装夹，浸入刻蚀漆，通过装夹模具的引导，使得腐蚀后的构件表面的凹陷处形成楔形的刻蚀漆覆盖，浸没一小时后，取出；
以构件端面所述的四个定位点为基准，进行第二次激光刻型，激光器机械臂按照预先设置的刻型图样对构件表面的刻蚀漆进行刻蚀，在构件表面的刻蚀漆上形成加工图案，其中，经过第一次激光刻型的位置形成楔形结构。
2.根据权利要求1所述的大型环形构件激光刻型制造方法， 其中浸入刻蚀漆的构件其表面形成的刻蚀漆覆盖厚度为0.3-0.4mm，刻蚀漆通过震动沉淀的方式促使构件表面均匀涂覆，涂覆误差不大于0.1mm，通过刻蚀漆对探测激光的折射检测刻蚀漆已经涂覆的厚度。
3.根据权利要求1所述的大型环形构件激光刻型制造方法，浸入刻蚀漆、装夹、激光刻型等加工步骤可以不小于两次。
4.根据权利要求1所述的大型环形构件激光刻型制造方法，激光刻型通过相对模式计算加工路径，刻型的基本单元为三角形或方形，刻型后在构件表面形成加强肋，刻型后的构件不改变构件整体强度。
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