《空天防務觀察 》注：本文改編自劉亞威先生在《航空動力》期刊2019年第6期發表的論文。陶瓷基複合材料（CMC）正在航空發動機、高超飛行器上不斷擴大應用，但其高可靠和高精度的加工則成為一個挑戰。CMC高硬度和易損傷的特性，會導致加工速度緩慢、不斷更換刀具，以及對材料性能產生不良影響、無法滿足零件規格要求。激光技術是一種解決方案，可提高加工效率並終結刀具的重複性成本。然而，激光產生的熱量會消散到材料中，從而可能產生微裂紋和材料變性；激光在光束的焦點處切削，還會導致V形切口，影響公差的精確控制。瑞士西諾瓦公司（Synova S. A. ）開發的激光微射流技術為解決上述挑戰提供了最佳方案。 2017年，美國通用電氣航空集團在位於美國北卡羅來納州阿什維爾的CMC發動機部件生產厂部署了激光微射流技術，加工LEAP發動機的CMC罩環上的孔。生產驗證過程表明，該技術即高效又有助於保持孔直徑的高精度，微射流可以在兩分鐘內完成鑽孔，而傳統加工要鑽一個小時。
LEAP發動機的陶瓷基複合材料罩環（美國通用電氣航空集團圖片）
一、激光水射流加工技術原理及其優勢
基於全內反射原理，激光微射流技術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的空氣－水界面處反射（原理上類似於光纖），沿著從噴嘴到工件的狹窄直線路徑傳播，而不會有能量穿過內壁；水則冷卻切削區，並從切口洗去碎屑。與傳統激光器相比，該技術不會讓材料燃燒或發生熱退化；產生更少的毛刺，可以使表面更光滑；能夠實現直邊切削和更高的精度。
激光脈衝持續時間以納秒為單位，對於每個激光脈衝，產生的等離子體會向上推水，從而實現有效的燒蝕。在脈衝結束時，等離子體坍塌，然後水清潔表面並消散熱量。水射流還消除了乾式激光系統通常需要保持激光聚焦帶來的複雜性和工藝變化，這樣可以切割厚的或非平面的零件而不必擔心焦點問題。利用該技術製造出的一種圓柱形激光器，可以產生完全平行的壁，並具有緊緻的切口寬度。
二、通用電氣航空集團CMC激光水射流加工工藝細節．CMC激光微射流系統及工藝
西諾瓦公司的CMC激光微射流（LCS）系統中，激光束通過加壓水艙並聚焦到噴嘴中。激光器是工業常見的固態釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器，大約每秒脈衝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，只有髮絲細（直徑為50至70微米），在200至650巴的低壓下使用。
對於激光頭本身，光束必須以某個角度接近邊界以反射而不是穿過它，這是一個挑戰。水射流也必須高度穩定，邊界一致，以防止光束逸出。西諾瓦公司的一項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。由藍寶石或鑽石構成的噴嘴具有耐用性，特殊形狀可確保氣體和水適當發生相互作用。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險。這種水流非常類似於光纖電纜，確保加工是冷卻、清潔和準直的。
激光水射流加工原理
激光微射流系統噴嘴的直徑範圍為25至120微米，低壓水流量比這小15%。利用內部連續反射光束的能量，水流本質上成為一個完美的圓柱形葉片，在其軌跡中留下完美的直壁。在沒有引導水流的情況下，激光束是自然的錐形，從源變窄到特定焦點然後再次向外展開。因此，必須嚴格控制切削深度和焦點位置，以避免切削中出現不必要的錐度，水的添加消除了這個問題。根據西諾瓦公司提供的數據，在水射流及其內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（最大工作範圍為100毫米）。切口寬度與噴嘴直徑緊密匹配，精度和重複性以微米為單位。
雖然激光在原始速度和精度方面可能無懈可擊，但只有某些應用才會讓它去直接熔化材料。通常，激光燒蝕的性質阻止了它在工件上的使用，因為在切削區域周圍的熱影響區內，可能發生微裂紋、變形和其他條件的不利影響。在激光微射流系統中，圍繞光束的髮絲般細的水流在激光脈衝之間的微秒間隙中吸收這種熱量。水射流不僅僅消除了切削區域的熱量，它還帶走了燒蝕的廢料和任何其他可能作為碎屑粘附在工件上的汙染物，獲得更清潔的切削結果，並且可能終結去毛刺和其他下游的操作。此外，水的消耗也很低，大約2～3升／小時，並且施加在材料上的力是可忽略的小於0.1牛頓。
．通用電氣航空集團CMC零件加工流程
通用電氣航空集團CMC零件加工線的每臺機床都使用一個帶真空卡盤的3R接口，以便儘可能地使生產接近單件流。3R接口涉及一個工件夾具系統，在加工線中可夾取多種不同的零件，實現快速安裝和最大的生產率。工件通過膠接固定到接口，由機器人夾取，一站站通過自動化加工線，包括微射流加工機床，每站不需要額外的安裝工作。加工線的最後一步是無損檢測，使用GE的計算機X射線斷層掃描（CT）機。每個零件都要檢測，掃描時間是15分鐘，完成時間是30分鐘，包括數據評價。
日本牧野機床公司（Makino）與西諾瓦公司聯合開發的激光微射流機床具備“工廠4.0”功能，激光功率計、定位傳感器和自動射流角度校正集成在激光微射流系統中。 該系統實際上非常靈活，易於作為獨立系統集成到零件生產中，或作為全自動生產線的一部分，無需操作員實現大批量生產。工業互聯網也是機床具備的重要特徵，從工廠中的每臺機床直到屋頂都鋪設有室內以太網電纜，連接到工廠的數據庫系統，稱之為“銀管網絡”。因此，加工指標和CT掃描等在每個CMC零件的數字線索中都記錄下來，並用於分析以幫助技術人員優化工藝，提速降本。
西諾瓦公司的LCS機床正在加工零件 （瑞士西諾瓦公司圖片）
三、激光水射流加工技術應用前景廣泛．碳纖維複合材料加工
激光微射流技術可以基於非常恆定的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，該技術還特別適用於碳纖維增強塑料（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1440毫米/分鐘。使用常規的激光器，因為熱量必須降低鑽削速，而常規的銑削雖可達到類似的速度，但由於需要更換刀具，因此運營成本更高。
西諾瓦公司於2018年推出了五軸CNC LCS 305系統，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集成到龍門機床中，能夠加工大於2米×3米的零件。該系統還很容易與機器人集成，易於編程，從而擴大加工能力。對於2D切削，微射流軟件將CAD文件轉換為機床代碼，一旦驗證，操作員只需按下一個按鈕，機床就會執行切削程序。對於3D切削，後處理器將從CAD文件中提取必要的3D數據，並將其格式化用於微射流軟件。
加工後的碳纖維複合材料層板
．金屬加工
沒有錐度、沒有熱影響區、無材料沉積這三個優點使激光水射流具有多功能性，可將幾乎任何材料切割成複雜的特徵，這使得該工藝不僅可以替代乾式激光切割，還可以替代許多其他工藝，甚至用於金屬加工。
西諾瓦公司的LCS系列機床可以精密加工小型金屬，LCS 300的最大工作範圍為300毫米×300 毫米，而牧野機床與西諾瓦公司聯合開發的五軸MCS 500可達500毫米×400毫米，MCS系列補充了牧野機床自己的銑削和電火花加工（EDM）產品線。牧野機床正在營銷所謂的“混合加工單元”，包括MCS 500和牧野EDBV的電火花加工鑽孔機床，專門用於鑽削鑄造渦輪葉片中的冷卻孔和具有中空內部的導向葉片部件，可使用戶能夠鑽出一個具有最佳成果的完整葉片，包括非視距孔的鑽孔。
這些渦輪葉片和導流葉片通常塗有陶瓷隔熱層，以幫助抵禦高溫。但是，這些塗層不導電，而電火花加工僅適用於導電材料。因此，製造商通常在塗覆塗層之前對孔進行電火花加工鑽孔。更麻煩的是，現在冷卻孔變得越來越複雜，設計者越來越多地採用具有錐形、方形或其他非圓形開口的擴散器孔，這些開口並不總是以外部擴散器形狀為中心。僅使用電火花加工，製造商通常選擇加工出大於規格的這些特徵以適應塗層的厚度，其中一些特徵可能需要在之後手動移除。具有在機床之間傳輸數據功能的自動化混合加工單元簡化了該過程。初始塗層滲透和擴散器形狀的加工可以通過激光水射流進行，同時將大部分孔留給電火花加工。
激光微射流還可以加工金屬板
如果一個孔足夠淺，激光水射流完全能夠加工整個幾何形狀，並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，並且是唯一選擇。EDBV機床也具有其他優點，例如它的發電機具有動態反饋電路，感知管式電極的位置並根據需要增加進給以使“空氣切削”最小化，特別是在高接合角度時。機床還可以感知電極何時在一秒或0.04英寸（約1毫米）深度內突破內腔以保持速度，同時防止可能會擾亂氣流的電火花回擊。牧野機床的專用彎曲導軌還有助於加工非視距渦輪發動機孔特徵的功能。
因此，兩種工藝在這些應用中都佔有一席之地，並且由製造商決定哪種鑽孔最適合任何給定的工作。將兩者結合在一個單元中可以使兩個過程的工作負荷平衡，從而將質量和生產率提高到超出任何一個孤立系統的水平。通用電氣航空集團已經在利用激光水射流機床獨立切削CMC渦輪零件，如果該公司的案例具有示範效應，那麼其他製造商也可能將該技術部署到自己的加工機床資產組合中，作為其他工藝的補充和替代。這將大大增加激光水射流技術業已廣泛的應用前景。
四、結束語
激光在航空製造中佔有越來越重要的地位，激光水射流工藝進一步說明了這一點。激光水射流能夠提升陶瓷基複合材料和碳纖維複合材料的加工效率與成品質量。由於層壓纖維結構的存在，比起金屬切削或鑽孔中經常存在的毛刺，加工這些複合材料的熱影響往往可能會造成更加複雜的分層和缺陷。在碳纖維-鈦合金疊層鑽孔方面，軌道加工已經大面積應用，現在在CMC和CFRP鑽孔方面，激光水射流也登上了舞臺，相信隨著航空複合材料應用的繼續擴大，今後類似的創新工藝還將不斷湧現以顛覆現有的以面向金屬加工為主開發的傳統工藝。
劉亞威先生已為《空天防務觀察》提供65篇專欄文章，如下表所示：
<table><tbody>美國數字製造與設計創新機構助力美國智能製造
2015年2月16日
非熱壓罐成形技術用於MS-21機翼主承力構件生產
2月23日
熱塑性複合材料加速進入民機主承力結構
2月25日
軌道加工工藝顛覆航空異種材料構件制孔
2月27日
增材製造（3D打印）——“美國製造，美國能行！”
3月11日
2014，美國國家制造創新網絡雛形初現
揭秘莫納什大學增材製造中心——澳大利亞增材製造先鋒
4月22日
美國通用電氣公司“工業互聯網”——兩大革命共鳴下的智能製造新前景
5月27日
美國通用電氣公司——高端增材製造技術的領軍者
6月1日
“數字製造”VS“智能製造”
8月17日
你應知道的集成光子學和集成光子學制造創新機構
8月24日
波音採用創新技術製造NASA新概念飛機機身
9月28日
無人機複合材料結構低成本製造技術（節選）
10月9日
你應知道的柔性混合電子學和柔性混合電子學制造創新機構
10月14日
解讀美國國家制造創新網絡中製造創新機構的分級會員制
11月23日
德國“工業4.0”之“智慧工廠”計劃（上）、（中）、（下）
12月18日、21日和23日
美國國家增材製造創新機構的技術路線圖和項目概覽（上）、（下）
2016年1月8日、15日
美國國家制造創新網絡計劃2015年實施亮點
2月15日
美國政府發佈首份國家制造創新網絡年度報告和戰略計劃
2月22日
美國國家制造創新網絡戰略計劃要點
3月4日
工業互聯網聯盟與工業4.0平臺的合作始末
4月1日
航空製造領域即將發生五個變革
4月6日
你應知道的革命性纖維與織物和革命性纖維與織物製造創新機構
美國國家制造創新網絡的知識產權管理
5月11日
十八張圖說新工業革命與未來航空製造
5月17日
十七張圖說波音創新制造新概念飛機機身和民機主承力構件非熱壓罐製造
5月23日
人——航空智造轉型之路的核心資產
定位高端——航空增材製造技術
6月6日
美空軍“未來工廠”願景與專項計劃
6月29日
美國政府提出先進製造業優先技術領域（上）、（下）
7月5日、7月7日
美國智能製造領導力聯盟——美國國家智能製造創新機構的領導者（上）、（下）
7月11日、7月13日
“增強現實”助力航空智能製造
9月8日
美國製造創新機構運行效果的評價
10月19日
美國數字製造與設計創新機構的項目機制
10月21日
美國洛馬公司深度參與國家制造創新網絡
10月24日
飛機部裝邁向智能化
11月21日
新工業革命下航空智能製造的三大典型範例
11月30日
航空製造改變未來製造業：再次認識製造與未來航空製造
12月26日
航空製造改變未來製造業：重新定義製造業
12月28日
美國防部發布增材製造路線圖
2017年3月1日
解讀美國先進生物組織製備製造創新機構
3月8日
解讀美國防部先進機器人制造創新機構
5月8日
英國高價值製造戰略與航空製造創新
5月17日
美國防部先進輕量化材料製造創新機構一覽
5月24日
虛擬現實／增強現實技術支撐航空智能製造轉型
5月31日
淺談智慧院所／智能車間信息化能力建設需求
8月30日
五大航空製造商製造創新實體
9月13日
數字線索助力美空軍航空裝備壽命週期決策
9月27日
AS6500標準將協助美軍加強採辦項目製造成熟度管理
12月6日
美軍希望擴展製造成熟度應用範圍（上）、（下）
12月15日、12月18日
美國洛馬公司利用數字孿生提速F-35戰鬥機生產
12月27日
管窺美軍數字工程戰略——迎接數字時代的轉型
2018年2月11日
淺析美國軍民一體化製造創新——對美國國家制造創新網絡運行邏輯的獨家透視
8月1日
智能技術助力美軍航空裝備保障
8月15日
自動化在線檢測提速未來航空複合材料製造（上）、（下）
8月29日、
8月31日
萬物互聯網：終極軍用互聯網
9月17日
航空製造的萬物互聯（演示文稿）
10月8日
以“超越比例縮放”推動“電子器件復興”——美軍關注後摩爾時代芯片創新發展
11月2日
美國防部數字工程戰略解讀（上）、（中）、（下）
11月18日、
2019年4月1日、4月10日
先進技術保護航空增材製造數字線索的安全
11月28日
看看什麼叫工業強國：創造歷史的波音777X客機機翼製造創新！
2019年1月28日
航空製造推動新概念機器人發展（上）、（下）
5月27日、
5月28日
美軍航空裝備採辦正向數字工程轉型
7月12日
連續纖維3D打印或開啟無人機新熱潮，顛覆航空複合材料製造模式
9月30日
揭秘激光微射流加工——航空結構加工新利器（即本篇）
2020年1月16日
（中國航空工業發展研究中心 劉亞威）
本篇供稿：系統工程研究所
運 營：李沅栩
閱讀更多 空天防務觀察 的文章
