微孔结构的加工

2. 微孔结构的加工方法
微孔加工比较难，尤其是加工直径在1mm以下 的微孔加工，其难度就是非常的大。但是有好多机 械产品上都有这种微孔结构。比如油泵、油嘴，水 刀、模具，等等，都会用Βιβλιοθήκη Baidu微孔加工。
微孔器件的加工方法有:钻孔、磨孔、电火花打 孔、激光打孔、超声波打孔等。
3. 微孔器件加工工艺实例
①涡轮叶片
涡轮叶片打孔的主流方法是高速电火花加工。 电火花加工是基于正负电极间脉冲放电时电 腐蚀现象对材料进行加工的特种加工技术。 它与其他加工技术相比有以下特点: 可加工 任何导电材料，不受工件材料硬度的限制、可在 斜面上加工出不同形状的微孔、加工过程中无切 削力。而电火花微细加工中，由于排屑困难，电 极相对损耗较大，而微细电极的制备又十分困难， 使得其加工效率低，加工精度一致性差。
图11 航空发动机大型燃烧室
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电极成型方法：1.块状电极成型法2.反拷电 极法3.线电极磨削法 （WEDG）
WEDG技术的工作原理
WEDG的加工原理如图 1 所示。加工过程中 ,线电极沿导 向器槽缓慢连续移动 ,移动速度一般为5 -10 mm/ min。金属丝 的单向移动 ,使得在加工过程中 , 不必考虑工具电极损耗所带 来的一系列影响，导向器沿微细轴的径向作微进给 ,而工件随 主轴旋转的同时作轴向进给。通过控制微细轴的旋转与分度 及导向器的位置 ,可以加工出不同形状的电极。
图9 LASERTEC130PD
图10 航天发动机大型燃烧室
为了有效地提高加工效率，LASERTEC 130PD的X轴 驱动采用了先进的直线电机驱动技术，使其快移速度高达 100m/ min，加速度0.5g，Y、Z轴快移速度高达60m/min， 最大限度地缩短了加工节拍。这种直接驱动技术也应用到 了第4轴 、第5轴的回转轴驱动上， 实现5轴激光切割和焊 接和打孔。
图6 燃气轮机叶片
图7 气轮机叶片
针对冷却孔的加工，DMG公司 主要提供LASERTEC50/80/130PD系 列激光加工中心，用于不同规格尺
寸的工件的加工，最大加工工件直 径可达1300mm。以LASERTEC80PD 为例，该机床加工精度高，定位精 度高(Pmax<10μm)，除了可进行基本 的X/Y/Z 三轴加工外，还可配置第4 轴或第5轴，极大地增强了机床的加 工柔性，实现了最高的动态性能。
1-活塞；2-上料缸；3-磨料； 4-工件；5-夹具；6-下料缸。
磨料流加工技术在对喷丝板微孔的加工中具有
以下两方面的优势: 喷丝板微孔的加工、特别是对于长径比较大的
深孔,是孔加工中较难进行的,由于尺寸上所受的限 制,传统的加工手段较难以胜任,而磨料流加工中的 刀具--流体磨料具有随机流动性, 到达区域能够不受 限制。另外,用一般的抛光工艺进行加工时所采用的 磨料,会在孔口处产生喇叭口形状的加工误差。而磨 料流加工技术所采用的粘弹性磨料由于其具有入口 收敛作用,即当粘弹性磨料流体从大截面流道进入工 件孔道时,会由于流体的粘弹特性和流道截面的突然 收缩,以及自身的粘弹力学特性,而在工件孔道流动 中产生相应的弹性应变能的贮存及其粘性耗散,出现 明显的入口压力下降,从而能够较好地解决微孔抛光 加工中易出现喇叭口的加工工艺问题。
激光加工方式
Dausinger 对飞秒激光金属材料微孔加工工艺进行研 究，将激光与材料的相对运动方式分为4类，即单脉冲加 工、叩击式加工、环切加工和螺旋钻孔。 单脉冲加工： 通过工艺保证一个脉冲和材料作用后，直 接形成所需微孔。
图 3(a)高速飞秒激光单脉冲打孔示意图；(b)加工结果原子力显微镜图
叩击式加工：需要多个脉冲的连续作用使得微孔深度不 断增加，以达到所需深度
图4 不同脉冲个数的激光(a)1；(b)5；(c)100
环切加工:飞秒激光加工热影响区小、加工质量高，将激 光线切割与微孔加工方面进行结合。
图5 (a)硅材料上环切微孔加工示意图；(b)SEM图
螺旋钻孔:是在环切基础上增加了深度方向的运动，适合 加工直径较大的深孔。
图1 线电极磨削原理图
微细电极与微孔同时成型的电火花加工法
电极与孔同时成型法的原理如图 2 所示,当电极为 正极(+) ,工件为负极(-) ,使电极旋转比通常高数十倍的 电极进给速度进行微细电火花加工时,电极的外周比中 心部分能产生更多的损耗电极,端部在数分钟内直径便 可成型到数十微米,长度达到数百微米,如图所示随着电 极成型的同时，同样形状的穿孔加工结束，以往需要 多道工序的锥孔加工仅用一道工序即可加式完毕，可 以认为这是一种低成本高效率的新型电火花加工方法。
在对喷丝板进行微孔钻削加工时,喷丝板的微孔内表面 会留下毛刺,进而会影响到丝条的质量和正常生产。
由于磨料流加工技术具有对零件隐蔽部位的孔及型腔 研磨抛光、倒圆角的作用,因而在喷丝板微孔的加工中,特别 对于长径比大的微孔能起到很好的加工效果,具有其它加工 方法无法比拟的优越性。
磨料流加工原理
磨料流加工技术主要是依靠 在一定的压力下流动的粘弹性流 体介质及其携带的磨粒反复冲刷 工件表面来达到对工件抛光的目 的;因为当硬质磨粒直接接触加工 表面时,产生了微量的去除作用。
图2 电极与孔同时微细电火花加工
②喷丝板
喷丝板是纺丝机不可缺少的精密零件,其功用是将精确 计量过的纺丝熔体通过喷丝板上的微孔喷挤出具有一定粗 细和质地细密的纤维束。喷丝板上的微细孔孔道作为 新合 成纤维的母体,它们的加工质量是保证纤维成品质量和良好 纺丝工艺的重要条件,所以,喷丝板上喷丝孔加工的精度要求 极高,也是至关重要的。
DMG的激光加工设备属于激光精细加工类设备，加工 工艺包括激光铣削、精细切割、焊接以及打孔等，但又不 同于钣金生产用的大功率激光切割机，是以小尺寸零件的 精密成形加工为主。
发动机叶片、燃烧室的冷却孔加工一直以来都是一个 加工难点，其冷却孔数量多，孔径小，并且全都分布在叶 片的三维曲面轮廓上，非常难于装夹和加工。 。
微孔结构的加工
制造二班 陈祥
目录
1.微孔结构的定义 2.微孔结构的加工方法 3.微孔器件加工工艺实例 ①涡轮叶片 ②喷丝板 ③飞秒激光微孔加工
1. 微孔的定义
根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义，孔 径小于2纳米的称为微孔。通常形容一些催化剂的孔径。 微细加工， 据认为凡是工件上拥有狭缝宽度或直径 ＜ 0.1mm的型孔、沟槽、型腔等方面的加工皆称作微细加 工。就孔径而言，由于行业与加工对象不同，微孔的概 念也不尽相同。
德马吉公司
德马吉（以下简称DMG）在德国的Sauer工厂早在20 世纪80年代就已经开始对激光成形加工技术进行研发，并 取得了卓有成效的研制成果。其研制成功的5～7轴激光加 工中心得到了机械加工行业的认可，并有幸被陈列在世界 最大的综合性博物馆——德意志博物馆的机械馆最醒目的 位置上，以记载DMG对激光应用技术所做出的杰出贡献。
③飞秒激光微孔加工
飞秒激光:是一种以飞秒为周期来计算的超强超 短脉冲激光。（1飞秒= 10-15 秒 ）
相比于传统方法，飞秒激光微孔加工具有材料 适应性广、非接触、无污染、高精度、高效率等优 点，尤其是针对３０μｍ以下的微孔，飞秒激光是 最理想的加工手段之一。
飞秒激光微孔的作用机理
初始阶段，加工所形成的等离子体均匀分布，形 成均匀的微孔。而随着加工的进行，孔内形成的等离 子体充当了飞秒激光向孔底传播的媒介，使得飞秒激 光能够继续对微孔进行加工。最后，由于微孔深度增 加后，孔内的等离子体分布开始不均匀，并不能充满 微孔，且光丝状等离子体不稳定扰动，阻碍了孔深的 进一步增加，微孔深度不再增加。然而，飞秒激光微 孔的作用机理涉及材料、光学、物理等多方面因素， 是一个从飞秒到毫秒、从纳米到微米的跨尺度的过程， 当前仍未出现较为完善的解释。
图8 LASERTEC80PD
LASERTEC130PD 是一种专门针对航空航天发动机以及 大型汽轮机行业开发的高精度产品，如图11所示，适用于航 空发动机大型燃烧室部件的切割打孔，如图12所示，可加工 直径达1300mm的燃烧室部件；以及涡轮叶片冷却孔的加工， 也可进行激光焊接。根据不同的需要，可分别选用100W、 300W、500W的Nd：YAG激光器，也可以选用CO2气体激光器。 借助于不同功率的激光器，LASERTEC130PD孔加工最 小直径可达0.010mm，最大零件厚度可至20mm。