封面 | 多轴数控激光刻型关键技术与装备

编者按

为推动我国激光微纳制造技术的深入发展，《中国激光》推出“激光微纳制造”专题。旨在报道我国该领域内最新研究进展，为国内同行带来新的学术参考。

专题封面文章来源于北京航空航天大学刘强教授课题组，针对机匣环形薄壁筒体激光刻型加工问题，成功研制了六轴五联动数控激光刻型机床原理样机和工程样机，并在航空制造企业和重点型号中实现了工程应用，具有广泛应用前景。

封面解读

封面呈现了航空发动机机匣零件多轴数控激光刻型过程。数控激光刻型以激光束作为刻型加工的“刀具”，按照化铣几何图案和工艺参数预先编制的数控加工程序，在光机电协同控制系统的基础下，在保护胶层上刻蚀出几何图案，去除胶层，完成刻型加工。所研制的六轴五联动数控激光刻型关键技术及装备，实现了航空发动机机匣薄壁类化铣零件的一次/二次激光刻型加工，为航天复杂薄壁结构化学铣削加工中的刻型瓶颈问题提供了新的解决方案。

文章链接：刘强，王健，孙鹏鹏，李明，王辉，殷振朔，王柳权，李坤航. 多轴联动数控激光刻型加工关键技术及装备研发[J]. 中国激光，2022，49(10): 1002401

研究背景

航空发动机机匣作为一种典型的航空航天薄壁化学铣削（以下简称“化铣”）结构零件，其加工制造难度极大，是国际上公认的复杂制造工艺问题，对现有制造技术与装备提出了巨大挑战。激光刻型作为一种新型的化铣图案刻型方法，是航空航天薄壁零件化铣工艺流程的关键步骤，可有效提升化铣图案的刻型精度和效率，对提高航空航天装备的推重比和制造效率具有重要意义。

围绕航空发动机的减重需求，机匣筒体需要进行多次化铣刻型加工。刻型过程中，如何将激光加工与数控技术相结合，进行激光刻型加工机床的主机设计，激光器与光路传输系统、光机电协同控制系统等功能模块的开发和集成，突破其中的激光刻型轨迹规划、光机电协同控制、加工参数自适应匹配与优化等关键技术，是实现航空航天薄壁化铣件激光刻型工程应用亟待解决的问题。

创新工作

北京航空航天大学刘强教授团队针对航空发动机机匣复杂曲面的激光刻型问题，基于激光多次刻型工艺过程，提出了一种考虑化铣演化的激光刻型轨迹规划算法，给出了激光多次刻型轨迹规划和图形特征自动编程的基本过程，如图1所示。采用双B样条曲线拟合激光刻型位置和姿态的多轴运动轨迹，并获得了满足精度要求的曲线控制顶点和曲线拟合误差。

图1 激光刻型复杂刀轨的自动生成。（a）一次刻型编程结果; （b）二次刻型编程结果

以激光刻型的最小加工时间和最小热影响区宽度为目标，建立了光机协同优化模型，综合考虑了轨迹曲线的弓高误差、进给轴的速度、加速度和脉动等约束，获得整段加工轨迹的最大进给速度，如图2所示。

图2 光机电协同优化算法仿真结果

针对激光刻型中运动参数和激光参数的自适应优化问题，建立了激光工艺参数的自适应匹配优化算法，仿真计算了不同速度条件下满足约束条件的激光加工参数，为激光刻型的光机电协同控制提供了理论参数，如图3所示。

图3 激光刻型工艺参数优化结果图。（a）等权重工艺参数优化结果；（b）不等权重下工艺参数优化结果

最后研究了六轴五联动数控激光刻型机床的结构设计、高精度光路柔性传输与定位、光机电协同控制，研制了六轴五联动数控激光的原理样机和工程样机，分别如图4和图5所示，并实现了工程应用。

图4  六轴五联动智能数控激光刻型机床原理样机。（a）原理样机结构图；（b）机床原理样机实物图

图5 工程样机和零件刻型过程

总结与展望

本研究针对机匣环形薄壁筒体激光刻型加工问题，突破了高精度光路柔性传输定位、激光刻型过程多参数多变量耦合控制、具有直接运动和嵌入式运动多模式开放式光机电协同控制系统、激光刻型特征轨迹规划和自动编程等核心技术，研制六轴五联动数控激光刻型机床原理样机和工程样机，实现了航空发动机机匣环形薄壁化铣筒体零件的一次刻型/二次刻型，为解决航空航天化铣结构零件激光刻型问题提供了关键技术和装备的支持，具有广泛的应用前景。

团队将继续围绕航空结构零件的激光制造工艺和装备，开展金属基体上激光去除非金属涂层过程中的介尺度演变规律、激光刻型机理和工艺过程建模理论与方法、复杂曲线曲面智能化轨迹规划算法及工艺优化、智能化光机电协同控制系统研究开发与集成应用等方面的研究工作，实现复杂曲面零件精细高效激光加工。

课题组简介

北京航空航天大学刘强教授团队组织协同西安交通大学、西安光学精密机械研究所、中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司、北京航天控制仪器研究所、西安中科光电精密工程有限公司等单位，形成以“产、学、研、用”相结合的激光刻型技术与装备攻关课题组，在机匣环形薄壁件六轴五联动数控激光刻型加工装备研制和工程应用方向实现了自主创新和重要突破，填补了国内空白。近年来，刘强教授牵头的智能加工与先进数控技术研究团队面向航空航天和装备制造领域，依托“高效数控加工技术创新中心”和“北航江西研究院”等国家和省部级研究中心，聚焦智能数控系统和智能机床、加工过程智能控制、复杂曲面激光加工等方向，承担了“高档数控机床和基础制造装备”国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目等一批重大重点项目和课题，先后获得中国机械工业科学技术奖特等奖、全国发明展览会金奖等荣誉和奖励。

编辑 | 沈雅捷

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