供油孔流量数值模拟及其飞秒激光加工工艺优化

航天发动机供油装置的喷油流量均匀性是决定其性能质量的关键技术指标,其中供油孔的形状尺寸、内表面状态是喷油流量的重要影响因素。传统的供油孔加工方法以电火花加工为主,存在较厚的重铸层,且加工效率低。而激光制孔为典型的非接触式制孔方法,具有加工效率高、质量好,重铸层少的显著优势。为满足某型号航天发动机供油装置的高效高质量制造要求,采用脉宽为200 fs的超短脉冲飞秒激光螺旋制孔工艺,针对1.5 mm厚的GH3044镍基合金材料开展了以0.39 mm孔径为加工基准的流量数值模拟及工艺试验研究。首先通过数值模拟手段,研究了孔径、圆度、锥度以及内壁粗糙度对供油孔流量的影响规律和控制手段,之后根据模拟所获得的理论结果,通过飞秒激光制孔试验对制孔工艺进行了优化。研究发现,出入口孔径是决定流量大小最重要的因素,在单脉冲能量140μJ,单层扫描时间1200 ms,单层进给量0.02 mm,重复频率100 kHz,旋转速度2400 r/min的工艺下,将孔径偏差控制在±5μm以内,最终成功实现了供油孔流量偏差1.8%的制孔效果。