CN103394809A - 汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置，包括飞秒激光、分光镜、反光镜组和聚焦透镜组，反光镜组包括两个相同的反光镜，聚焦透镜组包括两个相同的聚焦透镜；飞秒激光经分光镜分为两束光，两束光分别经两个反光镜反射后，入射到两个聚焦透镜，聚焦透镜将两束飞秒激光聚焦到喷油板的喷油孔区域。本发明只需搭建由分光镜、反光镜组和聚焦透镜组构成的飞秒激光分光、传输和聚焦装置，将喷油板零件置于高精度三维移动工作台上，通过控制工作台在XY平面作圆周运动，并沿Z坐标方向作进给运动，即可实现微细喷油孔的飞秒激光高效精密自动加工。本发明还同时提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工方法。

Description

汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置及方法

技术领域

本发明属于激光微细加工领域，具体涉及一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置及方法。

背景技术

喷油板是喷油器上的关键零件之一，喷油板上的喷油孔决定着喷油器的喷雾特性进而决定了发动机的排放水平，喷油器的喷雾特性尤其受到喷油孔微观几何形貌和加工质量的影响。喷油孔的几何参数（直径、长度、锥度、形状、表面粗糙度、孔口边沿等）综合在一起决定着发动机的燃油流动和喷雾特性。

随着喷油孔的孔径越来越小，并且由原先的单个直孔发展为现在的多个斜孔，对微细喷油孔的加工提出了更高要求。传统的喷油孔加工方法，如冲孔法和钻孔法已无能为力（冲头和钻头因加工直径太小的斜孔极易折断）或存在很多困难（如果增加工艺凸台，不仅毛坯制造困难，加工完成后需要去除工艺凸台，而且存在加工毛刺需要后续去毛刺工序和光整加工工序，因此增加了生产成本）。放电加工（Electrodischargemachining，简称EDM）也称电火花加工，其优点是可以加工任何导电材料，不受工件材料的硬度限制，可加工盲孔、斜孔和异型孔，加工过程中几乎无接触力，对工具的强度和刚度要求低，可加工直径小于0.0lmm的微小孔，因此成为目前喷油孔加工的主要方法。然而EDM方法通过电火花烧蚀原理去除材料，所加工孔壁由相互重叠的微蚀坑构成，因而存在表面粗糙度低（呈桔皮状）、重铸层、热影响区、微裂纹、电极磨损快、排屑困难等缺陷。为了提高微细喷油孔的表面质量，必须降低脉冲电火花的能量和加工进给速度，或者采用后续光整加工工序（主要是磨料流光整加工），因此不仅降低了加工效率，而且增加了生产成本。

激光器是上世纪60年代的重大发明之一，随后被引入到加工领域。与传统加工技术相比，激光加工技术具有加工效率高、自动化程度高、无刀具加工、无接触力、成本低等优点。然而现有的激光打孔技术及设备（如连续激光或纳秒激光加工技术及设备）存在的主要缺陷是：加工精度和表面粗糙度低、热影响区大、存在重铸层和微裂纹等，因此目前广泛使用的激光加工技术很难满足喷油器微细喷油孔的高精度和高表面粗糙度加工要求，为了提高加工精度和表面质量，需要深入研究新型的激光加工技术、工艺和设备。

上世纪90年代初期，飞秒钛宝石激光器的出现将激光加工技术推向一个全新的领域，与连续激光或纳秒脉冲激光相比，飞秒激光脉冲与材料的相互作用发生了本质的变化。工件表层电子吸收光子的时间是1fs（10^-15s），电子的弛豫时间是1ps（10^-12s），期间能量储存于电子中，在弛豫时间过后则转变为热量，热量将由表层向内部扩散，1ps的扩散深度为10nm，因此其热影响区非常小。飞秒激光脉冲经过强聚焦后，可以在较低的平均输出功率下实现很高（10¹⁵W/cm²量级）的瞬时激发光强，如此高的激光强度可快速烧蚀材料并气化去除，实现飞秒激光加工。飞秒激光加工技术具有众多独特的优势：如加工精度和表面粗糙度高、真三维加工、无需掩模和热影响小、无重铸层等，可以实现微细结构特征的高精度、高表面质量、真三维成型加工，在微细加工领域展示了巨大的优越性和广阔的应用前景。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置；本发明同时提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置，包括飞秒激光、分光镜、反光镜组和聚焦透镜组，所述反光镜组包括两个相同的反光镜，聚焦透镜组包括两个相同的聚焦透镜；所述飞秒激光经分光镜分为两束光，所述两束光分别经两个反光镜反射后，入射到两个聚焦透镜，聚焦透镜将两束飞秒激光聚焦到喷油板的喷油孔区域。

本发明的进一步设置在于，所述分光镜的两分光面为平面，且相邻的两分光面的夹角成锐角。

本发明的进一步设置在于，所述反光镜的反射光束的方向与喷油孔的中心线方向一致。

本发明的进一步设置在于，两个聚焦透镜中心平面的法线方向分别与两个喷油孔中心线的方向一致。

本发明还同时提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工方法，包括以下步骤：

（1）将喷油板置于三维移动台上，三维移动台可带动喷油板在XYZ三维空间内作运动；

（2）采用权利要求1所述的汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工装置发出飞秒激光束，并聚焦到喷油孔区域，飞秒激光束焦点高温烧蚀气化去除材料，三维移动台带动喷油板在XY平面内作圆周运动，加工出一定深度的圆孔；

（3）三维移动台沿Z坐标方向作进给运动，由上向下逐层深入，加工出所需深度的喷油孔；

（4）加工完两个孔后沿Y坐标方向移动，加工出喷油板上的另外两个孔，实现一个喷油板零件上四个喷油孔的加工。

本发明只需搭建由分光镜、反光镜组和聚焦透镜组构成的飞秒激光分光、传输和聚焦装置，将喷油板零件置于高精度三维移动工作台上，通过控制工作台在XY平面作圆周运动，并沿Z坐标方向作进给运动，即可实现微细喷油孔的飞秒激光高效精密自动加工。本发明一次可加工两个孔，比传统的单孔加工效率提高约一倍。反复进行，即可实现喷油板零件上喷油孔的高效精密批量加工。

附图说明

图1为飞秒激光加工喷油孔的示意图；

图2图1的局部图；

图3为聚焦飞秒激光加工喷油孔的扫描路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2所示，本发明提供了一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置，包括飞秒激光1、分光镜2、反光镜组和聚焦透镜组，所述反光镜组包括两个相同的反光镜3，聚焦透镜组包括两个相同的聚焦透镜4。

其中，飞秒激光1的中心波长800nm，脉冲宽度小于100fs，脉冲频率1～10kHz，单脉冲能量为3.5～0.35mJ；

分光镜2的两分光面为平面，且相邻的两分光面的夹角成锐角，两分光面能够将入射的飞秒激光全部反射改变方向，由激光器输出的单束飞秒激光经分光镜分为两束光。

反光镜组是由两个相同的反光镜3组合而成，每个反光镜3的反光面为平面，反光面能够将分光镜2传输过来的两束光全部反射，而且反射光束的方向与喷油孔的中心线方向一致。

聚焦透镜组是由两个相同的聚焦透镜4组合而成，两个聚焦透镜4中心平面的法线方向分别与两个喷油孔中心线的方向一致。这两个聚焦透镜4将分光镜2分开并经反光镜3反射的两束飞秒激光聚焦到喷油板5的喷油孔区域，由于聚焦飞秒激光焦点中心区域的温度很高，因此可将材料高温烧蚀气化去除。

所述聚焦透镜4聚焦得到的飞秒激光焦点直径小于1μm，因此单个飞秒激光脉冲烧蚀去除的材料较少。为了实现Ф0.164±0.002mm（符合欧III或国III排放标准）或更小孔径喷油孔的飞秒激光高效精密加工，并且提高飞秒激光加工微细喷油孔的尺寸精度和表面粗糙度，本发明采用如下方法进行加工：

（1）将喷油板5置于三维移动台6上，三维移动台6带动喷油板5在XYZ三维空间内作运动；

（2）如图3所示，飞秒激光1聚焦到喷油孔区域，飞秒激光焦点可高温烧蚀气化去除材料，三维移动台6带动喷油板在XY平面内作圆周运动，加工出一定深度的圆孔；

（3）三维移动台6沿Z坐标方向作进给运动，由上向下逐层深入，可加工出所需深度的喷油孔；

（4）加工完两个孔后沿Y坐标方向移动一定距离即可加工出喷油板5上的另外两个孔，实现一个喷油板零件上四个喷油孔的加工；本发明一次可加工两个孔，比传统的单孔加工效率提高约一倍。如此反复，实现喷油板零件上喷油孔的高效精密批量加工。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段，如将飞秒激光分为四束光，放置四个聚焦透镜可同时加工四个喷油孔，将飞秒激光分为更多束光，放置更多个聚焦透镜和多个喷油板零件可同时加工多个喷油板上的多个喷油孔。

Claims (5)

1.一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置，其特征在于，包括飞秒激光、分光镜、反光镜组和聚焦透镜组，所述反光镜组包括两个相同的反光镜，聚焦透镜组包括两个相同的聚焦透镜；所述飞秒激光经分光镜分为两束光，所述两束光分别经两个反光镜反射后，入射到两个聚焦透镜，聚焦透镜将两束飞秒激光聚焦到喷油板的喷油孔区域。

2.根据权利要求1所述的汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光高效精密加工装置，其特征在于，所述分光镜的两分光面为平面，且相邻的两分光面的夹角成锐角。

3.根据权利要求1所述的汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工装置，其特征在于，所述反光镜的反射光束的方向与喷油孔的中心线方向一致。

4.根据权利要求1所述的汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工装置，其特征在于，两个聚焦透镜中心平面的法线方向分别与两个喷油孔中心线的方向一致。

5.一种汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将喷油板置于三维移动台上，三维移动台可带动喷油板在XYZ三维空间内作运动；

（2）采用权利要求1所述的汽车喷油器微细喷油孔飞秒激光精密加工装置发出飞秒激光束，并聚焦到喷油孔区域，飞秒激光束焦点高温烧蚀气化去除材料，三维移动台带动喷油板在XY平面内作圆周运动，加工出一定深度的圆孔；

（3）三维移动台沿Z坐标方向作进给运动，由上向下逐层深入，加工出所需深度的喷油孔；

（4）加工完两个孔后沿Y坐标方向移动，加工出喷油板上的另外两个孔，实现一个喷油板零件上四个喷油孔的加工。

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