CN104014881A - 带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置，其方法是利用激光束在工件上进行沉头微小孔的通孔预加工，再利用管状铜电极对微小孔的沉头进行电火花加工，基本达到所需沉头形状精度，最后再利用与电火花加工电极同轴的高速喷射电解液束对整个带沉头微小孔进行电解加工，去除前两者加工后留下的再铸层；其装置包括：激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置、加工方式转换装置、工作液循环系统、电源和控制系统。本发明的方法以激光和电火花加工为主，再辅以电解加工；兼顾速度、精度和表面质量。本发明可以实现带有各种带异形沉头微小孔的快速加工，克服以往使用单一特种加工方式带来的各种弊端。

Description

带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种加工沉头微小孔结构的方法及装置，具体来说，涉及一种激光-电火花-电解组合加工的方法，同时涉及一种该方法专用的加工装置。

背景技术

电火花加工、电解加工和激光加工分别是上世纪四、五、六十年代开始发展起来的加工工艺，由于其各具有不同的优越性而得到了飞速发展，在航空航天、武器装备、汽车、电子、船舶等制造业中得到广泛应用。三者对于上述领域中广泛存在的细小孔加工具有各自鲜明的特点。电火花加工微细孔有两种方法，即电火花穿孔和高速电火花小孔加工，它们和其它方法相比，在微细孔加工方面有一定优势：可以将任何导电材料，不受工件材料的强度和硬度限制，其次，可在工件表面上加工盲孔、深孔、斜孔及异型孔等，加工过程中切削力很小，对工具的强度和刚度要求较低。但是电火花加工微细孔的深度有限，而且随着孔的加工深度的增加，拉弧的频率越高，最终使加工无法进行而被迫中断，而且电火花加工的零件表面会残留一层很薄的再铸层。激光加工是一种高能量束流加工方法，它以光量子为能量载体，利用聚焦后的高能量密度产生的光热效应来去除材料，具有加工速度快、加工精度高(可至微米级)、无切削力、无需加工工具等优点，易于实现加工过程中的自动化、数字化。但激光加工后工件表面存在再铸层、残余应力和微裂纹等缺陷而影响工件的疲劳强度，限制了其部分领域的应用。上述细小孔的电解加工方法主要采用行管电解加工和电液束加工。电液束加工是利用阴极充电电解液喷射到工件表面，在喷射点上产生阳极溶解而去除材料，该工艺技术具有可达性好、表面完整性好、深径比大的特点，是公认的“三无”(无再铸层、无残余应力、无微裂纹)加工技术。美、俄、英、德等国家已成熟应用于航空发动机叶片的小孔加工。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号CN1919514A，记载了一种喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置。其方法是利用激光发生装置产生激光束在工件上进行孔、缝、槽的加工，同时，喷射液束装置产生与激光束同轴的高速喷射液束去除材料；其装置包括激光器和工件安装夹具，还包括电源和喷射液束装置，喷射液束装置包括喷射装置安装座、绝缘转接座、阴极、聚焦透镜、防护镜、绝缘外套和喷嘴。该发明的方法以激光加工为主，在激光加工的基础上增加了高速喷射液束的冲刷、冷却以及在激光辐照条件下的喷射液束电解的复合加工作用，从而可以实现在激光加工过程中“在线”去除再铸层。

虽然该技术提供了一种可以加工细小孔、缝、槽等结构，并具有可消除再铸层、无残余应力、无微裂纹、效率高等诸多优点的加工方法及专用加工装置。但是，该技术并没有给出如何加工出带沉头微小孔的高效精密加工方法。然而在现代高性能航空发动机中，由于燃气的温度很高，往往会对发动机中的高温部件产生不良影响，需采用气膜冷却技术对高温部件加以保护。影响气膜冷却效率的因素有很多，其中气膜孔的出口形状对冷却效率的影响不容忽视。有研究通过实验比较了圆柱形孔、圆锥形孔及簸箕形孔的冷却效率，发现当吹风比较大时，带有扩张形出口的气膜冷却效率优于圆柱形孔。因此圆锥形孔和簸箕形孔在航空航天、汽车、船舶等领域中的应用越发重要，而快速准确的制造加工出带有扩张形出口的气膜孔是上述应用的保证。带扩张形出口的气膜孔的加工对加工方法及加工装置设备的要求较高，既要有加工速度，又要有出口形状，又要避免表面重铸层、残余应力和微裂纹。而本发明综合激光加工、电火花加工和电解加工三种加工方式，可以实现对带扩张形出口的气膜孔快速成形加工等。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法及装置，在现有的微小孔特种加工技术基础之上，将激光加工、电火花加工和电解加工综合运用，达到快速、精准的加工带沉头微小孔。并可消除沉头微小孔壁上的再铸层、无残余应力、高效的加工出带沉头微小孔。

本发明的技术方案：利用激光束在工件上进行沉头微小孔的通孔预加工，再利用管状铜电极对微小孔的沉头进行电火花加工，基本达到所需沉头形状精度，最后再利用与电火花加工电极同轴的高速喷射电解液束对整个带沉头微小孔进行电解加工，去除前两者加工后留下的再铸层。

本发明涉及的带沉头微小孔激光-电火花-电解加工方法，包括以下步骤：

第一步，根据加工要求选用合适的激光强度、电火花加工用管状铜电极大小和喷射液束强度，然后将待加工工件夹持固定在工作台上。通过控制系统分别确定激光加工用激光束的坐标位置、电火花加工管状铜电极和电解喷射加工液束在工作台上的坐标位置，然后再在同一坐标系下，通过控制系统确定待加工工件的坐标位置。

第二步，确定各加工方式在工作台上的坐标位置之后，控制系统通过控制加工方式转换装置，确定激光发射口在加工工件上的位置，再通过激光发生装置产生的激光束开始对沉头微小孔的通孔预加工。

第三步，完成第二步后，控制系统通过控制加工方式转换装置，使得电火花加工用管状铜电极移动至微小孔上方，通过电火花加工液循环系统向加工槽提供电火花加工用工作液，加工槽内工作液的高度要高于待加工工件的表面，确定管状铜电极在加工工件上的位置后，开启电火花加工用电源，对微小孔沉头进行电火花加工，工作液选用去离子水。

第四步，完成第三步后，停止电火花加工液供给和电火花加工用电源，同时把加工槽内的电火花加工液回收至电火花加工液储液箱。然后，开启电解加工用电源，电解工作液循环系统开始工作，并且向管状铜电极内孔提供喷射液束对带沉头微小孔进行电解加工，直至达到工件加工要求。

第五步，关闭电源并停止电解工作液循环系统，然后将电解工作液回收至储液箱内，最后将电火花加工液再一次打开清洗工件和加工槽，最后完成对工件的成品加工。

所述的对微小孔沉头的电火花加工，当加工带锥形沉头等轴对称的沉头时，电火花加工中电极是旋转的；当加工带簸箕形沉头等非轴对称的沉头时，电火花加工中电极不旋转。

本发明的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置包括：激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置、加工方式转换装置、工作液循环系统、电源和控制系统。其特征在于：激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置并排安装在加工方式转换装置上，并通过控制系统发出的移动指令移动；工作液循环系统分别为电火花加工和电解加工提供加工液。

所述的加工方式转换装置，控制系统通过控制与精密滚珠丝杠连接的电机来实现激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置的移动，或控制系统通过控制滑动导轨上的直线电动机来驱动上述装置的移动。

所述的激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置，其在Z轴方向的移动通过电动机驱动精密滚珠丝杠来实现，或由直线电动机驱动上述装置。

所述的电火花加工与电解加工组合装置，其电火花加工用电极为管状铜电极，电极端部形状与所需成型的沉头形状相同，电解加工时的电解液喷嘴利用管状铜电极内孔实现，保证二者加工同轴，避免对工件二次找正。

所述的工作液循环系统包括电火花加工液循环系统和电解加工液循环系统，二者分别为电火花加工和电解加工提供相应的加工液，并且在电火花加工液循环系统中增设了一个去离子设备。

本发明的有益效果：本发明的方法是将激光加工、电火花加工、电解加工三种各具优势又各有不足的加工方式组合起来，完成对带沉头微小孔的高效精密加工。其中激光加工微小孔时与材料的硬度无关，几乎能在所有材料上打孔，速度快，效率高，热影响区小，可对航空发动机叶片海量气膜冷却孔进行高效加工；电火花加工过程中切削力小，对于工具的强度、刚度要求低，加工精度高，可加工出带各种形状沉头的微小孔；电解加工表面粗糙度值低，并且为三无加工，可避免重铸层、微裂纹、残余应力。本发明综合了上述三者各自的优点于一体，用同一装置实现，可避免工件二次装夹，提高加工精度，可实现带沉头微小孔的快速成形、精确加工，实现航空发动机叶片气膜孔的高效、高精度、高表面质量加工。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为电火花加工用工作液循环系统。

图3为电火花加工和电解加工组合装置。

图4为电火花加工与电解加工组合装置与电源、工件加工示意图。

图中的标号名称：1、电机，2、固定用支座，3、滑动螺母，4、滑动导轨，5、电机，6、滑动导轨，7、固定用支座，8、滑动螺母，9、电机，10、固定用支座，11、精密滚珠丝杠，12、电火花加工与电解加工组合装置，13、加工槽，14、回液管，15、回液管开关，16、溢流阀，17、加工液储液箱，18、电火花加工液，19、输液泵，20、过滤器，21、电解加工液，22、激光部件，23、波长变换元件，24、激光器，25、去离子设备，26、单向阀，27、液压表，28、电解加工液进液管，29、公用进液管，30、旋转接头，31、电机，32、管状铜电极，33、钻夹头，34、电火花加工液进液管，35、工件，36、工件安装夹具，37、工作台，38、电源。

具体实施方式

实施案例1：本案例为带沉头微小孔激光-电火花-电解加工方法，首先利用激光束在工件上进行沉头微小孔的通孔预加工，再利用管状铜电极对微小孔的沉头进行电火花加工，基本达到所需沉头形状精度，最后再利用与电火花加工电极同轴的高速喷射电解液束对整个带沉头微小孔进行电解加工，去除前两者加工后留下的再铸层，实现无残余应力、高效的加工沉头微小孔。

所述的电火花加工液为去离子水或蒸馏水，所述的电解液为低浓度的强酸强碱盐。

实施案例2：本实施案例为带锥形沉头等轴对称沉头的微小孔激光-电火花-电解加工装置，包括激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置、加工方式转换装置、工作液循环系统、电源和控制系统。其中激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置并行安装在加工方式转换装置上，并通过控制系统发出的移动指令而移动；工作液循环系统分别为电火花加工和电解加工提供加工液。

加工方式转换装置包括：1、电机，2、固定用支座，6、滑动导轨，7、固定用支座，10、固定用支座，11、精密滚珠丝杠。其中电机1为激光发生装置、电火花加工和电解加工组合装置在滑动导轨6上的移动提供驱动力，该旋转驱动力通过精密滚珠丝杠11的旋转运动转变为直线运动，为上述加工方式提供找正驱动力；此外通过固定用支座2、7、10加工加工方式转换装置、激光发生装置、电火花加工和电解加工组合装置固定在机床本体上。上述电机1的转动指令是通过控制系统发出的。

激光发生装置包括：3、滑动螺母，4、滑动导轨，5、电机，22、激光部件，23、波长变换元件，24、激光器。其中安装在滑动导轨上的滑动螺母3带动整个激光发生装置的找正运动，滑动导轨4提供激光发生装置沿机床Z轴移动的方向，电机5为其在Z轴方向的移动提供驱动力，激光部件22，波长变换元件23，激光器24为加工工件提供激光束。上述激光发生装置的移动指令均是通过控制系统发出的。

电火花加工与电解加工组合装置包括：8、滑动螺母，9、电机，4、滑动导轨，12、电火花加工与电解加工组合装置，28、电解加工液进液管，29、公用进液管，30、旋转接头，31、电机，32、管状铜电极，33、钻夹头，34、电火花加工液进液管。其中安装在滑动导轨上的滑动螺母8带动整个电火花加工与电解加工组合装置12的找正运动，滑动导轨4提供电火花加工与电解加工组合装置沿机床Z轴移动的方向，电机9为其在Z轴方向的移动提供驱动力，当采用电火花加工时工作液通过电火花加工液进液管34、公用进液管29、旋转接头30、钻夹头33、管状铜电极32对工件进行电火花加工，并且此时管状铜电极32通过电机31的驱动做慢速旋转运动；当采用电解加工时工作液通过电解加工液进液管28、公用进液管29、旋转接头30、钻夹头33、管状铜电极32对工件进行电解加工。上述装置的移动指令均是通过控制系统发出的。

工作液循环系统包括：13、加工槽，14、回液管，15、回液管开关，16、溢流阀，17、电火花加工液储液箱，18、电火花加工液，19、输液泵，20、过滤器，21、电解加工液，25、去离子设备，26、单向阀，27、液压表，28、电解加工液进液管，29、公用进液管。其中去离子设备25为区分电火花加工液循环系统和电解加工液循环系统的标志；当电火花加工时启用带有去离子设备25的工作液循环系统，电火花加工液通过进液管34、公用进液管29、旋转接头30、钻夹头33、管状铜电极32对工件进行电火花加工；当采用电解加工时，通过控制回液管开关15把电火花加工液回收至加工液储液箱17，然后将电解加工作液通过电解加工液进液管28、公用进液管29、旋转接头30、钻夹头33、管状铜电极32对工件进行电解加工。通过液压表27的读数得到电火花加工和电解加工输液压力的大小，通过调节溢流阀16控制二者工作液输液压力进而控制电火花内冲液的流速和电解液束的喷射速度。

所述的电火花加工液为去离子水或蒸馏水，所述的电解液为低浓度的强酸强碱盐。

实施例3：本实施例与实施例2的结构基本相同，但是加工对象为带簸箕形沉头等非轴对称沉头的微小孔。在本实施例中电火花加工用电极不旋转。

Claims (8)

1.一种带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法，利用激光束在工件上进行沉头微小孔的通孔预加工，再利用管状铜电极对微小孔的沉头进行电火花加工，基本达到所需沉头形状精度，最后再利用与电火花加工电极同轴的高速喷射电解液束对整个带沉头微小孔进行电解加工，去除前两者加工后留下的再铸层。

2.根据权利要求1所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法，包括以下步骤：

第一步，根据加工要求选用合适的激光强度、电火花加工用管状铜电极大小和喷射电解液束强度，然后将待加工工件夹持固定在工作台上。通过控制系统分别确定激光加工用激光束的坐标位置、电火花加工管状铜电极和电解喷射加工液束在工作台上的坐标位置，然后再在同一坐标系下，通过控制系统确定待加工工件的坐标位置。

第二步，确定各加工方式在工作台上的坐标位置之后，控制系统通过控制加工方式转换装置，确定激光发射口在加工工件上的位置，再通过激光发生装置产生的激光束开始对沉头微小孔的通孔预加工。

第三步，完成第二步后，控制系统通过控制加工方式转换装置，使得电火花加工用管状铜电极移动至微小孔上方，通过电火花加工液循环系统向加工槽提供电火花加工用工作液，加工槽内工作液的高度要高于待加工工件的表面，确定管状铜电极在加工工件上的位置后，开启电火花加工用电源，对微小孔沉头进行电火花加工，工作液选用去离子水。

第四步，完成第三步后，停止电火花加工液供给和电火花加工用电源，同时把加工槽内的电火花加工液回收至电火花加工液储液箱。然后，开启电解加工用电源，电解工作液循环系统开始工作，并且向管状铜电极内孔提供喷射液束对带沉头微小孔进行电解加工，直至达到工件加工要求。

第五步，关闭电源并停止电解工作液循环系统，然后将电解工作液回收至储液箱内，最后将电火花加工液再一次打开清洗工件和加工槽，最后完成对工件的成品加工。

3.根据权利要求1～2所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工方法，其特征在于：所述的对微小孔沉头的电火花加工，当加工带锥形沉头等轴对称的沉头时，电火花加工中电极是旋转的；当加工带簸箕形沉头等非轴对称的沉头时，电火花加工中电极不旋转。

4.一种带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置，其装置包括：激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置、加工方式转换装置、工作液循环系统、电源和控制系统。其特征在于：激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置并排安装在加工方式转换装置上，并通过控制系统发出的移动指令移动；工作液循环系统分别为电火花加工和电解加工提供加工液。

5.根据权利要求4所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置，其特征在于：所述的加工方式转换装置，控制系统通过控制与精密滚珠丝杠连接的电机来实现激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置的移动，或控制系统通过控制滑动导轨上的直线电动机来驱动上述装置的移动。

6.根据权利要求4～5所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置，其特征在于：所述的激光发生装置、电火花加工与电解加工组合装置，其在Z轴方向的移动通过电动机驱动精密滚珠丝杠来实现，或由直线电动机驱动上述装置。

7.根据权利要求4～6所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置，其特征在于：所述的电火花加工与电解加工组合装置，其电火花加工用电极为管状铜电极，电极端部形状与所需成型的沉头形状相同，电解加工时的电解液喷嘴利用管状铜内孔实现，保证二者加工同轴，避免对工件二次找正。

8.根据权利要求4所述的带沉头微小孔激光-电火花-电解组合加工装置，其特征在于：所述的工作液循环系统包括电火花加工液循环系统和电解加工液循环系统，二者分别为电火花加工和电解加工提供相应的加工液，并且在电火花加工液循环系统中增设了一个去离子设备。