CN107962263B - 激光与电解复合加工方法及其装置 - Google Patents

激光与电解复合加工方法及其装置 Download PDF

Info

Publication number
CN107962263B
CN107962263B CN201711136789.3A CN201711136789A CN107962263B CN 107962263 B CN107962263 B CN 107962263B CN 201711136789 A CN201711136789 A CN 201711136789A CN 107962263 B CN107962263 B CN 107962263B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
electrolyte
workpiece
optical fibre
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711136789.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107962263A (zh
Inventor
张文武
王玉峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN201711136789.3A priority Critical patent/CN107962263B/zh
Publication of CN107962263A publication Critical patent/CN107962263A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107962263B publication Critical patent/CN107962263B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H5/00—Combined machining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本申请公开了一种激光与电解复合加工方法，至少包括以下步骤：工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；激光和电解液耦合通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；接通电源后进行激光复合电解加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标加工结构。同时，本申请提供了激光与电解复合加工装置。本申请中的方法和装置有利于表面质量好、精度高的深小孔等大深径比微细结构的高效率加工。

Description

激光与电解复合加工方法及其装置
技术领域
本申请涉及一种激光与电解复合加工方法及其装置，属于微细电解加工领域。
背景技术
激光加工技术利用激光束为主要工具，通过光与材料的光热效应或光化学效应实现工件材料的去除加工，具有能量密度高、分辨率高和加工效率高等优势。传统激光加工在表层加工时具有很高的加工效率，但是在大深度加工时存在加工效率偏低、加工锥度控制困难、加工深度能力不足等缺点。为了提高激光加工精度和深度，国内外学者提出了激光机械切削复合加工技术、水助激光加工技术、激光辅助射流电解加工技术、激光电火花复合加工等(S.Z.Chavoshi,X.Luo,Precision Engineering 41,1-23(2015))。通过激光与其它加工复合的方法，有助于突破激光加工的工艺限制，避免激光加工的缺点。
微细电解加工技术基于电化学阳极溶解原理去除工件材料，是一种非接触式加工方式，加工表面无残余应力和微裂纹、无飞边毛刺等，被广泛应用于难加工材料的加工。微细电解加工应用于微尺度深小孔加工时，存在加工效率低、加工锥度大、加工深度有限等问题。为综合利用激光加工和电解加工的优势，英国爱丁堡大学和格拉斯哥卡里多尼亚大学提出了分离式激光辅助射流电解加工技术，研究了激光束对电解加工精度、加工表面质量和加工效率的影响规律，并通过建立温度分布建模和实验分析研究了激光辅助射流电解加工对工件加工表面的热影响(P.T.Pajak,A.K.M.De Silva,J.A.McGeough,D.K.Harrison,Journal of Materials Processing Technology 149,512-518(2004))。国内，南京航空航天大学、江苏大学等初步研究了激光热力效应对电解刻蚀加工精度和加工表面质量的影响。尽管存在上述进展，但是激光与电解复合加工的研究尚处于初级阶段，还存在加工深度不足(≤1mm)、加工锥度较大、可靠性差等缺点。激光辅助射流电解加工方法受制于激光束能量沿加工深度方向的衰减和电场分布等影响，难以加工复杂轮廓的大深径比微细结构。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种激光与电解复合加工方法，该方法利用电解反应辅助激光热效应使加工材料被升华去除，利于表面质量好、精度高的深小孔等大深径比微细结构的高效率加工。
所述激光介入微细电解加工方法，至少包括以下步骤：
(1)工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；
(2)激光和电解液耦合通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；
(3)接通电源后进行激光与电解复合加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标结构；
其中，所述激光穿过电解液对待加工工件进行加工。
可选地，所述工具电极位于待加工工件的上方。
优选地，步骤(1)中所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管；
所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域。
优选地，所述工具电极的金属导管与电源的负极连接。所述液核光纤同轴位于所述金属导管内。优选地，所述液核光纤的末端高于金属导管末端。
优选地，所述工具电极主要包括金属导管、和安装于金属导管内部的液核光纤，其中金属导管的侧面涂覆有绝缘层，未被绝缘金属导管下部分长度L＝2～5mm，且出口内壁与外壁的夹角β＝30～70°。
优选地，所述工具电极主要包括金属导管、和安装于金属导管内部的液核光纤，其中金属导管的侧面涂覆有绝缘层，未被绝缘金属导管下部分长度L＝3～4mm，且出口内壁与外壁的夹角β＝45～60°。
优选地，所述液核光纤、金属导管的截面形状选自椭圆形、圆形或多边形。从而得到用于加工大深径比异型孔的异型工具电极，以加工具有相对应轮廓的异型孔孔、大深径比微细结构等。
优选地，所述多边形选自三角形、矩形、正方形、五边形或六边形。
优选地，所述激光以一定的入射角射入工具电极的液核光纤的入口中心，以全反射的形式传输至待加工工件的加工区域；所述电解液以一定的流速和压强由液核光纤内部流入加工区域。
优选地，所述液核光纤包括由光学折射率低于电解液的材料制备得到的毛细管；所述金属导管的材料选自不锈钢、钛合金中的至少一种。
所述金属导管的材料还选自其他金属导电材料。
优选地，所述液核光纤的材料的光学折射率小于电解液光学折射率；其中，液核光纤的内径为0.1～0.3mm，外径为0.2～0.5mm；
所述金属导管的外侧至少一部分长度进行绝缘处理。
优选地，所述液核光纤为光学折射率为小于电解液光学折射率的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为0.1～0.3mm，外径为0.2～0.5mm。
优选地，所述液核光纤为光学折射率(1.29)为小于电解液光学折射率(1.33)的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为0.1～0.3mm，外径为0.2～0.5mm。
优选地，所述液核光纤是由折射率低于电解液的折射率的材料制成的毛细管，其材料为美国杜邦公司研发的AF 2400，光学折射率约为n1＝1.29。其中，液核光纤内径0.1～0.3mm，外径0.2～0.5mm。
所述液核光纤的光学折射率低于电解液，激光光束经聚焦透镜聚焦后以特定耦合角α射入液核光纤中时，激光光束在液核光纤内壁/电解液界面发生全反射，激光光束以“之”字形传输至工件内部加工区域。
优选地，所述金属导管的外侧进行绝缘处理。
优选地，所述金属导管的外侧至少一部分长度进行绝缘处理。
优选地，所述金属导管的外侧的下部2～5mm未被绝缘。
优选地，步骤(2)中所述激光在通过工具电极之前进行聚焦。
优选地，步骤(2)中电解液进入工具电极之前进行过滤处理。
优选地，步骤(2)中所述激光和电解液通过液核光纤传输为：所述电解液通过液核光纤内部传输至加工区域；所述激光射入液核光纤，通过在液核光纤内壁/电解液界面全反射传输至加工区域。
优选地，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度大于1GW/cm2；电解液的流量为0.01～0.5m3/h。
优选地，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度为1.5GW/cm2～10GW/cm2。
优选地，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度为5GW/cm2～8GW/cm2。
优选地，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度为2GW/cm2～10GW/cm2；电解液的流量为0.01～0.5m3/h。
进一步优选地，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度为5GW/cm2～8GW/cm2；电解液的流量为0.1～0.5m3/h。
优选地，步骤(3)中所述复合加工过程中，激光通过在工具电极中液核光纤内壁/电解液界面进行全反射传输，穿过电解液，通过热效应对待加工工件进行加工。
优选地，所述激光通过热效应使待加工工件升华被去除。所述电解液消除激光加工引起的热影响层；同时能够消除激光加工产生的锥度。
优选地，所述微细电解加工过程中通过数字示波器检测加工过程中电流的实时变化。
优选地，所述工具电极末端和与待加工工件的初始加工间隙为0.1～1mm。
优选地，所述工具电极末端和与待加工工件的初始加工间隙为0.1～0.8mm。
优选地，所述工具电极的进给速度为1～100μm/s。
在传统的激光加工过程中，加工效率低，且加工深度不够、加工锥度难于控制；这主要是由于激光能量沿加工深度方向进行衰减造成的；传统的激光加工方法很难实现高效、表面质量高的工件加工。利用微电解加工深小孔时具有定域性差，加工深度有限，成本高，加工锥度大。现有技术中，激光加工和电解加工均存在加工深度有限，加工锥度大等问题。而简单的将两者结合亦存在上述问题，例如激光辅助射流电解加工方法受制于激光束能量沿加工深度方向的衰减和电场分布等影响，难以加工复杂轮廓的大深径比微细结构。现有技术中的激光与电解简单结合的方法依然存在加工深度不足(≤1mm)、加工锥度较大、可靠性差等缺点。
而本申请中为了克服深小孔加工过程中存在的问题，通过将激光与电解加工以本申请所述技术方案的形式结合起来，将激光加工中“激光能量沿加工深度方向进行衰减”与电解加工相结合。
通过本申请发明人的反复探索和设计，创造性的将激光加工和微电解加工以本申请的特定方式结合，具体而言：
激光加工产生的锥度、局部发热等弊端，在本申请结合方式的技术方案中，可以通过结构和控制成为有利于微电解加工的优势。在优选方案中，通过的设计匹配和功率匹配，将激光产生的锥度和升温反倒显著提升微电解加工技术效果。
另一个方面，微电解加工存在的电极附近减材更显著、难以深入加工、锥度、需要电解液等问题，在本申请结合方式的技术方案中，不仅未对激光加工产生负面影响，反倒配合激光加工使得深孔加快可以高效快速推进的，并且获得了激光加工无法获得的深度、表面光洁度以及极低的锥度。
本申请的技术方案不仅仅实现了激光加工与电解加工的耦合，更是克服了两者在深度加工中的各自的缺陷，获得了激光加工、微电解甚至二者简单组合加工都无法实现的深度、极高的表面光洁度以及极低的锥度。同时实现了表面质量好、精度高的深小孔等大深径比微细结构的高效率加工。
本申请中激光与电解液以一定形式进行耦合，实现了激光加工与电解加工的复合。同时，通过对激光能量以及电解液流量的限定，不仅能够解决加工锥度的问题，而且提高了加工效率，能够进一步实现保持激光加工区域持续加工的同时，让电解加工区域的温度处于最有利状态。
作为一种优选地实施方式，所述激光与电解复合加工方法至少包括以下步骤：
(1)工具电极包括金属导管和安装于其内部的液核光纤，其中液核光纤是由光学折射率小于电解液折射率(1.33)材料(如聚四氟乙烯)制成的微型管，其内径0.1～0.3mm，外径0.2～0.5mm，金属导管侧面涂覆绝缘层；
(2)电解液经精密过滤后由液核光纤流向加工区域；
(3)激光光束经聚焦透镜聚焦后以特定耦合角α射入液核光纤中，激光光束在液核光纤内壁/电解液界面发生全反射，激光光束以“之”字形传输至工件加工区域；
(4)加工过程中金属导管和工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和正极连接，开启高频脉冲电解加工电源，调节工具电极端部和工件加工表面之间的距离至初始加工间隙；
(5)随着工具电极和工件的相对进给，工具电极可深入工件材料内部，实现大深径比微孔、微细三维结构的加工。
作为另一种优选地实施方式，所述激光与电解复合加工方法至少包括以下步骤：
1、所述工具电极包括金属导管和安装于其内部的液核光纤，其中液核光纤是由光学折射率小于电解液折射率(1.33)材料(如聚四氟乙烯)制成的微型管，其内径0.1～0.3mm，外径0.2～0.5mm，金属导管侧面涂覆绝缘层。
所述液核光纤为从美国BIOGENERAL公司购买的TEFLON AF2400(DUPONT)或者SYSTEC公司购买的TEFLON AF毛细管。
2、电解液经精密过滤后由液核光纤流向加工区域。
3、激光光束经聚焦透镜聚焦后以特定耦合角射入液核光纤中，激光光束在液核光纤内壁/电解液界面发生全反射，激光光束以“之”字形传输至工件加工区域。
4、加工过程中金属导管和工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和正极连接，开启高频脉冲电解加工电源，调节工具电极端部和工件加工表面之间的距离至初始加工间隙，在工具电极端部附近区域发生电化学反应。
5、高速流动的电解液及时带走激光与工件材料作用产生时产生的热量和气泡，起到一定的冷却作用，防止加工区域局部电解液沸腾，并有利于减少加工表面的热影响层。
另外，激光作用于工件材料产生的热量有利于提高加工区域电解液的温度，提高电解液电导率，有利于提高电解刻蚀效应速率，加速电化学刻蚀去除激光加工产生的热影响层和加工锥度。
6、随着工具电极和工件的相对进给，工具电极可深入工件材料内部，实现大深径比微孔、微细三维结构的加工。
本申请的方法中，激光光束经聚焦透镜聚焦后射入以一定的耦合角α射入液核光纤中，激光光束利用电解液和液核光纤界面形成的全反射传输至工件加工表面区域。激光光束可与工具电极随动进入工件材料内部加工，解决了激光与电解复合加工中大深度加工区域电化学刻蚀与激光能量匹配的难题。当激光束作用于工件加工表面能量密度大于一定阈值时(＞1GW/cm2)时，激光光束穿过电解液所引起热效应使工件材料被升华去除。液核光纤中流动的电解液能及时带走激光与工件材料相互作用时产生的热量和气泡，起到一定的冷却作用，避免加工区域局部电解液的沸腾，并有利于减少加工表面的热影响层。另外，激光与工件材料相互作用时产生的热量有利于提高加工区域电解液的局部温度，提高电解液电导率，有利于提高电解刻蚀效应去除热影响层。加工过程中，金属导管和工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和正极连接，当接通高频脉冲电解加工电源时，激光与材料相互作用产生的热影响层在电化学刻蚀作用下被去除，从而得到表面完整性高的加工表面；从而得到高表面完整性加工表面。随着工具电极的进给，可逐渐消除激光加工产生的锥度θ。金属导管侧面绝缘有利于将电解加工区域限制于金属导管的端部附近区域，尽量减小电解加工引起的加工锥度，提高加工精度。
本申请中介入式激光与电解复合加工方法，所采用工具电极包括金属导管和安装于其内部的液核光纤，其中液核光纤是由光学折射率小于电解液折射率(1.33)材料(如聚四氟乙烯)制成的微型管，其内径0.1～0.3mm，外径0.2～0.5mm，金属导管侧面利用静电喷涂或化学气相沉积技术涂覆绝缘层；激光束经聚焦透镜聚焦后以特定耦合角射入液核光纤中，激光光束在液核光纤内壁/电解液界面发生全反射，激光光束以“之”字形传输至工件加工区域。利用该种传输方式，激光束可与工具电极随动进入材料内部加工区域，解决了深度加工区域电解加工与激光能量匹配困难问题，实现了激光能量场和电解效应的耦合。高速流动的电解液及时带走激光与工件材料作用产生时产生的热量和气泡，起到一定的冷却作用，防止加工区域局部电解液沸腾，并有利于减少加工表面的热影响层。另外，激光作用于工件材料产生的热量有利于提高加工区域电解液的温度，提高电解液电导率，有利于提高电解刻蚀效应速率，加速电化学刻蚀去除激光加工产生的热影响层和加工锥度。介入式激光与电解复合深小孔加工方法综合了电解加工表面完整性高与激光束加工技术加工效率高、精度高的优势，解决了激光能量与电解加工耦合问题，突破现有激光与电解复合加工深度能力，实现高效率、高精度和高表面质量完整性深小孔加工、大深径比微细结构的加工。此外，为加工大深径比异型孔等结构，本发明采用异形截面的液核光纤及金属管设计工具电极，结合激光的全反射耦合传输，实现大深径比复杂截面异型孔及微细三维结构的加工。
本申请中的另一方面，提供了一种激光与电解复合加工装置，所述装置至少包括：电解系统、激光系统；
其中，所述电解系统至少包括：电源，电解液、工具电极；
所述电解系统在激光系统发出的激光介入下进行微细电解加工。
优选地，所述电解系统还包括精密过滤系统和高压计量泵。
优选地，所电解系统还包括加工特征状态检测系统。
优选地，所述加工特征状态为电流，即所述电解系统还包括数据采集系统。
优选地，所述数据采集系统至少包括加工电流检测系统。
优选地，所电解系统还包括示波器。
优选地，所述装置还包括激光与电解液耦合装置；所述激光系统包括激光器、光学传输系统；其中，所述待加工工件与电源正极相连，工具电极与电源负极连接；所述工具电极安装于激光与电解液耦合装置的端部；所述激光系统发出的激光与电解液通过激光与电解液耦合装置进行耦合，实现激光光束和电解液的传输。
优选地，所述激光和电解液耦合装置至少包括：激光传输模块、电解液存储模块。所述激光通过激光传输模块传输与电解液存储模块中的电解液耦合进入液核光纤中。
优选地，所述激光传输模块包括：高透玻璃(透过率大于90％)。
优选地，所述激光和电解液的耦合过程为：激光光束通过高透光玻璃与电解液腔体中电解液耦合进液核光纤中；其中，电解液由电解液入口流入激光光束与电解液的耦合装置。所述工具电极通过金属夹头与所述激光与电解液耦合装置连接。
优选地，所述电源为高频脉冲电源。
优选地，所述电解系统还包括过滤系统；所述电解液经过过滤系统过滤后与激光耦合进入到工具电极的液核光纤中，传输至待加工工件的加工区域。
优选地，所述激光传输光路包括聚焦透镜。
优选地，所述激光器选自气体激光器、固体激光器或半导体激光器。进一步优选地，所述激光器为固体激光器。
优选地，所述装置还包括位移系统、光学移动平台、储液箱；其中，所述位移系统控制待加工工件的运动轨迹；所述光学移动平台用于激光系统发出的激光耦合进入液核光纤中心；电解液流经电解加工后进入所述储液箱。
优选地，所述位移系统包括：运动模块、控制系统；所述待加工工件安装于运动模块上。
优选地，所述控制系统为工控机或计算机；所述运动模块为三轴运动平台、四轴运动平台或五轴运动平台。
优选地，所述装置还包括CCD视觉系统，其作用为观测激光光束与液核光纤的相对位置，使激光束准确对中于液核光纤中。
优选地，所述激光与电解复合装置包括：五轴运动平台、激光与液核光纤耦合装置、电解液精密过滤系统、控制系统、加工特征状态检测系统、电解加工电源、工具电极、电解储、储液箱、光学移动平台、激光器、光学传输系统、工件、CCD视觉系统组成。
优选地，所述电解系统中还包括高压计量泵，用于使得电解液在进入工具电极时，具有一定的压力。
本申请的装置中，电解液通过(可选的，高压计量泵和)精密过滤系统流入激光与液核光纤耦合系统中，并以一定的(可选的，压力和)流速流入工具电极中液核光纤。固体激光器产生的激光光束通过光学传输系统射入激光与液核光纤耦合系统中，激光光束在液核光纤中以全反射传输至加工工件的加工区域。控制系统(工控机)通过五轴运动平台控制加工工件的运动轨迹。
液核光纤、金属导管、工具电极的界面几何形状可设计为矩形、三角形、椭圆形、圆形和多边形等，可以得到用于加工大深径比异型孔的异型工具电极，可实现大深径比微细结构的一次成型加工。
本申请中的装置中采用五轴运动平台可利用介入式激光与电化学复合加工工艺加工任意斜面的深小孔、异型孔等。电解液过滤系统可实现电解液的精密过滤，减小电解液中悬浮粒子对激光光束在液核光纤中的耦合和传输效率。采用数据采集系统实时检测加工电流的变化，检测电流的突变以预测短路现象，防止工具电极和工件直接接触，损害工具电极。其中，控制系统协调各个系统正常工作，控制工件的运动轨迹，并处理采集的电流信号，根据电流信号做出决策。当检测到短路现象发生时，及时切断高频脉冲电解加工电源，并使工件回退一定的间隙。
本申请中的液核光纤的激光与电解复合加工方法及其装置，利用液核光纤中的激光全反射将激光传输至深度加工区域，综合利用激光直接加工、电化学刻蚀、激光对电解加工过程的光热加速以及中空光纤的流体传输等作用，实现高表面完整性、高精度深小孔高效率加工。
本申请中所有涉及数值范围的条件均可独立地选自所述数值范围内的任意点值。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本申请所提供的激光与电解复合加工方法，是一种高效率制造表面完整性高、损伤低深小孔的工艺方法。
2)本申请所提供的激光与电解复合加工方法和装置，不仅成功实现了激光与电解的复合，而且克服了现有技术中存在的加工深度不足，加工锥度大，可靠性差的缺陷。
3)本申请中所提供的激光与电解复合加工方法综合了电解加工表面完整性高与激光束加工技术加工效率高、精度高的优势，解决了激光能量与电解加工耦合问题，突破现有激光与电解复合加工深度能力，实现高效率、高精度和高表面质量完整性深小孔加工、大深径比微细结构的加工。
4)本申请中提供的激光与电解复合加工方法和装置，采用异形截面的液核光纤及金属管设计工具电极，结合激光的全反射耦合传输，能够实现大深径比复杂截面异型孔及微细三维结构的加工。
附图说明
图1是本申请中一种介入式激光与电解复合深小孔加工方法原理示意图；
图2是本申请中一种介入式激光与电解复合深小孔加工过程中电化学刻蚀效应消除激光加工产生锥度原理示意图；
图3是本申请中涉及的异型截面工具电极结构示意图；
图4是本申请中一种介入式激光与电解复合加工试验装置组成示意图；
图5是本申请中激光光束与液核光纤全反射耦合装置。
部件和附图标记列表：
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。
所述液核光纤为从美国BIOGENERAL公司购买的TEFLON AF2400(DUPONT)或者SYSTEC公司购买的TEFLON AF毛细管。
实施例1激光与电解复合加工
本实施例中基于激光与电解复合加工，涉及的示意图如图1和图2所示。具体包括以下步骤：
(1)工具电极46包括金属导管462和安装于其内部的液核光纤460，金属导管侧面涂覆绝缘层464；所述液核光纤同轴位于所述金属导管内。
其中，液核光纤为从美国BIOGENERAL公司购买的TEFLON AF2400(DUPONT)，光学折射率约为n1＝1.29；
金属导管462的材质为不锈钢，其侧面从上到下部分长度通过静电喷涂进行绝缘层涂覆，其外侧的下部2mm未被绝缘；同时，所述液核光纤的末端高于金属导管末端，出口内壁与外壁的夹角β＝30°。
(2)电解液44经精密过滤后由液核光纤460流向加工区域。
(3)激光光束60经聚焦透镜62聚焦后以耦合角α射入液核光纤460中，激光光束60在液核光纤460内壁/电解液44界面发生全反射，激光光束以“之”字形传输至工件加工区域；
其中，当激光束60作用于工件2加工表面能量密度大于1.0GW/cm2，电解液的流量为0.01m3/h；激光光束60穿过电解液44所引起热效应使工件材料2被升华去除；
(4)加工过程中金属导管462和工件2分别与高频脉冲电解加工电源40的负极和正极连接，开启高频脉冲电解加工电源，调节工具电极端部和工件加工表面之间的距离至初始加工间隙；
其中，将工具电极46装夹于加工工件2的上方，并设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约0.1mm；
(5)随着工具电极46和工件2的相对进给，工具电极46可深入工件材料内部，实现微细三维结构的加工；所述工具电极的进给速度为1μm/s。
其中，加工过程中通过电解刻蚀去除激光加工过程中产生的热影响层；所述液核光纤、工具电极、金属导管的界面为圆形。
所述图2中θ为加工锥度，其通过电解反应消除；同时，金属导管侧面绝缘有利于将电解加工区域限制于金属导管的端部附近，减小电解加工引起的加工锥度，提高加工精度。
本实施例中，激光束60利用其在电解液44和液核光纤460界面的全反射传输至工件2的内部加工区域，引起加工区域工件材料表面与激光的相互作用，实现激光能量场和电化学刻蚀效应的耦合。当激光光束60作用于工件2加工表面的能量密度大于一定阈值(1GW/cm2)时，激光束穿透电解液所引起热效应使工件材料被升华去除。液核光纤460中高速流动的电解液44能及时带走激光光束60作用于电解液44中与工件2加工表面材料时会产生的热量及气泡442，起到一定的冷却作用，避免电解液沸腾，并有利于减小加工表面的热影响层20的厚度。另外，激光光束60作用于工件2加工区域产生的热量有利于提高加工区域内电解液44的局部温度，提高电解液电导率，有利于提高电化学刻蚀效应的去除材料速率，有利于电化学刻蚀效应对热影响层20的加工去除。当接通高频脉冲电解加工电源40时，工具电极46中的金属导管462、电解液44和工件2形成完整的电解加工体系，电化学刻蚀作用区域24局限于工具电极46端部侧面区域。由于电化学刻蚀的作用，激光加工产生的锥度θ逐渐被消除，从而提高加工微细结构的深径比。
另外，工具电极46中液核光纤460、金属导管462设计为圆形截面以加工具有相对应轮廓的异型孔、大深径比微细结构。
实施例2激光介入微细电解加工
本实施例中的激光介入微细电解加工方法与实施例1的区别为：
金属导管462的材质为不锈钢，其侧面从上到下部分长度通过静电喷涂进行绝缘层涂覆，其外侧的下部5mm未被绝缘；同时，所述液核光纤的末端高于金属导管末端，出口内壁与外壁的夹角β＝70°。
所述液核光纤、工具电极、金属导管的界面为矩形。
其中，将工具电极46装夹于加工工件2的上方，并设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约1mm；所述工具电极的进给速度为100μm/s。
激光束60作用于工件2加工表面能量密度为1.5～5GW/cm2；电解液的流量为0.1～0.5m3/h。
使用上述方法进行激光与电解复合加工得到孔结构。
实施例3激光介入微细电解加工
本实施例中的激光介入微细电解加工方法与实施例1的区别为：
所述液核光纤为从BIOGENERAL公司购买的TEFLON AF毛细管。
金属导管462的材质为不锈钢，其侧面从上到下部分长度通过静电喷涂进行绝缘层涂覆，其外侧的下部3mm未被绝缘；同时，所述液核光纤的末端高于金属导管末端，出口内壁与外壁的夹角β＝45°。
所述液核光纤、工具电极、金属导管的界面为矩形。
其中，将工具电极46装夹于加工工件2的上方，并设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约0.5mm；所述工具电极的进给速度为50μm/s。
激光束60作用于工件2加工表面能量密度为5～10GW/cm2；电解液的流量为0.1～0.5m3/h。
使用上述方法进行激光与电解复合加工得到孔结构。
实施例4激光介入微细电解加工装置
本实施例中的激光介入微细电解加工装置包括：光学传输系统、半导体激光器、电解液、CCD视觉系统、控制系统、精密过滤系统、激光与液核光纤耦合系统、光学移动平台、工具电极、储液箱、电解加工电源、五轴运动平台、加工特征状态检测系统；如图4所示。
其中，所述控制系统为工控机；所述工具电极为包括金属导管和安装于其内部的液核光纤，金属导管侧面涂覆绝缘层。
所述CCD视觉系统的作用为观测激光光束与液核光纤的相对位置，使激光束准确对中于液核光纤中。
所述光学移动平台使得激光精准的耦合进入液核光纤。
所述激光与液核光纤耦合系统包括：电解液入口80、电解液腔体82、高透光玻璃84(透过率大于90％)、密封垫圈86、金属夹头88；如图5所示。其中，激光光束60通过高透光玻璃84与电解液腔体82中电解液耦合进液核光纤中，其中电解液由电解液入口流入激光光束与电解液的耦合装置，工具电极通过金属夹头与耦合装置连接；所述密封垫圈用于密封。
所述装置中，工具电极包括金属导管、和安装于金属导管内部的液核光纤；其中，金属导管的外壁涂覆有绝缘层。激光光束经过光学传输系统以耦合角α射入液核光纤中，激光光束在液核光纤/电解液界面形成全反射，激光光束高效传输至工件加工区域表面。激光光束可与工具电极随动进入工件材料加工区域，解决了电解加工与激光能量大深度匹配困难问题。
加工过程中，金属导管和工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和正极连接，当接通高频脉冲电解加工电源时，激光与材料相互作用产生的热影响层在电化学刻蚀作用下被去除，从而得到表面完整性高的加工表面。金属导管侧面绝缘有利于将电解加工区域限制于金属导管的端部附近区域，尽量减小电解加工引起的加工锥度，提高加工精度。
激光与工件材料相互过程中，由于激光能量在加工区域的分布复合高斯分布和加工侧壁对激光的反射效应，形成加工锥度θ，且激光与材料相互作用区域位于工具电极的端部区域。随着工具电极相对于工件的相对进给，工具电极深入工件内部，电化学刻蚀作用区域局限于工具电极端部侧面区域。由于电化学刻蚀的作用，激光加工产生的锥度θ逐渐被消除，从而提高加工微细结构的深径比。
其中，液核光纤、金属导管、工具电极的截面为几何形状，金属导管的外壁上部分涂覆有绝缘层。
所述装置中采用五轴运动平台可利用介入式激光与电解复合加工工艺加工任意斜面的深小孔、异型孔。电解液精密过滤系统可实现电解液的精密过滤，减小电解液其它杂质对激光光束在液核光纤中的耦合和传输效率。加工特征状态检测系统采用数据采集系统实时检测加工电流的变化，检测电流的突变以预测短路现象，防止工具电极和工件直接接触，损害工具电极。控制系统协调各个系统正常工作，控制工件的运动轨迹，并处理采集的电流信号，根据电流信号做出决策，形成快速反馈机制。当检测到短路现象发生时，及时切断高频脉冲电解加工电源，并使工件回退一定的间隙。
本实施例中的装置壳采用实施例1～实施例3中任一实施例中的方法进行激光与电解复合加工，得到表面平整、高精度、高效率的大深径比微细结构。
实施例5激光介入微细电解加工装置
本实施例中的激光介入微细电解加工装置与实施例4的区别如下。
所述加工电流检测系统为示波器；所述光学传输系统为聚焦透镜。
其余同实施例4。
实施例6激光介入微细电解加工装置
本实施例中的激光介入微细电解加工装置与实施例4的区别如下。
所述加工电流检测系统为示波器；所述光学传输系统为聚焦透镜。
所述装置还包括高压计量泵，与精密过滤系统共同使用使得电解液进入液核光纤时具有压力和速度，利于电解液的传输。
其余同实施例4。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (11)

1.一种激光与电解复合加工方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
(1)工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；
(2)激光和电解液耦合通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；
(3)接通电源后进行激光与电解复合加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标加工结构；
其中，激光穿过电解液对待加工工件进行加工；
步骤(1)中所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管，所述金属导管的侧面涂有绝缘层；
所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域；
步骤(2)中所述激光和电解液通过液核光纤传输：
所述电解液通过液核光纤内部传输至加工区域；
所述激光射入液核光纤，通过在液核光纤内壁/电解液界面全反射传输至加工区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液核光纤、金属导管的截面形状选自椭圆形、圆形或多边形。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述液核光纤的材料的光学折射率小于电解液光学折射率；其中，液核光纤的内径为0.1～0.3mm，外径为0.2～0.5mm；
所述金属导管的外侧至少一部分长度进行绝缘处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度大于1GW/cm2；
电解液的流量为0.01～0.5m3/h。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述激光作用于待加工工件的加工区域的能量密度为1.5GW/cm2～10GW/cm2；
电解液的流量为0.1～0.5m3/h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具电极末端和与待加工工件的初始加工间隙为0.1～1mm。
7.一种激光与电解复合加工装置，其特征在于，所述装置至少包括：
电解系统、激光系统；
其中，所述电解系统至少包括：电源，电解液、工具电极；
所述激光系统发出的激光穿过电解液对待加工工件的加工区域进行加工；
所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管，所述金属导管的侧面涂有绝缘层；
所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括激光与电解液耦合装置；
所述激光系统包括激光器、光学传输系统；
其中，所述待加工工件与电源正极相连，工具电极与电源负极连接；所述工具电极安装于激光与电解液耦合装置的端部；
所述激光系统发出的激光与电解液通过激光与电解液耦合装置进行耦合，实现激光和电解液的传输。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位移系统、光学移动平台、储液箱；
其中，所述位移系统控制待加工工件的运动轨迹；
所述光学移动平台用于激光系统发出的激光耦合进入液核光纤中心；
电解液流经电解加工后进入所述储液箱。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述位移系统包括：运动模块、控制系统；所述待加工工件安装于运动模块上。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述控制系统为工控机或计算机；
所述运动模块为三轴运动平台、四轴运动平台或五轴运动平台。
CN201711136789.3A 2017-11-16 2017-11-16 激光与电解复合加工方法及其装置 Active CN107962263B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711136789.3A CN107962263B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 激光与电解复合加工方法及其装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711136789.3A CN107962263B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 激光与电解复合加工方法及其装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107962263A CN107962263A (zh) 2018-04-27
CN107962263B true CN107962263B (zh) 2019-07-09

Family

ID=62001130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711136789.3A Active CN107962263B (zh) 2017-11-16 2017-11-16 激光与电解复合加工方法及其装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107962263B (zh)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108746895B (zh) * 2018-05-29 2020-02-21 江苏大学 一种激光电解的切割装置
CN109277691B (zh) * 2018-11-14 2020-11-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种多电极同步激光与电解复合加工装置
CN109454345A (zh) * 2018-12-19 2019-03-12 黑龙江科技大学 微孔辅助激光打孔专用夹具及进行微孔加工的方法
CN112823993B (zh) * 2019-11-19 2022-04-29 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种激光与电液束复合加工装置
CN112823992A (zh) * 2019-11-19 2021-05-21 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置
CN113843460B (zh) * 2021-09-22 2023-05-16 清华大学 一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极
CN113857597B (zh) * 2021-09-23 2024-05-14 江苏大学 基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法
CN113857596B (zh) * 2021-09-23 2024-03-19 江苏大学 针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法
CN113909596A (zh) * 2021-10-27 2022-01-11 上海交通大学 多气膜冷却孔激光辅助玻璃毛细管电解并行加工装置
CN114204099B (zh) * 2021-11-09 2023-07-18 江苏大学 针对叠层复合材料的多能场一体化加工工具和方法
CN114346339B (zh) * 2022-01-28 2024-01-30 温州大学激光与光电智能制造研究院 超声辅助激光与电化学复合多能场协同加工系统及方法
CN114505551B (zh) * 2022-01-28 2022-12-27 江苏大学 干冰约束液体传光实现带热障涂层异形深小孔一体化加工方法
CN116604333A (zh) * 2023-04-19 2023-08-18 江苏大学 旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置及方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060133752A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Wenwu Zhang Photon energy material processing using liquid core waveguide
CN1919514A (zh) * 2006-09-18 2007-02-28 南京航空航天大学 喷射液束电解－激光复合加工方法及其装置
CN101000299A (zh) * 2006-01-11 2007-07-18 中国科学院化学研究所 一种夹心型液芯波导结构检测池
CN102649186A (zh) * 2012-05-07 2012-08-29 南京航空航天大学 激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置
CN104001999A (zh) * 2014-06-04 2014-08-27 江南大学 一种射流引导激光-电火花-电解组合加工装置
CN104014880A (zh) * 2014-05-22 2014-09-03 西安交通大学 一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法
CN106270844A (zh) * 2016-10-31 2017-01-04 沈阳理工大学 微间隙电解辅助激光微细加工方法及装置
CN106424987A (zh) * 2016-12-06 2017-02-22 江苏大学 管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置
CN106735871A (zh) * 2017-01-19 2017-05-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 液体辅助激光加工方法与装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060133752A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-22 Wenwu Zhang Photon energy material processing using liquid core waveguide
CN101000299A (zh) * 2006-01-11 2007-07-18 中国科学院化学研究所 一种夹心型液芯波导结构检测池
CN1919514A (zh) * 2006-09-18 2007-02-28 南京航空航天大学 喷射液束电解－激光复合加工方法及其装置
CN102649186A (zh) * 2012-05-07 2012-08-29 南京航空航天大学 激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置
CN104014880A (zh) * 2014-05-22 2014-09-03 西安交通大学 一种无重铸层微小孔的激光-电解复合加工装置及方法
CN104001999A (zh) * 2014-06-04 2014-08-27 江南大学 一种射流引导激光-电火花-电解组合加工装置
CN106270844A (zh) * 2016-10-31 2017-01-04 沈阳理工大学 微间隙电解辅助激光微细加工方法及装置
CN106424987A (zh) * 2016-12-06 2017-02-22 江苏大学 管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置
CN106735871A (zh) * 2017-01-19 2017-05-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 液体辅助激光加工方法与装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN107962263A (zh) 2018-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107962263B (zh) 激光与电解复合加工方法及其装置
CN107971592B (zh) 激光介入微细电解加工方法及其装置
CN103480926B (zh) 微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法及其专用工具
CN107937939A (zh) 三维微细金属结构增材的制造方法及其制造装置
CN100388997C (zh) 喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置
CN102861956B (zh) 一种航空发动机涡轮叶片无重熔层气膜孔的加工方法
CN112823993B (zh) 一种激光与电液束复合加工装置
CN108526627A (zh) 一种半导体材料激光电化学复合微加工方法及装置
WO2015039427A1 (zh) 激光光管电极的电化学复合沉积制造方法与装置
CN106270844B (zh) 微间隙电解辅助激光微细加工方法及装置
CN108655521A (zh) 一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法
CN108213957B (zh) 微细电解激光复合线切割加工方法及装置
CN112823992A (zh) 一种激光与电解液复合加工方法及其加工装置
CN110385520A (zh) 激光微织构304不锈钢表面疏水性微细电解复合加工工艺
CN106319614A (zh) 一种加工微结构阵列的方法
Wang et al. Investigation on a sustainable composite method of glass microstructures fabrication—Electrochemical discharge milling and grinding (ECDM-G)
Wang et al. Investigation on pulse-vibration electrochemical machining of parallel micro-grooves
CN206296548U (zh) 微间隙电解辅助激光微细加工装置
CN113843460B (zh) 一种激光电解复合加工用光电液耦合传导管电极
Guorong et al. Research on electrochemical machining technology of deep small hole using suction electrode
CN113070537B (zh) 一种3d打印的中空循环辅助电极结构
CN113681155B (zh) 一种激光辅助电化学处理孔质量的方法及装置
CN114101818A (zh) 一种无掩膜电解加工表面微织构的方法
Liu et al. Impact analysis of electrolyte pressure on shape accuracy of micro holes in ECM with hollow electrodes
CN108971677A (zh) 极间温度梯度差辅助电解切割加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant